短梗霉 (Aureobasidium spp.) 是一种生活史复杂的多形态真菌。其细胞形态和部分生理特征与酵母菌相似, 在分离和鉴定过程中, 常采用与研究酵母菌相同的方法。在部分短梗霉菌株在生长过程中能够产生黑色素。因此, 有人也把短梗霉称为“黑酵母”。在个体生长发育过程中, 短梗霉可呈现带有隔膜的菌丝体细胞、芽生孢子、膨胀孢子、厚壁孢子和酵母状细胞等多种形态。短梗霉在发酵培养过程中可产生多种产物, 主要有普鲁兰多糖、多聚苹果酸、胞内油脂、胞外重油、铁载体以及多种酶类。国外对短梗霉的研究起步较早, 并且取得了一定的研究成果;国内对短梗霉的研究起步相对较晚, 但近期也取得了一系列显著成就。本文对短梗霉研究现状进行简单总结, 着重介绍几种有重要经济价值的产物研究情况。
1 短梗霉的分布和分类
短梗霉的分布非常广泛, 自然条件下主要分布在植物的茎、叶、花、果实表面、岩石表面和沿海水域。近期, 有研究者在南极海洋沉积物和红树林中也分离得到了短梗霉。
在第4版《酵母菌分类研究》中, 研究者将短梗霉归于酵母菌。后来, 研究者将短梗霉属分为3个种:A pullulans, A.leucospermi和A.proteae, 其中A.pullulans有5个变种。Li等人[1]通过对216株短梗霉的26S r DNA序列, ITS序列, 细胞形态和菌落形态进行对比, 发现部分菌株不属于已知的3个种和它们的变种。在最新的研究中, 把A.melanogenum、A.subplaciale和A.namibiae3个变种定义为种。目前, 关于短梗霉的分类问题仍存在较大争议。
2 短梗霉的几种重要发酵产物
2.1 普鲁兰多糖
普鲁兰多糖是一种线性葡聚糖, 由重复的麦芽三糖单位经α-1, 6-糖苷键连接而成。普鲁兰多糖具有生物可降解性和不透氧性, 但不能被人类分泌的消化酶降解。因此, 可以应用于口服药物。普鲁兰多糖水溶液粘度不受温度和p H变化的影响, 且粘度相对较低, 类似于阿拉伯树胶, 可用做饮料和果汁的填料。
一般情况下, 普鲁兰多糖的发酵生产都是以葡萄糖或蔗糖为碳源进行的。但是短梗霉能够合成多种胞外酶, 如淀粉酶果胶酶和木聚糖裂解酶等。因此, 短梗霉也可利用其它原料进行普鲁兰多糖的发酵生产。Thirumavalavan等人[2]利用椰汁为碳源进行普鲁兰多糖的发酵生产, 在培养基中椰汁浓度为50g/L时, 普鲁兰多糖的产量可达54g/L。Göksungur等人[3]以甜菜糖蜜水解液为碳源生产普鲁兰多糖, 产量为35g/L。同时, 大量研究发现, 碳源浓度对普鲁兰多糖的产量有极大的影响。
2.2 多聚苹果酸
多聚苹果酸 (PMA) 是一种水溶性阴离子聚酯, 具有良好的水溶性、生物相容性和生物可降解性。多聚苹果酸的降解产物为L-苹果酸, 而L-苹果酸是三羧酸循环的中间体, 对人体无毒无害。因此, 多聚苹果酸在医药卫生领域得到广泛应用, 在生物材料和可降解塑料领域也有潜在应用价值。
早期的多聚苹果酸生产主要采用化学合成法。但是产量达不到工业生产的要求, 并且产物也达不到医用要求。Rathberger等人[4]发现, 许多短梗霉菌株能够生产聚苹果酸, 并且产量很高。对产聚苹果酸短梗霉进行培养发现, 当培养基中不含碳酸钙时, 短梗霉只产生普鲁兰多糖而不产生聚苹果酸, 只有当碳酸钙存在时, 短梗霉才能合成聚苹果酸。Ma等人[5]从红树林样品中筛选出一株高产聚苹果酸的短梗霉菌株P6, 在培养基中葡萄糖浓度为140 g/L、碳酸钙浓度为65.0 g/L时, 聚苹果酸钙产量达到118.3 g/L。这是目前已报道的最高产量。
2.3 微生物油脂
微生物油脂又称单细胞油脂, 是酵母菌、霉菌、微藻和部分细菌生长过程中积累在胞内的油脂。研究发现, 微生物油脂的成分主要为三酰甘油, 约占微生物油脂的80%以上。三酰甘油包含甘油和脂肪酸两部分, 微生物油脂三酰甘油中脂肪酸主要为软脂酸 (C16∶0) 、硬脂酸 (C18∶0) 、油酸 (C18∶1) 等碳原子数为16或18的脂肪酸。而这3种长链脂肪酸是制备生物柴油的良好原料。短梗霉P10菌株胞内油脂含量占细胞干重的66.3%。对P10菌株胞内油脂脂肪酸成分进行分析发现, 其主要成分为棕榈酸 (C16∶0) 、油酸 (C18∶1) 和亚油酸 (C18∶2) , 这3种脂肪酸占总量的95%左右, 与动植物油脂脂肪酸成分非常相似, 是制备生物柴油的良好原料。然而, 培养短梗霉菌株生产胞内油脂存在菌体生物量较少的缺点。因此, 如何提高菌体生物量是今后相关研究工作的重点。
2.4 铁载体
铁元素在生物体内参与多种代谢活动。例如, 电子传递, 氧的运输和DNA的复制等。当生物体缺铁时, 上述各项生理活动不能正常进行。铁载体是部分生物在铁元素缺乏状态下合成的一种小分子化合物, 其作用是螯合周围环境中的铁并运送至细胞内, 以维持细胞正常生理功能。
铁载体在多个领域有重要的应用。在医药领域, 铁载体共轭药物可定向杀死特定微生物;在农业上, 铁载体可促使植物更有效的吸收周围环境中的铁元素;在环境治理方面, 铁载体可以螯合多种重金属离子, 从而减弱甚至消除重金属污染。马再超用化学诱变法诱变短梗霉HN6.2菌株, 得到的突变株HN18在5-L发酵罐中培养, 在最有条件下其铁载体产量可达0.51 g/L。
2.5 胞外重油
重油 (Heavy Oil) 通常指原油提取柴油汽油之后剩余的分子量较大, 粘度较高的残余物。近期的研究发现, 少数短梗霉菌株能够合成分子量较大的油脂, 并能够分泌至胞外。Liu等人[6]从100多株短梗霉中筛选出高产重油菌株P5, 在最适培养条件下, 重油产量可以达到32.5 g/L。对其重油成分进行分析发现其主要成分为C20以上的长链正烷烃, 含量达79%, 其中二十五烷、二十六烷、二十八烷和四十四烷分别占12.559%、13.944%、22.972%和16.271%。这是首次有关短梗霉可以产胞外长链正烷烃的研究。
3 展望
短梗霉分布广泛, 不同的短梗霉菌株能够合成不同的产物, 其中多种产物具有重要的应用价值。许多研究者对短梗霉的分离、培养条件和产物的分离纯化进行了大量研究。然而目前短梗霉的遗传背景仍不十分清晰, 从分子生物学水平对短梗霉进行的研究报道较少。因此, 利用基因工程技术对短梗霉进行代谢工程改造是今后进一步短梗霉应用的研究方向。
摘要：短梗霉是与酵母菌亲缘关系较近的真菌, 广泛分布于各种生态环境中。由于在其生长过程中能够产生黑色素, 因此也被称为“黑酵母”。短梗霉的产物多种多样, 如普鲁兰多糖、多聚苹果酸、胞内油脂、重油、铁载体以及多种酶类, 其中多种产物具有重要的应用价值。
关键词：短梗霉,代谢产物,研究进展
参考文献
[1] Li Y, Chi Z, Wang G Y.Taxonomy of Aureobasidiumsppand Biosynthesis and Regulation of Their Extracellular Polymers[J].Critical Reviews in Microbiology, 2013 (10) :1-10.
[2] Thirumavalavan K, Manikkadan T R, Dhanasekar R.Pullulan Production from Coconut By-products by Aureobasidium Pullulans[J].African Journal of Biotechnology, 2009, 8 (2) .
[3] Gksungur Y, Uan A, GüvenU.Production of Pullulan from Beet Molasses and Synthetic Medium by Aureobasidium Pullulans[J].Turkish Journal of Biology, 2004, 28 (1) :23-30.
[4] Rathberger K, Reiner H, Willibald B, etal.Comparative Synthesis and Hydrolytic Degradation of Poly (Lmalate) by Myxomycetes and Fungi[J].Mycol Res, 1999 (103) :513–20.
[5] Ma Y, Wang G Y, Liu G L, etal.Overproduction of Poly (β-malic acid) (PMA) from Glucose by ANovel Aureobasidium sp.P6 Strain Isolated from Mangrove System[J].Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, 97 (20) :8931-8939.
[6] Liu Y Y, Chi Z, Wang Z P.Heavy Oils Principally Longchain N-alkanes Secreted by Aureobasidium Pullulans Var.Melanogenum Strain P5 Isolated from Mangrove System[J].Journal of Industrial Microbiology&Biotechnolo gy, 2014, 41 (9) :1329-1337.