Рослинна олія: харчова та промислова перспектива

Аруна Кумар

Інститут біотехнологій Аміті, Університет Аміті, штат Уттар-Прадеш, Нойда, Індія

Аарті Шарма

Інститут біотехнологій Аміті, Університет Аміті, штат Уттар-Прадеш, Нойда, Індія

Кайлаш Ч. Упадхяя

b Інститут молекулярної біології та геноміки Аміті, Університет Аміті, штат Уттар-Прадеш, Нойда, Індія

Анотація

1. ВСТУП

Оливи, крім їстівних застосувань, мають різноманітне використання. Зараз стає все більше доказів того, що жирні кислоти (ФК) відіграють вирішальну роль у харчуванні людини, що включає терапевтичну та профілактичну профілактику захворювань, у зростанні та розвитку людського зародка, функції мозку та забезпечує захист від багатьох серйозних захворювань, таких як серцево-судинні, запальні та ін. Зараз відомо, що багато ФА мають протипухлинний потенціал. Значення ролі жирів та жирних кислот у харчуванні людини привертає увагу, оскільки проводиться все більше досліджень. Окрім важливої складової дієти людини, ФА також знаходять важливе значення в різних галузях промисловості, таких як мило та миючі засоби, косметика, мастильні матеріали, чорнило, лаки, фарби тощо. Таким чином, для олійних культур постійно розширюється ринок як з харчової, так і з промислової точки зору. Крім того, рослини виробляють широкий спектр жирних кислот з різною структурою, які надають їм унікальних фізико-хімічних властивостей і роблять їх корисними.

Зі зростанням цін на нафту та виснаженням природних ресурсів існує давня необхідність досліджувати та розробляти нові джерела жирних кислот як промислового, так і харчового значення. З вдосконаленням розуміння етапів метаболічних шляхів у синтезі жирних кислот посилюються спроби інженерії шляхів виробництва корисних та/або нових жирних кислот економічно ефективним способом. Можуть бути створені дизайнерські олії, які переважно виробляють ці жирні кислоти, і будуть економічно доцільними та конкурентоспроможними на нафтопродуктах.

2. БІОСИНТЕЗ ЖИРНОЇ КИСЛОТИ ТРІАЦІЛГЛІЦЕРОЛІВ

Зазвичай рослини виробляють ФА, які можуть мати від нуля до трьох подвійних зв'язків. До таких загальноприйнятих ФА належать пальмітинова кислота (16: 0), стеаринова кислота (18: 0), олеїнова кислота (18: 1), лінолева кислота (18: 2) та ліноленова кислота (18: 3). У олійних рослинах ці жирні кислоти зберігаються переважно у вигляді триацилгліцеринів (ТАГ), що є основною формою зберігання в насінні. Ці ліпіди можуть зберігатися в сім'ядолях або ендоспермі, які використовуються для постачання енергії під час проростання. На додаток до ТАГ, жирні кислоти існують також у формі ефірів воску, наприклад, плоди жожоба (Simmondsia chinensis).

Жирні кислоти синтезуються в пластидах з ацетил-КоА як вихідного субстрату та на білку ацильного носія (АСР) (рис. 1 1 ). Потім жирні кислоти видаляються з АКТ під дією ферменту - тіоестерази. Вільні жирні кислоти переміщуються до цитозолю, де вони додатково включаються в пул ацил-КоА та/або пул фосфатидилхоліну (ПК), які потім зазнають таких модифікацій, як десатурація або гідроксилювання, епоксилювання тощо, і відбувається їх включення до ТАГ. Ці пізніші процеси відбуваються в ендоплазматичному ретикулумі (ЕР) рослинних клітин [1, 2]. ТАГ є основною формою зберігання, що міститься в насінні. Він синтезується в ЕР, використовуючи ацил-КоА та гліцерин-3-фосфат як субстрати шляхом Кеннеді. Першим ферментом є гліцерол-3-фосфат-ацилтрансфераза (GPAT), який ацилює sn-1 положення гліцеринового скелета з утворенням лізофосфатидної кислоти (LPA). Другим ферментом шляху є ацилтрансфераза лізофосфатидної кислоти (LPAAT), яка ацилює в положенні sn-2, утворюючи фосфатидну кислоту (PA), яка потім перетворюється в діацилгліцерин (DAG) за допомогою ферменту фосфатидної кислоти фосфатази (PAP). Інша ацилтрансфераза, діацилгліцерол ацилтрансфераза (DGAT), утворює TAG з DAG, використовуючи ацил-КоА як субстрат [1, 2].

Біосинтез поширених у рослинах жирних кислот. ACP: білок-ацил-носій, SAD: стеароїл ACP-десатураза, CoA: кофермент A, ПК: фосфатидилхолін, FAH12: жирна кислота гідроксилаза 12, FAD2: жирна кислота-десатураза 2, FAD3: жирна кислота-десатураза 3, G3P: гліцеральдесфат-3 LPA: Лізофосфатидна кислота, PA: Фосфатидна кислота, PC: Фосфатидилхолін, DAG: Діацилгліцерин, TAG: Тріацилгліцерин, PDAT: Фосфоліпід: діацилгліцерил ацилтрансфераза, DGAT: ацил-Кола-Ацерат-Ацерат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат-Ацетат., LPAT: ацилтрансфераза лізофосфатидної кислоти, LPCAT: ацилтрансфераза лізофосфатидної кислоти, PAP: фосфатаза фосфатидної кислоти, ACS: синтез ацил-КоА.

Рослинні олії є важливою складовою дієти людини. Основні харчові рослинні олії з точки зору виробництва включають сою, ріпак, соняшник та арахіс. Вони є джерелом їстівних ФА (насичених, мононенасичених або поліненасичених), які відіграють важливу роль у клітинному метаболізмі як спосіб накопичення енергії, а також забезпечуючи енергію, коли це потрібно. Відомо, що ФА відіграють важливу роль у поділі та зростанні клітин. Вони є невід’ємним компонентом клітинних мембран, гормонів, нейромедіаторів тощо. Вживання різних жирних кислот має прямий вплив на здоров’я людини. Наприклад, збільшення споживання насичених жирних кислот пов’язане із серцево-судинними захворюваннями. Тому вважається бажаним приймати дієти з низьким вмістом насичених жирних кислот. Окрім них, деякі поліненасичені жирні кислоти з дуже довгим ланцюгом (VLC-PUFA; C20-C22), такі як арахідонова кислота (ARA; 20: 4), ейкозапентаенова кислота (EPA; 20: 5) та докозагексаєнова кислота (DHA; 22: 6 ), які зазвичай отримують з морських ресурсів, було показано, що вони відіграють важливу роль у харчуванні людини.

У різних організмів виявлені різні шляхи VLC-PUFAs [7, 8, 15, 16]. У звичайному або десатураційному шляху Δ6 (рис. 2 2 ), лінолева кислота спочатку перетворюється на γ-ліноленову кислоту (GLA; 18: 3) за допомогою Δ6-десатурази [15]. Цей же фермент також перетворює ALA у стеаридонову кислоту (SDA; 18: 4). Наступний етап включає синтез дигомо-γ-ліноленової кислоти (DGLA; 20: 3) та ейкозатетреєнової кислоти (ETA; 20: 4) шляхом подовження С2. На завершальному етапі Δ5-десатураза генерує ARA (20: 4) та EPA (20: 5) відповідно. Далі ЕПК перетворюється в DHA шляхом подовження С2 ферментом Δ5-елонгази з подальшим зневодненням Δ4-специфічної десатурази. Шлях, що веде до синтезу DHA, також відрізняється у деяких організмів. Інший шлях, який був охарактеризований, є Δ9-шлях або також відомий як альтернативний шлях. Цей шлях знаходиться у Tetrahymena pyroformis, Pavlova sp. Isochrysis sp. тощо, де LA та ALA зазнають подовження ферментом enzy9-елонгази з отриманням ейкозадієнової кислоти та ETA відповідно. Специфічна Δ8-десатураза діє на ці субстрати, утворюючи відповідно DGLA та ETA, і, як і у звичайному 6-шляху, згаданому вище, Δ5-десатураза перетворює ці жирні кислоти в ARA та EPA [7, 8].

Перетворення лінолевої кислоти в арахідонову кислоту (ARA) та α-ліноленової кислоти в ейкозапентаенову кислоту (EPA)/докозогексаєнову кислоту (DHA).

3. Сприятливі ефекти жирних кислот Омега-3

Як уже згадувалося раніше, PUFA або, точніше, жирні кислоти омега-3 знаходять більше значення як харчова добавка людини. Показано, що омега-3 жирні кислоти знижують ризик серцево-судинних захворювань або виникнення діабету типу 2 (17,18,19). З'являється все більше доказів того, що омега-3 жирні кислоти також відіграють корисну роль у лікуванні таких захворювань, як депресія - широко поширена проблема [20]. Показано, що DHA покращує чутливість клітин пухлини головного мозку до протипухлинного препарату, етопозиду (VP16) та терапії [21]. Жирні кислоти дуже важливі для розвитку сітківки та нервового розвитку, а також для загального розвитку плода [19, 22]. Таким чином, сухе молоко збагачується або доповнюється DHA та ARA для розвитку мозку у немовлят [22]. Омега-6 жирні кислоти, такі як γ-ліноленова кислота та дигомо-γ-ліноленова кислота (DGLA), виявляють протиракову активність та мають інгібуючий ефект на проліферацію клітин [23].

Через користь для здоров’я рекомендується приймати омега-3 FA як звичайну дієтичну добавку. У середньому доросла людина повинна споживати 250–2000 мг на день EPA + DHA (FAO) [9]. Тому зростає попит на ці жирні кислоти. В даний час, як вже зазначалося раніше, основним джерелом VLC-PUFA є риб'ячий жир, який значною мірою отримують з морських ресурсів. Морські риби харчуються морськими мікроводоростями, як діатомові водорості, які є основним джерелом жирної кислоти. Високий попит на ці тваринницькі товари веде до надмірного вилову. Також є занепокоєння щодо забруднювачів навколишнього середовища [8]. Інші джерела, такі як сама аквакультура, залежать від рибного борошна як джерела корму для підтримки рівня ПНЖК у культивованих рибах. Таким чином, риб’ячий жир не в змозі задовольнити поточний попит на омега-3 жирні кислоти, що вимагає розробки альтернативних та стійких джерел. Крім того, лляна олія, багата омега-3 FA, також рекламується як харчова добавка.

Для того, щоб отримати переваги PUFA, слід враховувати споживання омега-3 FA у порівнянні з споживанням жирних кислот омега-6. Це пов’язано з тим, що перетворення ALA у EPA та DHA також залежить від кількості споживання лінолевої кислоти. Було помічено, що збільшення співвідношення споживання лінолевої кислоти до α-ліноленової кислоти конкурентно знижує перетворення ALA у жирну кислоту з довшим ланцюгом омега-3 [22, 24]. Існує конкуренція між жирними кислотами омега-6 та омега-3 за десатурацію тією самою Δ6-десатуразою, тобто від LA до GLA та ALA до SDA. Співвідношення 2: 1 до 6: 1 жирних кислот омега-6 та омега-3 вважається добрим та рекомендованим, можливо, покращуючи серцево-судинне здоров'я, астму тощо [25, 26]. Цього можна досягти за допомогою дієтичного споживання олій, багатих на α-ліноленову кислоту, таких як лляне насіння, волоські горіхи або мононенасичені рослинні олії, такі як оливкова олія. Є такі рослини, як Camelina sativa, що мають дуже високий вміст α-ліноленової кислоти.

4. ЖИВІ КИСЛОТИ ПРОМИСЛОВОГО ЗНАЧЕННЯ

З усіх незвичайних жирних кислот гідрокси жирні кислоти (HFA) є найбільш важливими з промислової точки зору. Рицинолева кислота - це різновид гідрокси-жирної кислоти, що виробляється рослинами рицини (Ricinus communis) з сімейства молочайних. Він виробляється додаванням гідроксильної групи до олеїнової кислоти за допомогою ферменту олеат-гідроксилази або гідроксилази жирної кислоти-12 (FAH12). Касторова олія складається з

90% рицинолевої кислоти, яка зберігається у вигляді TAG у насінні. Рицинолева кислота має різне промислове застосування, наприклад, у нейлонах, фарбах, покриттях, мастильних матеріалах тощо. Рослини рицини є єдиним комерційним джерелом цієї жирної кислоти. Однак одним з основних недоліків рицини є наявність білкового токсину ріцину, який присутній в ендоспермі насіння рицини. Рицин має ферментативну активність, яка каталізує видалення аденинового фрагменту із збереженої специфічної області 28S рРНК і тим самим інгібує синтез білка рибосомами, що містять знежирену 28S рРНК [27]. Індія - найбільший виробник касторової олії, за яким слідують Китай і Бразилія. Інший HFA - це лескеролова кислота (20: 1-OH), вироблена лесверелою (Physaria fendleri), з сімейства Brassicaceae, яка також має промислове застосування.

Ерукова кислота - це дуже довга ланцюг жирної кислоти, яка знаходить своє застосування в багатьох галузях промисловості, таких як змащення, пластикові плівки, косметика тощо. Ця жирна кислота виробляється з олеїнової кислоти в результаті низки реакцій, що каталізуються ферментом елонгазою жирних кислот FAE1. Зазвичай його виробляють у високих концентраціях у спеціальних сортах Brassica napus, також відомих як ріпак з високою еруковою кислотою (HEAR). Інші джерела включають Crambe abyssinica, яка виробляє до 55% –60% ерукової кислоти в олії насіння. Види Brassica виробляють максимум 45-50% ерукової кислоти, яка, як правило, входить в положення TN sn-1 і sn-3.

5. ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ РОСЛИН ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ВАЖЛИВИХ ПОЖИВАНИХ МАСЛОВИХ КИСЛОТ

Останнім часом з'явився інтерес до генетичної модифікації рослин для отримання жирних кислот з поживної точки зору. З появою технологій генної інженерії тепер можна виробляти дизайнерські олії із бажаним складом жирних кислот. Однією з головних переваг використання генної інженерії є отримання корисних для поживних речовин жирних кислот, які зазвичай виробляються в некультурних видах рослин або отримуються з морських джерел, в сільськогосподарських культурах. Після створення цих дизайнерських заводів виробництво цих ТЗ може стати економічно вигідним та замінити обмежені та надмірно використані ресурси, такі як морське життя. Нижче наведено кілька прикладів, коли проводились генетичні маніпуляції, зберігаючи харчування як центральну точку.

6. ВИРОБНИЦТВО ОМЕГА-3 ФАС

7. ТРАНСГЕННЕ ВИРОБЛЕННЯ СТЕРИДОНОВОЇ КИСЛОТИ І γ-ЛІНОЛЕНОВОЇ КИСЛОТИ

8. ТРАНСГЕННЕ ВИРОБНИЦТВО ARA/EPA/DHA

9. ВИРОБЛЕННЯ ЗАГАЛЬНИХ ЖИВИХ КИСЛОТ

10. ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ ВИРОБНИХ КИСЛОТ ІНДУСТРІАЛЬНОГО ЗНАЧЕННЯ

У минулому селекціонери проводили селекцію та розробляли високопродуктивні сорти, переважно для харчових продуктів. Окрім використання їх у їстівних цілях, використання рослинної олії в даний час розширюється з точки зору харчування до промислового застосування до біопалива. Тепер можна змінити рослинний метаболізм, зокрема, синтез, накопичення та склад жирних кислот. Крім того, багато жирних кислот унікального значення, про які згадувалося раніше, які походять або з рослинних джерел, або виробляються в репертуарі рослин, які не піддаються комерційному вирощуванню. Таким чином, генна інженерія надає можливість передавати гени, що кодують продукцію нових жирних кислот промислового, а також харчового значення для олійних культур та виробляти дизайнерські олії на основі застосування.

11. ВИРОБНИЦТВО ГІДРОКСИЧНИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ В НЕВІДОМИХ РОСЛИНАХ

Незвичайні жирні кислоти, такі як гідроксижирні кислоти, мають величезне значення, оскільки вони служать вихідною сировиною для різних галузей промисловості. Рицинолева кислота - це тип гідрокси жирної кислоти, яка накопичується в насінні рицини. Рицинолева кислота виробляється під дією ферменту ∆12-гідроксилази (FAH-12), присутнього в ендоплазматичному ретикулумі (ER), і зберігається у вигляді триацилгліцеринів (TAG) [57]. Фермент ∆12-гідроксилаза переносить гідроксильну групу в положення дельта-12 олеїнової кислоти. Насіння рицини містить до 80-90% рицинолевої кислоти. Коли ген 12-гідроксилази експресувався в рослині Arabidopsis, трансгенні рослини накопичували HFA

17% олії насіння [58]. Подібні результати спостерігались у Brassica napus [59] та Camelina [60]. Це накопичення набагато менше порівняно з рослинами рицини, що вказує на наявність інших факторів, що беруть участь у накопиченні цієї незвичайної жирної кислоти. Насправді рослини, що виробляють понад 20% HFA, знижують вміст олії та життєздатність насіння, що вказує на те, що ця незвичайна жирна кислота відіграє роль у фізіології насіння [61]. Таким чином, експресії лише гена для FAH-12 недостатньо для отримання рицинолевої кислоти для промислових цілей, оскільки інші гени також відіграють роль у синтезі та накопиченні гідрокси жирних кислот.

Також було висловлено припущення, що низький рівень накопичення незвичних жирних кислот у трансгенних рослин зумовлений марним циклом β-окислення, аналізованого у трансгенних рослинах, що експресують білок тіоестерази лавроїл-ацильного носія Каліфорнії [71]. Таким чином, численні фактори впливають на синтез та накопичення жирних кислот.

12. ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ РОСЛИН ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ЕРУЦОВОЇ КИСЛОТИ

Окрім HFA та ерукової кислоти, генна інженерія застосовується для модифікації рослинних олій для виробництва інших промислово важливих жирних кислот. Наприклад, шляхом експресії сконструйованої пластидіальної дезатурази ∆9-16: 0-ACP від Doxantha unguis-cati, зниження регуляції елонгази кетоацил-ACP-синтази II 16: 0 та спільна експресія грибкових 16: 0-ACP десатураз призвели до виробництва від до

71% w-7 жирних кислот в арабідопсисі. Цей рівень можна порівняти з рівнем насіння доксанти [78]. Подібним чином, лауринова кислота (12: 0) - це тип насичених середньоланцюгових жирних кислот, який широко використовується для виробництва мила та миючих засобів. Основними джерелами цієї ФА є кокос і пальма. Як альтернативу рослинні олії, багаті лауриновою кислотою, були отримані шляхом експресії гетерологічного гена тіоестерази під насіннєвим промотором напіну. Цей фермент, який має високу специфічність до лауроїл-АКТФ, вивільняє лауринову кислоту в ліпідний пул. Цей ген при експресії в ріпаку давав до 50% лауринової кислоти [79]. Додаткове збільшення вмісту лауринової кислоти на 5% було досягнуто шляхом експресії гена ацилтрансферази лізофосфатидної кислоти (LPAAT) [80]. (Таблиця 1 1 ) узагальнює спроби трансгенного виробництва ФА харчового та промислового значення.

Стіл (1).

Генна інженерія рослин для виробництва ТЖ харчового та промислового значення.