植物油脂生物合成表面活性剂及产物分析
现代食品科技
Modern Food Science and Technology 2016, Vol.32, No.4
植物油脂生物合成表面活性剂及产物分析
李静,邓毛程,陈维新,王瑶,陈赞荣 (广东轻工职业技术学院,广东广州 510300)
摘要:为了利用废弃油脂制备生物表面活性剂,用嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)WO-S14对不同植物油脂进行发酵,并对产物进行系统分析。通过发酵试验与性能分析,发现芝麻油的发酵产物具有优良的表面性能,对煤油的乳化率E 24为75.22%,使水的表面张力降低至27.90 mN/m,且在较广的环境条件范围内具有良好稳定性。采用柱层析方法获得分离纯化的表面活性剂产物,通过薄层层析(TLC )、红外光谱(IR )、气质联用(GC-MS)、电喷雾质谱(ESI-MS)和串联质谱(MS/MS)等手段分析了产物的化学组成和结构,结果表明以芝麻油生物合成的表面活性剂主要是一种具有环状结构的脂肽,分子量为814,由含有15个碳原子的β-羟基脂肪酸和含有6个氨基酸分子的短肽组成,肽链中氨基酸连接顺序为:-Met-Glu-Ala-Ser-Ala-V al-,是一种新型脂肽类生物表面活性剂。
关键词:生物合成;产物分析;发酵;植物油脂;生物表面活性剂;脂肽
文章篇号:1673-9078(2016)4-171-176 DOI: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2016.4.028
Biosynthesis and Characterization of Novel Surfactants Prepared using
Vegetable Oils
LI Jing, DENG Mao-cheng, CHEN Wei-xin, WANG Yao, CHEN Zan-rong
(Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 510300, China)
Abstract: Different vegetable oils were fermented using Stenotrophomonas maltophilia WO-S14, with the objective of preparing biosurfactants from waste oil. The properties of the fermentation products were analyzed thoroughly and systematically. The fermentation product of sesame oil showed good surface properties; its emulsification index (E24) against kerosene was 75.22%; it could reduce the surface tension of water to 27.90 mN/m; it was highly stable under a wide range of environmental conditions. The surfactant product was purified by column chromatography and the chemical composition and structure of the purified product were studied by thin layer chromatography (TLC), infrared spectroscopy (IR), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) and tandem mass spectrometry (MS/MS). The results indicated that the surfactant biosynthesized from sesame oil was a novel cyclic lipopeptide, with a molecular weight of 814. It was composed of a 15-carbon β-hydroxy fatty acid and a short peptide of six amino acid residues. The amino acid sequence of the peptide chain was Met-Glu-Ala-Ser-Ala-Val.
Key words: biosynthesis; product analysis; fermentation; vegetable oil; biosurfactant; lipopeptide
生物表面活性剂是微生物代谢产生的兼有亲水基和疏水基的化合物,具有良好的乳化性、起泡性、生物可降解性和无毒或低毒等优点,在石油开采、日用化工、农业、食品、医药和环境治理等领域具有广阔的应用前景[1]。据报道,海藻糖脂应用于石油开采,能够使石油采收率提高30%,驱油效果远远优于化学
收稿日期:2015-12-08
基金项目:广东省科技计划项目(2014B020204004);广东高校特色调味品工程技术开发中心建设项目(GCZX-B1103);创新强校工程专项资金机制改革与协同创新项目(1A20201)。
作者简介:李静(1974-),女,副教授,博士研究生,研究方向为环境科学、资源综合利用技术
通讯作者:邓毛程(1971-),男,教授,博士,研究方向为生物工程
表面活性剂[2];利用鼠李糖脂淋洗土壤中的重金属,
Cu 、Cd 和Ni 等重金属的去除率一般能够达到60%以
一些脂肽类生物表面活性剂还具有广谱抑菌性,上[3];
已作为抑菌剂应用于化妆品和食品[4]。
根据亲水基的不同,生物表面活性剂可分为糖脂、脂肽/脂蛋白、脂多糖-蛋白复合物、磷脂、取代脂肪酸和中性脂等六类[5],糖脂和脂肽是人们研究最多的两类生物表面活性剂。有研究人员曾经利用大豆油、葵花籽油等植物油脂作为微生物生长及代谢的碳源,进行了脂肽、鼠李糖脂等生物合成的研究[6-7]。目前限制各种生物表面活性剂广泛应用的主要因素是其过高的生产成本,因而寻找价格低廉、来源广泛的原料作为微生物发酵生产的培养基,是有效降低生产成
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本的途径。当前,全球废弃油脂问题日益严重,对废弃油脂开展综合利用已成为世界各国关注的热点,同时,植物油脂精炼加工过程中会产生大量含油废水,其特点是油脂含量高,但不含重金属和其他有毒物质,以其为原料开展微生物合成生物表面活性剂的研究和开发,将是废弃油脂及植物油脂加工业综合利用领域的发展方向。本研究以不同植物油脂作为嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia) 的发酵碳源,分析生物表面活性剂的产生情况及特性,期望能够为废弃油脂利用和生物表面活性剂合成的研究提供参考。
三角瓶,经灭菌、冷却后,接入斜面菌种,于30 ℃、200 r/min下振荡培养14 h。
发酵培养基:单一的植物油脂 (分别以葵花籽油、芝麻油、玉米油、橄榄油、花生油、椰子油、菜籽油作为碳源)30 g/L,酵母膏2 g/L,NH 4NO 3 2 g/L,
MgSO 4·7H2O 0.4 g/L,调节pH 到 7.0。KH 2PO 4 2 g/L,
经灭菌、冷却后,接入上述种子液,接种量为10% (V/V) ,于30 ℃、200 r/min下振荡培养60 h。
1.5 发酵液乳化性能的测定
将上述发酵液调节至pH7.5,经6000 rpm离心20 min ,取上清液,用等体积正己烷萃取上清液中残留的油脂,取水相溶液。参照文献测定水相溶液的乳化性能[8],将5 mL待测溶液和5 mL煤油加入具刻度的试管中,利用涡旋振荡器进行振荡3 min,再在室温下静止24 h,分别测量乳化层和总液层的高度,按下式计算乳化率(E24) :
E 24=
乳化层高度
×100%
总液层高度
1 材料与方法 1.1 菌种
嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)
WO-S14:分离及保藏于广东轻工职业技术学院微生物实验室。
1.2 材料
葵花籽油、芝麻油:益海嘉里食品营销公司;玉米油:中粮食品营销有限公司;橄榄油:品利(上海) 食品有限公司;花生油:广州市胜龙食品有限公司;椰子油:广州瀚浩化工有限公司;菜籽油:深圳市龙唛食品有限公司;煤油:中国石油化工集团公司;硅胶层析薄板(10 cm×20 cm):青岛海洋化工厂;酵母膏、蛋白胨:广州环凯微生物科技有限公司;其它试剂:市售。
1.6 发酵液表面张力的测定
采用吊铂金板法[9],利用A101型全自动表面张力仪测定上述水相溶液的表面张力。
1.7 菌体量的测定
发酵液经离心分离,所得的湿菌体经100 ℃烘干至恒重,称重,可计算发酵液中菌体量。
1.3 主要仪器
BSD-WXF1350型振荡培养箱:上海博讯实业有限公司;A101型全自动表面张力仪:美国科诺工业有限公司;RE-52A 型旋转蒸发仪:上海亚荣生化仪器厂;LNG-UF-101超滤机:上海朗极膜分离设备工程有限公司;DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;VFB-1000真空冷冻干燥机:上海比朗仪器制造有限公司;VERTEX70型傅立叶红外光谱仪:德国布鲁克光谱仪有限公司;GC6890-5973iMS 型气相色谱/质谱仪:美国安捷伦科技有限公司;L8900型氨基酸自动分析仪:日本日立公司;TSQ Endur 液质联用仪:美国塞默飞公司。
1.8 生物表面活性剂的提取
利用小型超滤装置对上述发酵液的水相溶液进行过滤,分别用2500 u和360 u的超滤膜先后两次过滤,取2500~360 u之间的截留液,再利用旋转蒸发仪进一步浓缩至原水相溶液体积的20%,用6 M盐酸调节至pH 2.0,置于4 ℃冰箱中静止12 h,在4 ℃、12000 r/min的条件下离心收集沉淀物,即为生物表面活性剂的粗提物。粗提物经冷冻干燥,称重,可计算发酵液中粗提物产量。
1.9 乳化稳定性试验
根据各种发酵液的乳化性能和生物表面活性剂粗提物产量,优选出其中一种发酵液进行稳定性试验。按下列条件分别进行预处理:(1)将发酵液的水相溶液分别置于60、80、100、120 ℃下加热60 min;(2)在水相溶液分别加入20、40、60、80、100 g/L的NaCl ;(3)将水相溶液的pH 值分别调节至2.0、4.0、6.0、
1.4 摇瓶发酵
种子培养基:葡萄糖20 g/L,酵母膏10 g/L,NH 4NO 3 1 g/L,KH 2PO 4 2 g/L,MgSO 4·7H2O 0.5 g/L,调节pH 到7.0。将200 mL种子培养基装入1000 mL
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8.0、10.0和12.0。然后,按1.5所述的方法测定发酵液的乳化性能。
1.13 分子量与氨基酸顺序的分析
用甲醇将纯化组分配制成2.0 g/L溶液,利用液相色谱串联质谱法分析样品的分子量。液相色谱条件为:色谱柱Capcell Pak MGⅡC18 (100 m×2.1 mm×3.5 µm),流动相是0.1%甲酸溶液和甲醇(1:1, V/V) ,流速为0.2 mL/min,柱温为25 ℃,进样量为5 µL。质谱条件为:EI 离子源;电压3500 V;离子传输管温度350 ℃;雾化温度300 ℃;鞘气流速为35 L/h;辅助气流速为10 L/h。
1.10 生物表面活性剂的纯化
按1.8所述的方法,从优选的发酵液中获得生物表面活性剂粗提物。利用硅胶柱(Ф25×400 mm, 200目硅胶) 对粗提物进行层析分离,洗脱液依次使用氯仿、氯仿与甲醇不同比例的混合液(9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7, V/V) ,洗脱速度为1 mL/min,定量收集流出液,用紫外分光光度计扫描流出液的吸收波长,合并相同的流出液,利用真空旋转蒸发仪于45 ℃下蒸发去除溶剂,即得纯化组分。将各组分配制成0.5 g/L溶液,按1.5和1.6所述的方法测定乳化性能和表面张力,优选最佳的组分进一步研究。
1.14 数据分析
每个试验重复三次,利用软件Origin 8.6处理数据和绘图。
1.11 纯化组分的定性分析
采用硅胶薄层层析显色法对纯化组分进行定性分析[10],展开剂为氯仿/甲醇/水(60/20/20, V/V/V) 的混合液。层析后,烘干,将薄板和1杯浓盐酸放入密闭容器中,置于110 ℃的烘箱中水解24 h,然后分别利用苯酚-硫酸试剂、0.5%茚三酮丙酮溶液和碘蒸气对薄板上的斑点进行显色,根据斑点颜色对生物表面活性剂进行定性。另外,将纯化组分拌入溴化钾,经7000 kg/cm2的压力制成片状,置于傅立叶红外光谱仪中扫描,光谱范围为4000~400 cm-1,分析纯化组分的官能团。
2 结果与分析
2.1 发酵液的表面张力和乳化性能
1.12 纯化组分的组成分析
将50 mg纯化组分加入5 mL的6.0 mol/L盐酸中,于110 ℃下水解20 h,用乙醚对水解液进行萃取,收集乙醚相,真空蒸发去除乙醚,加入5 mL的盐酸-甲醇溶液(25%,V/V),于100 ℃甲酯化1 h,用正己烷萃取,收集正己烷相,去除正己烷,即得脂肪酸甲酯,利用GC-MS 进行分析。气相色谱条件为:色谱柱DB-FFAP (30 m×0.25mmm×0.25 µm);进样器和检测器温度设为250 ℃;氮气的流速为1.0 mL/min;当注入0.2 µL样品时,柱温控制步骤为:从100 ℃至250 ℃,升温速度为10 /min℃;最后在250 ℃下维持10 min。质谱条件为:EI 离子源;离子源温度为230 ℃;电离电压为70 eV;四级杆温度为150 ℃。
按前述方法,将50 mg纯化组分加入5 mL的6.0 mol/L盐酸中,于110 ℃下水解20 h,再用1.0 mol/L氢氧化钠溶液中和水解液,利用氨基酸分析仪分析水解液中的游离氨基酸,色谱柱为4.6 mm ID×60 mm,反应柱为4.6 mm ID×40 mm。
图1 不同植物油脂发酵液的乳化性能和表面张力 Fig.1 Emulsifying property and surface tension of fermentation
broths from different vegetable oils
以不同植物油脂为唯一碳源,发酵液的表面张力和乳化性能如图1所示。表面张力是生物表面活性剂的重要指标之一,对于性能优良的生物表面活性剂,通常能够使水的表面张力从72 mN/m降低至30 mN/m左右或以下[11~12]。不同油脂发酵液的表面张力范围为24.0~35.0 mN/m,橄榄油和芝麻油的发酵产物在降低表面张力上呈现了优良性能。各种发酵液对煤油的乳化性能差异较大,乳化率E 24的范围为19.61%~75.22%,其中,芝麻油发酵液和橄榄油发酵液的乳化率E 24都高于70%。乳化性能测定通常以煤油或其它疏水性化合物为乳化对象,乳化率E 24愈大,生物表面活性剂对疏水性化合物的乳化作用愈强。以煤油检测发酵液的乳化性能时,乳化率E 24一般为40%~70%[9~11]。相对文献报道,嗜麦芽寡养单胞菌WO-S14在芝麻油、橄榄油培养基的发酵产物具有较
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强的乳化性能。
2.2 发酵液的粗提物产量和菌体量
不同发酵液的粗提物产量和菌体量如图2所示。在各种油脂的发酵液中,粗提物产量的大小顺序为:芝麻油>椰子油>橄榄油>玉米油>花生油>菜籽油>葵花籽油。芝麻油发酵液和葵花籽油发酵液的粗提物产量存在较大差别,分别为1.29 g/L和0.23 g/L。各种发酵液中菌体量的大小顺序与粗提物产量的排序相反,嗜麦芽寡养单胞菌WO-S14在葵花籽油发酵液中的菌体量反而最大。另外,芝麻油、椰子油和橄榄油发酵液的粗提物产量差别不大,它们的菌体量也比较接近。生物表面活性剂是微生物的次生代谢产物,上述现象符合次生代谢产物的发酵规律。次生代谢产物发酵属于非生长偶联型发酵,既要使菌体得到适当生长,又要控制生物量,故发酵工艺技术仍待进一步研究。
性能相对稳定。继续增加NaCl 添加量,或继续增大pH ,发酵液对煤油的乳化率E 24呈现较明显的下降趋势。从温度、盐度和pH 等条件进行综合分析,发酵产物在较广的条件范围具有良好稳定性,适宜在多种环境条件下应用。
图2 不同植物油脂发酵液的粗提物产量和菌体量 Fig.2 Crude extract yield and biomass of fermentation broths of
different vegetable oils
2.3 乳化性能的稳定性
表1 芝麻油发酵产物的稳定性
T able 1 Stability of the fermentation product from sesame oil
温度/℃
E 24
60 75.23±1.35 80 75.30±1.42 100 75.10±1.28 120 74.72±1.26 NaCl/(g/L) E24
20 75.21±1.33 40 75.20±1.38 60 71.79±1.24 80 53.68±0.96 100 40.28±0.83 pH E24
2.0 75.22±1.27 4.0 75.45±1.35 6.0 75.26±1.32 8.0 75.19±1.22 10.0 57.57±0.94 12.0 23.63±0.45
2.4 纯化组分的定性分析
将芝麻油发酵液的粗提物进一步纯化,获得表面张力最低的一个组分,且与发酵液表面张力吻合。该组分经硅胶板薄层层析与显色,仅在Rf 值为0.32的位置有一个斑点。在苯酚-硫酸试剂作用下,斑点不显色,表明该组分不含糖基化合物。在碘蒸汽作用下,斑点呈现出黄色,表明该组分含有脂类化合物。0.5%茚三酮丙酮溶液能够使斑点呈现出红色,表明该组分含有氨基酸或肽类化合物。综上所述,可初步推断该组分为脂肽类生物表面活性剂。另外,在不经水解处理的情况下,0.5%茚三酮丙酮溶液不能使斑点显色,该组分有可能是一个具有环状结构的脂肽化合物。
芝麻油发酵液的粗提物产量最大,对煤油的乳化率E 24最大,且表面张力较低,故优选为进一步研究的对象。芝麻油发酵液在不同条件下进行处理,对煤油的乳化率E 24如表1所示。芝麻油发酵液在60~120 ℃下进行加热处理后,乳化率E 24变化不大,表明发酵产物的热稳定性良好。当NaCl 含量低于60 g/L时,或在pH 为2.0~8.0的范围内,发酵液的乳化
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图3 傅立叶变换红外光谱
Fig.3 Fourier transform infrared spectrum of the purified
fermentation product of sesame oil
该组分的傅立叶红外光谱如图3所示。在3432.16 cm -1处有一个较宽的吸收峰,是由OH 和NH 基团伸缩振动引起。2929.77 cm-1处的吸收峰是CH 2、CH 3
基团伸缩振动所产生,表明该组分含有饱和脂肪链。1643.66 cm-1处的吸收峰是由酰胺键CO-N 所引起,表明该组分含有肽链。另外,1456.87 cm-1处的吸收峰是由C=O伸缩振动所引起,1321.51 cm-1处的吸收峰是由C-O 伸缩振动所引起,表明该组分具有内酯的羰基结构。与文献报道的傅立叶红外光谱进行比较,该组分的特征吸收峰与文献报道的脂肽化合物相似[8],进一步确定薄层层析与显色的定性分析结果。
2.5 生物表面活性剂的分子结构
纯化组分经高温水解,得到游离的脂肪酸,再在酸性条件下与甲醇发生酯化反应,得到脂肪酸甲酯。利用GC-MS 进行检测,在质谱图中发现脂肪酸甲酯的质荷比m/z为258,通过检索NIST98谱图库,确定游离的脂肪酸为C 15的β-羟基脂肪酸,分子式为:CH 3-(CH2) 10-CHOH-CH 2-COOH 。另外,纯化组分经水解,利用氨基酸分析仪进行检测,得知肽链部分由蛋氨酸(Met)、谷氨酸(Glu)、丙氨酸(Ala)、丝氨酸(Ser)和缬氨酸(Val) ,它们在肽链部分的摩尔含量分别为15.6%、15.2%、30.4%、15.7%和14.9%。因此,可初步推测蛋氨酸、谷氨酸、丙氨酸、丝氨酸和缬氨酸在肽链中的摩尔比为1:1:2:1:1。
谱图中主要存在质荷比分别为815.07、716.02、588.96和358.19的离子峰,其中质荷比为815.07的[M+H]+峰相对丰度最大,是代表纯化组分的离子峰。以质荷比为815.07的[M+H]+为进一步分析对象进行串联质谱分析,串联质谱分析图谱如图5所示。根据上述的脂肪酸分析结果,m/z为227.19的离子峰与之吻合,代表脂肽的脂肪链部分。根据图5中的m/z的信息,肽链中氨基酸连接顺序的推测结果如图6所示。图5中存在m/z比为815.07、715.98、645.21、588.96、487.27、358.19和227.19的离子峰,根据它们之间的m/z差值,可推测出肽链中氨基酸连接顺序为:-Met-Glu-Ala-Ser-Ala-V al-,此连接顺序与上述氨基酸分析结果吻合。同时,离子峰476.23、347.40、276.21和189.13之间的m/z差值,也从逆向表明了肽链中氨基酸连接顺序。
图6 肽链部分的氨基酸连接顺序
Fig.6 Amino acid sequence of the peptide chain
图7 脂肽的分子结构
Fig.7 Inferred molecular structure of the lipopeptide
图4 样品的质谱分析结果
Fig.4 Mass spectrum of the purified biosurfactant
综上所述,从嗜麦芽寡养单胞菌WO-S14的芝麻油发酵液中分离得到的生物表面活性剂是一种具有环状结构的脂肽,其分子结构如图7所示,由含有15个碳原子的β-羟基脂肪酸和含有6个氨基酸分子的短肽组成。国内外均有文献报道这种具有环状结构的脂肽[13~14],其肽链含有若干个氨基酸,脂肪链通常是含有若干个碳原子的β-羟基脂肪酸。但是,关于图7所示的脂肽分子,文献尚未有报道,是一个新发现的脂肽类生物表面活性剂。
3 结论
图5 离子峰(m/z=815)的串联质谱分析结果 Fig.5 Tandem mass spectrum of the ion peak (m/z = 815)
如图4所示,纯化组分经电离喷雾质谱测定,质
利用嗜麦芽寡养单胞菌WO-S14对不同植物油脂进行生物表面活性剂发酵,发现芝麻油发酵产物具有最佳的综合性能,对煤油的乳化率E 24为75.22%,能够使水的表面张力降低至27.90 mN/m,且粗提物产量
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现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2016, Vol.32, No.4
最高。芝麻油发酵产物经120 ℃加热60 min,或在pH 2.0~8.0溶液中,或在含60 g/L NaCl的溶液中,具有良好的乳化稳定性。通过对芝麻油发酵产物进行分离和分析,发现主要产物是一种具有环状结构的脂肽类表面活性剂,其分子量为814,由含有15个碳原子的β-羟基脂肪酸和含有6个氨基酸分子的短肽组成,属于新发现的脂肽类生物表面活性剂。新发现的脂肽适用于多种环境条件,对生物表面活性剂的研究及应用具有参考价值,但发酵产量的提高是进一步努力的方向。
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