脂肪酶：从基础到应用的全面解析
脂肪酶：从基础到应用的全面解析
脂肪酶是一种重要的生物催化剂，广泛存在于动植物和微生物中。它不仅在人体消化吸收中发挥关键作用，还在工业、医药、食品等多个领域展现出重要应用价值。本文将从脂肪酶的来源、结构、功能到实际应用，为您全面解析这一神奇的生物酶。
一、来源与分布
脂肪酶广泛存在于含有脂肪的动、植物和微生物（如霉菌、细菌等）组织中。在动物体内，脂肪酶主要合成于胰腺的腺泡，因此也称为胰脂肪酶，是血清胰脂肪酶的主要来源。此外，十二指肠、食道等消化器官也会分泌少量的脂肪酶进入血液。在植物中，油料作物的种子（如蓖麻籽、油菜籽）含有较多的脂肪酶。当油料种子发芽时，脂肪酶能与其他酶协同作用，催化分解油脂类物质生成糖类，提供种子生根发芽所必需的养料和能量。微生物中的脂肪酶含量也颇为丰富，且由于微生物种类多、繁殖快、易发生遗传变异，具有比动植物更广的作用pH、作用温度范围以及底物专一性。
二、分类
按脂肪酶对底物的特异性可分为三类：脂肪酸特异性、位置特异性和立体特异性。依据脂肪酶的来源不同，脂肪酶还可以分为动物性脂肪酶、植物性脂肪酶和微生物性脂肪酶。不同来源的脂肪酶可以催化同一反应，但反应条件相同时，酶促反应的速率、特异性等则不尽相同 。
三、结构与性质
脂肪酶属于羧基酯水解酶类，能够逐步将甘油三酯水解成甘油和脂肪酸。其活性部位残基由丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸组成，属于丝氨酸蛋白酶类。脂肪酶的催化部位埋在分子中，表面被相对疏水的氨基酸残基形成的螺旋盖状结构覆盖（又称“盖子”），对三联体催化部位起保护作用。这种结构使得脂肪酶在油水界面上具有最大的催化活力。
除此之外还表现出其他一些酶的活性，如磷脂酶、溶血磷脂酶、胆固醇酯酶、酰肽水解酶活性等（Hara；Schmid）。脂肪酶不同活性的发挥依赖于反应体系的特点，如在油水界面促进酯水解，而在有机相中可以酶促合成和酯交换。
脂肪酶的性质研究主要包括最适温度与pH、温度与pH稳定性、底物特异性等几个方面。迄今，已分离、纯化了大量的微生物脂肪酶，并研究了其性质，它们在分子量、最适pH、最适温度、pH和热稳定性、等电点和其他生化性质方面存在不同（Veeraragavan等）。
总体而言，微生物脂肪酶具有比动植物脂肪酶更广的作用pH、作用温度范围，高稳定性和活性，对底物有特异性（Schmid等；Kazlauskas等）。脂肪酶的催化特性在于：在油水界面上其催化活力最大，早在1958年Sarda和Desnnelv 就发现了这一现象。溶于水的酶作用于不溶于水的底物，反应是在2个彼此分离的完全不同的相的界面上进行。这是脂肪酶区别于酯酶的一个特征。酯酶（E C3.1.1.1）作用的底物是水溶性的，并且其最适底物是由短链脂肪酸（≤C8）形成的酯。
脂肪酶是重要的工业酶制剂品种之一，可以催化解脂、酯交换、酯合成等反应，广泛应用于油脂加工、食品、医药、日化等工业。不同来源的脂肪酶具有不同的催化特点和催化活力。其中用于有机相合成的具有转酯化或酯化功能的脂肪酶的规模化生产对于酶催化合成精细化学品和手性化合物有重要意义。
脂肪酶是一种特殊的酯键水解酶，它可作用于甘油三酯的酯键，使甘油三酯降解为甘油二酯、单甘油酯、甘油和脂肪酸。
酶是一种活性蛋白质。因此，一切对蛋白质活性有影响的因素都影响酶的活性。酶与底物作用的活性，受温度、pH值、酶液浓度、底物浓度、酶的激活剂或抑制剂等许多因素的影响。
脂肪酶在微生物中有广泛的分布，其产生菌主要是霉菌和细菌。已经公布的适用于甘油三酯加工的不同来源的脂肪酶有33种，其中18种来自霉菌，7种来自细菌。
脂肪酶可将甘油酯（油、脂）水解，在不同阶段可释放出脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯及甘油。水解生成的脂肪酸，可以用标准的碱溶液滴定，以滴定值表示酶活力。
反应式为：RCOOH+NaOH → RCOONa+H2O
四、脂肪酶催化机制
脂肪酶具有油-水界面的亲和力，能在油-水界面上高速率的催化水解不溶于水的脂类物质；脂肪酶作用在体系的亲水-疏水界面层，这也是区别于酯酶的一个特征。
来源不同的脂肪酶，在氨基酸序列上可能存在较大差异，但其三级结构却非常相似。脂肪酶的活性部位残基由丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸组成，属于丝氨酸蛋白酶类。脂肪酶的催化部位埋在分子中，表面被相对疏水的氨基酸残基形成的螺旋盖状结构覆盖（又称“盖子”），对三联体催化部位起保护作用。“盖子”中的α-螺旋的双亲性会影响脂肪酶与底物在油-水界面的结合能力，其双亲性减弱将导致脂肪酶活性的降低。“盖子”的外表面相对亲水，而面向内部的内表面则相对疏水。由于脂肪酶与油-水界面的缔合作用，导致“盖子”张开，活性部位暴露，使底物与脂肪酶结合能力增强，底物较容易地进入疏水性的通道而与活性部位结合生成酶-底物复合物。界面活化现象可提高催化部位附近的疏水性，导致α-螺旋再定向，从而暴露出催化部位；界面的存在还可以使酶形成不完全的水化层，这有利于疏水性底物的脂肪族侧链折叠到酶分子表面，使酶催化易于进行 。
五、生理功能
脂肪酶在人体中具有多种生理功能，包括：
促进脂肪消化吸收：脂肪酶能将食物中的脂肪分解为脂肪酸和甘油，使其更容易被肠道吸收。
参与能量代谢：分解后的脂肪酸可作为能量来源，为身体提供动力。
调节血脂水平：有助于控制血液中脂质的含量，维持血脂平衡。
维持细胞结构和功能：参与细胞膜的构成，保障细胞正常运转。
影响激素合成：某些激素的合成需要脂肪作为原料，脂肪酶的作用间接影响激素的产生。
六、主要用途
微生物来源的脂肪酶可用来增强干酪制品的风味。牛奶中脂肪的有限水解可用于巧克力牛奶的生产。脂肪酶可使食品形成特殊的牛奶风味。
脂肪酶可通过甘油单酯和甘油双酯的释放来阻止焙烤食品的变味。生产明胶时骨头的脱脂，需要在温和条件下进行，脂肪酶催化的水解可以加速脱脂过程 。
七、临床应用
脂肪酶检测是临床常用的胰腺酶学检测之一，可用于评估胰腺相关疾病。其正常参考范围受检测方法影响，比色法正常范围为小于79U/L。当脂肪酶指标偏高时，可能提示急性胰腺炎、消化性溃疡穿孔、肠梗阻、急性胆囊炎等疾病。因此，脂肪酶检测在临床上具有辅助诊断的重要价值。
八、脂肪酶在工业上的应用
（一）、油脂加工行业
油脂水解：脂肪酶能催化油脂水解为甘油和脂肪酸，这一反应在脂肪酸和肥皂工业上有着广泛的应用。随着脂肪酶工业化生产技术的日趋成熟，脂肪酶生产的成本和市场销售价格逐渐降低，目前在油脂水解工业中，脂肪酶作为生物催化剂已逐渐取代传统催化剂。
酯交换反应：脂肪酶可以催化酯与醇的酯交换反应，生成新的酯和醇。这一反应在油脂改性中有重要应用，例如利用脂肪酶将价格低廉的棕榈油改性为价格较高的代可可脂，用于生产巧克力的原料。
（二）、食品工业
面包制作与面粉品质改良：脂肪酶能够增加面团的柔软性和延展性，提高面包的口感和品质。与其他酶制剂如葡萄糖氧化酶复配后加入到面团中，能够取代化学增筋剂溴酸钾，提高面包入炉急胀率，增大面包体积，且对面包芯有二次增白作用。
乳制品加工：脂肪酶可用于乳制品中的脂肪加工，如奶酪和奶粉风味的增强、奶酪的熟化、代用奶制品的生产、奶油及冰淇淋的酯解改性等。脂肪酶作用于乳脂并产生脂肪酸，能赋予奶制品独特的风味。
食品添加剂：脂肪酶可用于加工食品中的脂肪，如肉制品等，起到发酵和融合原材料的作用，使食品味道更加鲜美。
（三）、医药行业
脂肪酶在医药行业也有重要应用，它是非常重要的药物作用靶点或标记物，同时也可以用来生产多不饱和脂肪酸等多种医药中间体。
（四）、日化行业
在洗涤剂的生产中，加入脂肪酶能够增强洗涤剂的清洁效果，并降低洗涤过程中的能耗和污染。脂肪酶作为生物产品，易被降解，不污染环境，符合现代洗涤剂向易于生物降解、无污染方向发展的趋势。
（五）、其他行业
皮革加工：在皮革加工过程中，利用脂肪酶的特性将依附在皮毛上的脂肪分解成易于祛除的脂肪酸和甘油，用酶对各种动物皮毛进行处理，其脱脂效果明显，可提高皮革质量。
造纸工业：脂肪酶可用于除去造纸过程中出现的油脂。
生物柴油制造：生物酶法生产生物柴油是通过脂肪酶进行酯化反应，制备相应的脂肪酸酯。酶催化法对原料没有特殊要求，可以废油脂、高酸油脂等为原料进行生产，且产物提取简单、反应条件温和、醇用量小、甘油易回收和无废物产生，在此过程中还能合成一些高价值的产品，增加经济效益。
农业与饲料行业：脂肪酶可用于农业上的动植物脂肪加工，如油料作物、畜禽饲料等。在饲料中，脂肪酶可用于饲料中的脂肪加工，如畜禽饲料，有助于提高脂肪的消化率。
九、总结
综上所述，脂肪酶在工业上有着广泛的应用前景和重要的价值。通过合理利用脂肪酶资源，可以为各个工业领域带来更多的创新和效益。