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单细胞蛋白的应用及其开发前景

摘要：概括了单细胞的定义、种类、来源、生产工艺及其在饲料和食品工业中的应用阐明了单细胞蛋白的开发和生产前景。
Abstract：It gathered up definition、processing、technique and utilization in food and feed; It illuminated the foreground of exploitation and production of single cell protein.
关键词: 单细胞蛋白 单细胞的应用 前景
Keywords： SCP Utilization of single cell Protein Foreground

单细胞蛋白(SCP)生产有70 年的历史。早在“二战”期间, 德国因缺乏蛋白质和维生素食品,建立起生产单细胞蛋白的工厂。战后,许多国家都建立了生产SCP的工厂。1973年第二次国际SCP讨论会上,英国的ICI公司,以甲醇为原料生产的饲用SCP,商品名为“布鲁丁”,年产量70kt。西德黑斯伍公司也以甲醇为原料,培养细菌生产食用SCP。由于细菌含有15g/100g—25g/100g核酸,作为食用SCP,应将细胞中的蛋白与核酸分离开,蛋白(含核酸1g/100g以下)可供人类食用。核酸在5-磷酸二酯酶降解作用后产生出核苷酸,作为助鲜剂、调味品, 去核酸的蛋白可添加在面包等食品中,作为强化剂。SCP的生产不仅可以应付战时蛋白质供应的短缺,而且在农业、畜牧及渔业歉收时,也可补充蛋白质供应的不足，当今世界人口迅速增长,要确保充足的蛋白质供给是一个十分严峻的问题。因此,发展SCP生产工业,意义极其重大。
1. SCP 定义、种类及来源
1.1 SCP的定义
单细胞蛋白(Single cell protein 简称SCP)又称微生物蛋白或菌体蛋白,是利用工业废水、废气、天然气、石油烷烃类、农副加工产品以及有机垃圾等作为培养基,培养酵母、非病源细菌、真菌等单细胞生物体,然后经过净化干燥处理后制成,是食品工业和饲料工业的重要蛋白质来源。
1.2 单细胞蛋白的营养价值及生产SCP微生物种类
SCP营养价值高,含较多的粗蛋白,蛋白质含量40g/100g~60g/100g,其中氨基酸组份齐全,赖氨酸等必需氨基酸含量较高,同时含有丰富的维生素、促生产因子,是一种具有较高价值的蛋白。与豆粉相比,单细胞蛋白蛋白质含量高出10 g/100g~
20g/100g,可利用氮比大豆高20%,如添加蛋氨酸则可利用氮达95 % 以上。可用于生产SCP微生物种类很多,在选择时应从食用安全性、加工难易,生产效率和培养条件等方面考虑,其中最重要的是安全、无毒并不致病。目前用于生产SCP 微生物包括四大类群:即非致病和非产毒的酵母、细菌、真菌和藻类。单细胞蛋白的化学营养成分因为培养条件和微生物种类的不同而存在差异。各种单细胞蛋白的化学组成比较见表1。
表1各种单细胞蛋白营养成分的比较
成分
蛋白质
g/100g
脂肪
g/100g
碳水化物
g/100g
维生素B
mg/kg
钙
g/100g
磷
g/100g
酵母菌
16~20
--
--
--
1.9
2.4
细菌
65~85
5~15
13~35
15~45
--
--
微藻类
50~60
2~3
18~20
--
1.3
2.4
真菌
30~60
7
--
--
13.2
0.7
1.3 生产SCP原料
1.3.1 石油及其产品类
近代大规模生产SCP,多数以石油及其产品为原料。利用石蜡、正烷烃、甲烷、甲醇、乙醇等作为原料来繁殖酵母菌和单胞菌, 并将菌体干燥制成含蛋白质45g/100g~60g/100g烃蛋白。但以石油为原料生产SCP,从长远看,其资源有限加之石油价格不断上升,因此,人们开始重视利用再生资源,特别是废弃物生产SCP。
1.3.2 工厂废液
在酒精、味精、豆制品、淀粉、丙酮、丁醇、皮革、亚硫酸、造纸等生产过程中,产生大量废液,将其收集起来接种菌种,可生产SCP。南京发酵厂利用豆制品废水培养白地霉, 生产SCP240多吨(干粉);日本用豆制品废水培养培养胶质红色假单胞菌。一个日产22m3的豆制品废水工厂,每天可生产SCP236kg,其蛋白质含量为62g/100g~63g/100g,含硫氨酸量比大豆、鸡蛋都高,而且含维生素B1和胡萝卜素比酵母高几百倍。
1.3.3 食品厂废渣
食品厂废渣广泛、种类很多,如薯类淀粉厂木薯渣、甘蔗渣、废糖蜜、甜菜渣、酒厂酒渣、水果加工厂果渣等,若不加以妥善处理,则可能会造成环境污染。菌种选育以能利用纤维素的木霉及青霉为主,对食品废渣进行适当预处理,以破坏其纤维结构便于酶解。假丝酵母,球拟酵母和汉逊酵母都被广泛应用于食品废渣生产SCP。
1.3.4 光能和无机碳源
螺旋藻、鱼腥藻、小球藻盐藻等微型藻类利用太阳能,通过光合作用制造有机物质,作为人畜直接或间接的食物。微藻系自养有机体,可利用无机碳源如二氧化碳、碳酸氢盐作为养料生产SCP。
2 SCP的特点
2.1 SCP 的优点
a) 营养丰富, 生物效能高。
b) 可利用原料广,可就地取材,廉价大量地解决原料问题。可以变废为宝,利用农副产品的下脚料甚至是工业废水、烃类及其衍生物进行生产,这些资源数量多,且用后可以再生,还可实现环境保护。
c) 可提供稳定的蛋白质来源。微生物蛋白可进行连续的工业化生产,比农业生产需要的劳动力少,不受季节、土地和气候的限制。
d) 使用设备简单,占地面积小。单细胞蛋白可以在大型发酵罐中立体式培养,占地面积少。
e) 繁殖快,生产周期短,生产效率高。在同一时间内,合成蛋白质的能力比植物快几倍到几万倍,比动物快千万倍。在适宜条件下,细菌倍增时间为0.5h~1h,酵母菌为1h/3h,霉菌和绿藻类为2h~6h,植物为7d~14d,牛为30d~60d,猪为28d~42d。
f) 单细胞生物易诱变, 比动、植物品种容易改良。可采用物理、化学、生物学方法定向诱变育种,获得蛋白质含量高、质量好、味美,并易于提取蛋白质的优良菌种。
2.2 SCP存在的不足之处及解决的办法
a) 核酸含量过高,尤其是RNA的含量高。细菌蛋白中RNA含13g/100g~22g/100g酵母菌中RNA含量为6g/100g~41g/100g。核酸在家畜体内消化后形成尿酸,因家畜体内无尿酸酶,尿酸不能分解,随血液循环在家畜体内的关节处沉淀或结晶,从而引起痛风或风湿性关节炎症。同时由于核酸含量高,肝脏中嘌呤的代谢率会增高,结果就会产生大量尿酸,从而导致尿石形成以及代谢失衡。此种情况下,假如限制单细胞蛋白在日粮中的用量,使其不超过蛋白补给量的15%,这一问题就会得到部分缓解。
b) 某些单细胞蛋白还可能对动物具有毒性作用,尤其是细菌蛋白和培养基中含有石油衍生物时。但此类问题可通过选用适当的材料作为培养基而得到解决。例如甲醇中芳香族化合物含量极低,并且很容易分离出来。
c) 含单细胞蛋白的饲料,其消化率比常规蛋白质低10%~15%,这是因为单细胞蛋白中含有毒菌肽,能与饲料蛋白质结合,阻碍蛋白质的消化。同时,单细胞蛋白中还含有一些不能被消化的物质,如甘露聚糖,对饲料干物质的消化起副作用。
d) 喂食单细胞蛋白也可造成氨基酸供应不平衡的弊端。对于这个问题的解决可以在加工单细胞蛋白过程当中添加适量的蛋氨酸和精氨酸,使氨基酸的比例趋于合理。
总之,只要能认清单细胞蛋白的问题,并合理地加以处理,就可以扬长避短将单细胞蛋白的优势充分地发挥出来。
3 单细胞蛋白生产的一般工艺
菌种→菌种扩大培养→发酵罐培养→培养液→
分离→菌体 水解→分离→蛋白质提取→纯化→干燥→食品
洗涤或水解→干燥→动物饲料
3.1 菌种扩大培养
在无菌室或超净工作台内接种原种后,转到斜面培养基上培养,然后再转到三角瓶中培养,最后,由小种子罐到大种子罐。培养基要求含碳源-单糖或分子多糖;氮源-原料中蛋白质不足时可添加硫醇铵或尿素;矿物质- 过磷酸钙和硫酸来铁等,也可添加一些有利于菌体生长的生长素。
3.2 灭菌
所用的培养液以及所提供的空气都必须灭菌,前者多采用蒸气加热灭菌,后者常用陶瓷多孔过滤器去除细菌。
3.3 培养
温度和pH值都应适宜,通风供氧,搅拌或翻
滚料,并注意糖的浓度。
3.4 分离过滤
冷却后用高速离心机或滤布过滤。在生产中为了使培养液中的养分得到充分利用,可将部分营养液连续送入分离器中,分离后的上清液回到发酵罐中循环使用。对较难分离的菌种可加入絮凝剂,以提高其凝聚力便于分离。
3.5 干燥
作为动物饲料SCP,一般只把离心收集菌种经洗涤进行喷雾干燥或滚筒干燥,而作为人类食品则需除去大部分核酸,一般将收集到的菌体,经洗涤后水解,以破坏其细胞壁溶解为蛋白质、核酸等,再经分离、浓缩、喷雾干燥。
4 单细胞蛋白的应用
4.1 单细胞蛋白在饲料生产上的应用
单细胞蛋白是当今世界积极研究的新蛋白质饲料资源,他能够促进动物的新陈代谢,有利于充分发挥畜禽的生产潜力。
饲料酵母是利用工农业废弃物及农副产品下脚料采用生物技术生产的一种蛋白质饲料,是单细胞蛋白的主要产品,其蛋白质含量为40g/100g~60g/100g,并含有多种必需氨基酸、多种维生素,是接近鱼粉的优质蛋白质饲料。
菌糠单细胞蛋白饲料的发展是由于近年来随着草腐类食用菌的广泛栽培,菌糠作为食用菌栽培的副产物越来越引起人们的关注,用麦秸、玉米秸、玉米芯谷壳等作培养基栽培食用菌,经过菌化作用,长出菌菇供人类食用,残余物经加工粉碎可制作菌糠饲料。经发酵的蛋白质得率很高,如马纯艳等用栽培平菇的培养料在经过食用菌菌丝分解后,其粗蛋白含量为10.60g/100g,比栽培前提高了6.75g/100g,而菌糠在经过酵母菌处理后,粗蛋白含量又有了进一步提高,其含量为25.83g/100g,比处理前菌糠粗蛋白含量高15.23g/100g。
藻体饲料是一类人工培养螺旋蓝藻、小球藻等微型藻类生产畜禽饲料, 是单细胞蛋白饲料中易生产、成本低的高蛋白饲料。
研究表明,蛋鸡饲料中添加3g/100g~7g/100g的酵母,产蛋率提高20g/100g~30g/100g,料耗下降10g/100g~20g/100g。王立梅利用淀粉副产物混合发酵得到的酵母菌蛋白对猪的饲喂试验表明,猪的抗病能力增强,日平均增重提高了5%,饲料利用率提高了50%。在水产养殖中,陈新喜等研究发现,用螺旋藻饲喂网箱鲤鱼,可增重12.4%,鱼肉粗蛋白含量提高3.14g/100g,含脂率下降4.86g/100g,可食部分比例提高5.1g/100g。
4.2 单细胞蛋白在食品工业上的应用
4.2.1 增加谷类食品的蛋白质生物价
用补充含赖氨酸高的SCP可提高植物蛋白的生物价或蛋白质功能。可任意选择使用醇酒酵母,脆壁酵母、产朊假丝酵母这三种食用酵母,加到各类面包中,用量为面粉质量的2%,黑面包中假丝酵母用量可达5g/100g。其他谷物产品、罐装婴儿食品和老人食品中,通常实用酵母用量为2g/100。也有一些商品添加2g/100g~3g/100g的干酵母。
4.2.2 提高食品的物理性能
酵母蛋白用作食品生产中加工助剂时,食品物理性能也就相应受到影响。例如,把活性干酵母加入意大利烘烤饼中提高其延簿性能;将食有酵母以1g/100g~3g/100g比例加入肉类制品中可提高肉与水、脂肪结合性能;Lindblom曾说明,破碎的酵母细胞持水容量为3.0mL/g~3.5mL/g。在细胞壁碎片除去后,SCP浓缩物的持水容量降至1.5mL/g,因此,可以说细胞壁部分在使食品膨胀方面起重要作用。
4.2.3 作食品添加剂
Klapka等报告圆酵母添加物宜于加入汤、肉饼、辣椒、肉汁、马铃薯调味汁、蔬菜、谷物、烤面包中, 但加入沙拉、果汁、农家奶酪的适宜性较差。酵母蛋白经破碎并提取而制得酵母浓缩蛋白,比未经处理SCP 全细胞具有显著鲜味, 而且其发泡性优于蛋清, 酵母质壁分离物已被用作焙烤食品增香剂。
4.2.4 提高食品中的维生素和矿物质含量
SCP 已经用于许多食物( 如面条,通心粉等)中,用于提供所需全部或部分维生素和矿物质。
4.2.5 用作食品发酵剂
活性干酵母和新鲜酵母可作为发酵剂,用于面包和馒头的加工;焙烤酵母就属于这类蛋白制品,在美国已获得批准作为人类食品配料。
4.2.6 微藻在食品工业中的应用
微藻蛋白质含量高而且质量优,例如, 螺旋藻蛋白质含量达70g/100g,比牛肉高52%,比鸡肉高42%,比小麦高60%,并且其氨基酸组成非常完善,蛋白质消化率亦很高,因此藻类是人类最有希望的蛋白质资源,具有广阔开发前景,被誉为“世界食品资源”。此外,微藻含有丰富色素,且生产简便、投资少而当前许多国家为了人们的健康,正在全面禁止在食品饮料中添加化学合成色素,希望用天然植物色素代替化学合成色素,这为微藻开发提供又一条重要途径。Miyagawa Kazuki Takashi等提取藻蓝蛋白已作为食品和化妆品色素添加剂。
5 SCP 安全性与营养性评价
单细胞蛋白其安全性与营养性必须进行严格评价。联合国粮农组织(FAO)、世界卫生组织(WHO)、国际标准化组织(ISO)等有关的国际组织建立了单细胞委员会,对其进行专门的评价工作。
5.1 S C P 安全性评价
安全性评价是关系到SCP 能否作为饲料和食品的首要问题。联合国蛋白质咨询组(PAG)对SCP安全性评价作出规定为:生产用菌株不能是病原菌,不产生毒素;对生产用资源也提出一定要求,例如农产品来源的原料中重金属和农药残留含量极少,不能超过要求; 在培养条件和产品处理中要求无污染、无溶剂残留和热损害;最终产品应无病菌、无活细胞、无原料和溶剂残留。最终产品还必须进行小动物毒性试验(小白鼠和大白鼠)和2 年致癌试验后,再进行人体临床试验, 测定SCP 对人体可接受性和耐受性。美国食品药物管理局(FDA)同时规定,必须对致癌性多环芳香族化合物、重金属、真菌毒素及菌的病源性、感染性、遗传性等进行充分评估。安全性通过后, 再进行营养性评价。
5.2 SCP营养性评价
通过安全性评价后,就要进行营养评价。从SCP的化学成分,特别是氨基酸组成,可以得到营养价值的信息。对SCP的营养性评价,除化学分析数据外,最终取决于生物测定, 生物测定的方法有生长法和氮平衡法两种。生长法是测定蛋白质效率比(PER), 氮平衡法是测定蛋白质生物价(BV),PER和BV值越高反映蛋白质质量越高。
6 SCP 的应用前景
单细胞蛋白在饲料和食品工业中有着极其重要的作用,其开发和生产在我国更具有广阔的前景。我国现在单细胞蛋白年产仅数千吨。我国是农业大国,食物结构以植物蛋白为主,动物蛋白的摄入量与欧美各国相差悬殊,为了提高人民群众的体质,单细胞蛋白的开发与生产对解决我国食品和饲料问题开辟了新的途径。

参考文献
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