综述：用于微生物油脂生产的解脂耶氏酵母：脂质提取技术、质量评估及潜在工业应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Yarrowia lipolytica for microbial oil production: Lipid extraction technologies, quality assessment, and potential industrial applications

　　

全球植物油需求的快速增长加剧了对可持续替代来源的探索。解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）作为一种稳健且代谢多样性高的产油酵母，已成为单细胞油脂（single-cell oil, SCO）生产的有前景平台。本文综述了近年来关于来源于Y. lipolytica油脂的提取方法、质量评估及潜在工业应用的研究进展。研究人员对从传统溶剂体系到机械法与酶法提取，以及超临界CO₂（supercritical CO₂）等新兴绿色方法在内的提取策略进行了批判性审视。研究人员评估了Y. lipolytica油脂的关键质量参数，如酸值（acid value, AV）、磷脂含量、过氧化值（peroxide value, PV）、碘值（iodine value, IV）和皂化值（saponification value, SV），并分析其对油脂稳定性与货架期的影响。值得注意的是，该类油脂可能含有杂质，尤其是游离脂肪酸（free fatty acids, FFA）含量可高达25 wt%，因此需要精炼以满足工业质量标准。尽管如此，这些油脂具有较高的油酸（oleic acid, C18:1）含量及良好的稳定性指标，使其适用于生物柴油（biodiesel）、油脂化学品（oleochemicals）以及特定食品和化妆品等多种用途。当前在提取过程放大、降低能耗强度以及减少下游加工成本方面仍存在显著挑战，同时关于长期储藏稳定性的系统性研究仍较为缺乏。展望未来，低成本底物的优化、精炼技术的进步，以及人工智能（artificial intelligence, AI）和机器学习（machine learning, ML）等计算工具的整合，有望加速菌株开发、过程监测和产品标准化。总体而言，Y. lipolytica代表了一种稳健的微生物油脂平台，具有支撑可持续生物经济的重要潜力。

1. Introduction

文章首先从全球油脂需求持续增长的背景切入，指出食品、饲料、生物燃料和化妆品等领域的广泛使用，正在加剧对传统植物油和鱼油来源的压力。相较于传统油脂资源，产油微生物所生产的单细胞油脂（single-cell oil, SCO）能够突破季节性和地域性限制，不依赖可耕地，并可利用废弃底物，因此在可持续脂质制造方面具有显著吸引力。文中进一步指出，产油微生物通常可在氮限制、碳过量条件下，以三酰基甘油（triacylglycerols, TAGs）形式积累超过细胞干重20%的脂质，部分情况下甚至可达50%–70%。

在多种产油微生物中，解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）因其天然产油特性、较清晰的基因组背景及成熟的基因工程工具而受到重点关注。文章强调，该菌可在氮限制条件下积累高达约40%干细胞重（dry cell weight, DCW）的脂质，并可利用广泛碳源；其丰富的过氧化物酶体（peroxisome）及分区化脂质代谢体系，也有利于β-氧化（β-oxidation）及脂质周转，从而适应不同生物过程设计。此外，该菌已获得美国食品药品监督管理局（FDA）“公认安全”（generally recognized as safe, GRAS）地位，为其在食品、饲料和医药方向的应用奠定了基础。

然而，正文也明确指出Y. lipolytica的工业化并非不存在限制。亲水性底物如葡萄糖或甘油条件下，碳流更易流向中心代谢与有机酸生成，而非储存脂质合成；疏水性底物虽然有利于脂质生成，但可能增加原料成本和操作复杂性。与此同时，脂质合成受氮源供应强烈调控，生长与产脂之间存在显著权衡。此外，脂质过量积累还可能诱发氧化胁迫、膜稳定性下降及细胞活力降低。文章据此提出，本综述的核心目的在于连接上游脂质合成研究与下游提取、品质控制和工业实施之间的知识断层。

2. Overview of Y. lipolytica as an oleaginous yeast

2.1. Mechanisms of lipid accumulation

本节概述Y. lipolytica作为产油酵母的代谢基础。文章指出，该酵母可利用烷烃、脂肪酸和油脂等疏水性底物，这不仅依赖胞外脂肪酶，也依赖胞内代谢通路。游离脂肪酸先被活化为脂酰辅酶A（acyl-CoA），随后进入β-氧化途径；同时，ALK（CYP52）酶可将正构烷烃和脂肪酸羟化为更极性代谢物。Y. lipolytica常见于富油环境，并具有二态性生长特征，可在酵母态与丝状态之间转换。

在氮限制和碳过量条件下，Y. lipolytica主要在胞内脂滴中积累脂质。脂质积累过程中，线粒体内乙酰辅酶A经三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA）转化为柠檬酸；当柠檬酸过量时被输出到胞质，并由ATP-柠檬酸裂解酶裂解再生乙酰辅酶A，用于脂肪酸合成。文中指出，尽管苹果酸酶可参与提供还原力，但氧化型磷酸戊糖途径（oxidative pentose phosphate pathway, oxPPP）才是Y. lipolytica中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原态（NADPH）的主要来源。随后，脂肪酸合酶（fatty acid synthase, FAS）生成的脂肪酸被并入二酰甘油（diacylglycerol, DAG），再由二酰甘油酰基转移酶1/2（DGAT1/DGAT2）及磷脂:二酰甘油酰基转移酶（PDAT）催化形成TAG并储存在脂滴中。野生型菌株通常可积累20%–40% DCW的脂质。

2.2. Fatty acid profile and lipid characteristics

文章指出，Y. lipolytica储存脂质以中性脂质TAG为主，少量磷脂主要存在于细胞膜中。总体上，其油脂以C18脂肪酸为主，尤其富含油酸（C18:1 n-9），通常占总脂肪酸的45%–55%。代表性组成包括棕榈酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）和亚油酸（C18:2），并伴有少量亚麻酸（C18:3）及奇数链脂肪酸，如C15:0、C17:0和C17:1。奇数链脂肪酸的出现被认为是Yarrowia油脂的一个区别性特征。

文中进一步说明，脂肪酸组成具有较高可塑性，可受底物类型与代谢工程双重影响。例如，删除PHD1基因可显著提高奇数链脂肪酸比例，这是由于丙酸代谢受阻后，丙酰辅酶A更易作为脂肪酸合成引物进入合成通路。另一方面，Δ12-去饱和酶（FAD2）缺失会阻断C18:1向C18:2的转化，从而促进油酸积累；而导入ω3-去饱和酶则可促进α-亚麻酸形成。总体而言，Yarrowia油脂富含单不饱和脂肪酸（monounsaturated fatty acids, MUFA），而多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFA）比例相对较低，因此较鱼油或藻油更稳定、更不易氧化。

2.3. Genetic engineering and strain improvement

该部分总结了Y. lipolytica在遗传改造方面的优势。文中指出，通过敲除竞争通路，如删除POX1-6抑制β-氧化，以及过表达乙酰辅酶A羧化酶、DGAT等关键脂质生成基因，研究人员已显著提高其脂质含量。部分工程菌株脂质含量可达到90% DCW，且不再严格依赖氮饥饿诱导。除此之外，Y. lipolytica还可被改造用于生产类可可脂、高硬脂酸油脂以及ω-3脂肪酸，说明其不仅是高效产脂宿主，也是可编程脂质生物制造底盘。文中还提到，已有工程化Y. lipolytica被用于商业规模二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid, EPA）生产，体现出实际工业价值。

2.4. Lipid production from waste-derived substrates by Y. lipolytica

文章系统梳理了Y. lipolytica利用废弃物来源底物生产脂质的能力，包括废活性污泥、粗甘油、木质纤维素水解液、黑液、桉树皮水解液、食物废弃物及果蔬废弃物等。整体结果表明，该菌对不同低值底物具有较强适应性，可获得从中等到较高的生物量和脂质含量。多个研究中，脂肪酸组成依然保持以油酸（C18:1）为主，并伴随C16:0和C18:2，这一组成对于后续生物柴油和油脂化学品应用较为有利。

2.5. Limitations and challenges

本节指出，尽管精制底物如葡萄糖和纯甘油可支持较高脂质产率，但其工业成本过高，因此废弃底物利用成为重要发展方向。然而，与精制底物相比，废弃底物常因组分波动、杂质复杂及抑制性化合物存在而导致脂质产率下降。文中认为，未来仍需通过优化高碳氮比、氧供等发酵条件来提升产脂效率，同时建立适合低值底物的经济型工艺流程。尽管如此，Y. lipolytica凭借稳健生理特征、遗传可操作性与GRAS属性，仍被视为极具潜力的工业产油酵母。

3. Lipid extraction

文章将脂质提取视为制约Y. lipolytica产业化的关键瓶颈之一。由于微生物油脂为胞内脂质，且受酵母坚韧细胞壁包裹，其回收必须依赖细胞破壁和有效传质。综述系统比较了传统溶剂提取、机械破壁、超临界CO₂提取及酶辅助提取等技术路径，并强调不同研究对“提取效率”的定义并不一致，因此在比较不同方法时需要统一指标。

3.1. Solvent extraction

传统有机溶剂提取仍是实验室尺度最常用方法，尤其是Folch法和Bligh and Dyer法等氯仿/甲醇体系，具有较高的总脂回收能力，并被广泛作为脂质定量标准。文中指出，这类方法虽然对中性脂质和极性脂质均具备良好溶解能力，但存在使用毒性溶剂、溶剂消耗大以及放大困难等缺点。相对安全的己烷、乙醇和丙酮等替代溶剂也被尝试用于放大，但非极性溶剂单独使用时通常难以穿透酵母细胞包被结构，因此需要与极性助溶剂联用，或结合破壁步骤。

针对Y. lipolytica，文中总结认为传统氯仿/甲醇体系仍然是提取标准，但得率波动明显，受菌株、培养方式及含水状态影响显著。某些研究显示，切换型亲水性溶剂可在湿菌体条件下略微提升回收率并提高TAG比例，而酸水解等强预处理则可显著增强细胞壁降解，从而提高脂质释放效率。相比之下，较温和的酸热处理效果有限，说明细胞壁裂解程度是影响溶剂提取效率的重要因素。

3.2. Mechanical disruption

机械破壁常作为溶剂提取前处理，以提高胞内油脂释放程度。文中介绍了高压均质（high-pressure homogenization, HPH）、珠磨（bead milling, BM）、超声、微波及冻融等多种方法。总体而言，这些方法本身并不直接实现油脂分离，但可通过破坏细胞壁与细胞膜，显著增强后续溶剂接触和提取效率。

珠磨被认为是较有效且具有一定放大可行性的技术；HPH与BM组合往往优于单独BM。含水率同样显著影响提取：对非极性溶剂而言，去除水分通常有利于溶剂与脂质接触，因此冻干或其他干燥预处理可提高回收率，但也增加能耗。超声通过空化作用增强破壁，微波则通过快速加热胞内水分诱导细胞破裂，二者均可缩短提取时间，但局部升温可能加剧热敏性脂质氧化或导致FFA升高。文章还提到，脉冲电场（pulsed electric field, PEF）和渗透冲击等温和方法在其他微藻体系中已有研究，但对酵母类坚韧细胞的完全裂解能力仍有限。

3.3. Supercritical CO₂ extraction

超临界CO₂（supercritical CO₂, SC-CO₂）提取被视为绿色提取技术的重要代表。其优势在于：CO₂无毒、可回收、操作温度相对温和，且产品中基本无有机溶剂残留，适合高附加值油脂生产。通过调节压力和温度，并加入乙醇等助溶剂，还可改善对较极性脂质的溶解能力。对于Y. lipolytica，SC-CO₂在油品质量和环境友好性方面具有明显优势，但其提取得率通常低于传统溶剂法，而且对原料含水率极为敏感，需要将水分降至较低水平，这使脱水和干燥成为显著能耗热点。此外，高压设备投资昂贵，也是限制其大规模推广的重要因素。

3.4. Enzymatic extraction

酶法提取通过β-葡聚糖酶、几丁质酶、甘露聚糖酶及蛋白酶等裂解细胞壁与膜结构，从而释放油脂。文章认为，酶法条件温和、选择性较好，且适用于对溶剂残留和热损伤敏感的应用场景，特别是食品级和高附加值用途。然而，该方法也存在酶成本高、体系需针对不同微生物细胞壁定制、提取时间较长等问题；同时，水相环境中较长时间处理还可能造成部分脂质水解，从而提升FFA含量。

3.5. Comparison of methods

综述比较认为，各提取方法在脂肪酸组成层面表现出较高一致性，均显示Y. lipolytica油脂以C16:0、C18:1和C18:2为主，个别情况下还可见奇数链脂肪酸。然而，在脂类组成和提取得率方面，不同研究之间差异显著：TAG、FFA和极性脂质比例波动较大，脂质得率也可从极低到较高不等。这种差异不仅来自菌株与培养条件差异，也与预处理方式、含水状态和提取工艺密切相关。

文章进一步指出，部分粗脂提取物的组成并不能加和至100%，说明其中可能存在蛋白质、碳水化合物及元素性杂质等非脂成分。这类共提取杂质目前很少被系统表征，但它们对后续精炼策略设计至关重要。综合雷达图评价结果，传统溶剂法在提取效率和成本方面仍具优势；机械法兼顾较低溶剂使用量与较好回收率；SC-CO₂在环境可持续性和油品质量方面表现突出；酶法则更适合温和、高质量提取场景。总体上，没有任何单一方法在所有维度上占优，未来应根据产品用途、规模需求、能耗与环境约束进行工艺匹配。

4. Parameters affecting the quality and shelf-life of Y. lipolytica oils

本部分围绕Y. lipolytica油脂品质与货架期的决定因素展开，重点讨论酸值、磷脂含量、过氧化值、碘值、皂化值及储藏条件。文章认为，这些指标共同决定了微生物油在食品、化妆品和工业用途中的适用性。

4.1. Acid value

酸值（acid value, AV）反映油脂中FFA含量。文中指出，Y. lipolytica粗油常具有偏高的FFA水平，通常约为4%–6%，某些情况下可达总脂的25%，折算后AV可高达约50 mg KOH/g。高FFA不仅不利于食用品质和储藏稳定性，也会在碱催化生物柴油转酯化过程中引发皂化，造成乳化和收率损失。因此，精炼尤其是中和脱酸步骤对该类油脂商业化至关重要。虽然针对Y. lipolytica油脂精炼的专门研究尚缺乏，但文章认为常规食用油精炼思路具有借鉴意义。

4.2. Phospholipid content

磷脂是Y. lipolytica油脂中常见共提取成分，在部分研究中可占总脂的22%。文章指出，尽管TAG是主要目标产物，但磷脂会在脱胶、脱色和脱臭等环节中带来工艺干扰，例如促进乳化、降低漂土吸附容量、缩短催化剂寿命，并影响最终产品稳定性。因此，在下游处理中尽早去除磷脂，或在前端通过选择性提取减少其共提取，对于提高加工效率和控制成本具有重要意义。

4.3. Peroxide value

过氧化值（peroxide value, PV）用于表征初级氧化程度。文章指出，若提取过程中的氧暴露有限，新鲜微生物油的PV通常较低。由于Y. lipolytica油脂富含单不饱和的油酸（C18:1），其氧化稳定性预计优于富含PUFA的鱼油或藻油。基于脂肪酸组成及与高油酸植物油的类比，该油脂有望表现出较好的Rancimat诱导期，因此在长货架期和热加工应用方面具有潜在优势。

4.4. Iodine value 与 4.5. Saponification value

碘值（iodine value, IV）反映不饱和程度。Y. lipolytica油脂的IV通常处于中等范围，说明其以单不饱和脂肪酸为主，氧化敏感性相对较低。皂化值（saponification value, SV）则反映脂肪酸平均链长，其范围通常与C16–18脂肪酸占优的组成相一致，并与橄榄油、葵花籽油等常规植物油相近。文章据此认为，该油脂适合肥皂、油脂化学品及生物柴油生产等用途。

4.6. Shelf-life and storage

文中指出，Y. lipolytica油脂的储藏稳定性主要受脂肪酸组成、残余水分、FFA含量以及氧、光和温度暴露影响。由于其高油酸特征，理论上具有较长储藏寿命；但若控制不当，仍可能发生氧化劣变。采用惰性气体保护、避光包装、低温储藏及添加天然抗氧化剂等措施，有望延缓氧化。文章特别强调，目前关于Y. lipolytica油脂长期真实储藏条件下稳定性的系统研究仍不足，这是未来需要重点补足的研究空白。

5. Potential applications of Y. lipolytica oils

文章最后总结了Y. lipolytica油脂的主要应用场景，包括生物柴油、油脂化学品、化妆品和动物饲料等。其核心优势在于：脂肪酸组成接近常规植物油，尤其富含C18:1，兼具较好稳定性与应用可调性。

在生物柴油方面，文章指出其可通过原位酯交换或“先提取、后转酯化”的两步法转化为脂肪酸甲酯（fatty acid methyl esters, FAMEs）。由于Y. lipolytica油脂通常具有较适宜的十六烷值、碘值、氧化稳定性和黏度等参数，整体上接近或满足ASTM D6751和EN 14214等标准要求，因而是重要的微生物柴油原料候选。

在油脂化学品与生物基化学品方面，其脂肪酸可进一步转化为脂肪醇、表面活性剂、生物润滑剂、肥皂及聚合物前体。通过工程化调控脂肪酸链长和不饱和度，还可拓展至更高附加值产品。化妆品和个护领域则主要利用其油酸和亚油酸带来的润肤、保湿、屏障修复及潜在抗氧化特性，同时发酵来源也赋予其原料一致性和可持续性优势。动物营养方面，该油脂可作为重要脂质来源，为家禽和水产提供必需脂肪酸，并可通过代谢工程进一步强化特定功能脂肪酸的供给能力。

6. Future perspectives 与 7. Conclusion

文章在结尾强调，Y. lipolytica作为微生物油脂平台，兼具底物灵活性、工程可塑性与可持续发展潜力。未来研究重点应包括：开发低成本可再生底物；结合CRISPR-Cas9等工具提升产脂能力并定制脂肪酸谱；推进提取与精炼一体化优化；系统识别粗油中的非脂杂质；并引入人工智能（AI）和机器学习（ML）辅助菌株设计、过程优化和实时监测。总体而言，若能在提取效率、能耗、精炼、稳定性评价及规模化方面实现突破，Y. lipolytica来源油脂有望成为支撑可持续生物炼制的重要工业油脂来源。