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单细胞蛋白的生产现状及发展前景

摘要：随着世界人口的不断增长,粮食和饲料不足的情况日益严重.面对这一严峻的现实，单细胞蛋白的开发与生产为解决人类食品和饲料问题开辟了新的途径。因此，本文就单细胞蛋白的生产现状与发展前景作一阐述。
关键词：单细胞蛋白 生产 前景

单细胞蛋白（简称SCP）主要是从酵母菌、细菌、放线菌、霉菌、微型藻等单细胞生物和具有简单结构的多细胞生物中所提取的蛋白质,称为单细胞蛋白质，目前工业化生产的单细胞蛋白几乎都是来自酵母菌。单细胞蛋白其粗蛋白含量可达45％～70％（而作物中蛋白质含量最高的大豆仅达35％～45％），且各种氨基酸搭配合理，维生素含量高。成本低、产量高、原料广等特点，特别对于缓解世界面临食物短缺、环境污染和能源缺乏等问题尤其显得重要。
1、单细胞蛋白的特性
1.1单细胞蛋白的生物特性
单细胞蛋白是通过培养单细胞生物而获得的菌体蛋白质。用于生产SCP的单细胞生物包括微型藻类、非病原细菌、酵母菌类和真菌。
1.1.1 SCP营养丰富  蛋白质含量高达40%～80%，比大豆高10%～20%，比肉、鱼、奶酪高20%以上；氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质，如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽麦角固醇等。［2］
1.1.2 生产单细胞蛋白的原料来源极为广泛，成本较低。一般分为四类：一是糖质原料，如淀粉或纤维素的水解液、亚硫酸纸浆废液、制糖的废蜜等；二是石油原料，如柴油、正烷烃、天然气等；三是石油化工产品，如醋酸、甲醇、乙醇等；四是氢气和碳酸气。最有前途的原料是可再生的植物资源，如农林加工产品的下脚料、食品工厂的废水下脚料等。这些资源数量多，而且用后可以再生，还可实现环境保护。
1.1.3 生产速率高  一般蛋白质生产速度同猪、牛、羊等体重的倍增时间成正比。微生物的倍增时间比牛、猪、鸡等快千万倍，如细菌、酵母菌的倍增时间为20～120h，霉菌和绿藻类为2～6h，植物1～2周牛1～2个月，猪4～6周。据估计，一头500kg公牛每天生产蛋白质0.4kg，而500kg酵母至少生产蛋白质500kg。［3］
1.1.4 劳动生产率高  生产不受季节气候的制约，易于人工控制，同时由于在大型发酵罐中立体式培养占地面积少。如年产10万t SCP工厂，以酵母计，按含蛋白质45%计算，一年所产蛋白质为45000t。一亩大豆按亩产200kg计，含蛋白质40%，则一年为80kg蛋白质，所以，一个SCP工厂所产蛋白质相当于562500亩土地所产的大豆。［1］
1.1.5 可以完全工业化生产  单细胞蛋白生产比农业生产需要的劳动力少，又不受地区、季节和气候条件的制约，可在占地有限的小设备上进行，不仅数量大，而且质量好，远远超过现有粮食品种的蛋白质。许多国家单细胞蛋白的生产已具有很大的规模，取得了丰硕成果。前苏联年产单细胞蛋白质达数百万吨以上，保加利亚也有几十万吨之多。德国、美国、前苏联、加拿大等国早已用单细胞高活性生物饲料代替了鱼粉。
1.1.6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。
1.2单细胞蛋白的营养特性
单细胞蛋白质饲料由于原料及生产工艺不同，其营养成分组成变化较大，一般风干制品含粗蛋白质在50%以上。因为这类蛋白质是由多个独立生存的单细胞构成，所以富含多种酶系。动物对其消化率高。例如，猪对啤酒酵母的消化率可达92％，对木糖酵母的消化率可达88％。必需氨基酸组成和利用率与优质豆饼相似。
单细胞生物是B族维生素的良好来源，如啤酒酵母含核黄素每千克38．5毫克，硫胺素每千克94．6毫克。微量元素中富含有铁、锌、硒。［2］
酵母类单细胞生物一般具有苦味，适口性不佳，因此，在配合日粮时比例不宜太高。
1.3单细胞蛋白的生产特性
单细胞蛋白质生产周期短。单细胞生物繁殖特别快，世代周转迅速。如酵母菌在良好条件下每接种100千克，1天即可获得2500千克酵母，其生长繁殖速度约为大豆的1300倍，为动物生长的2000倍。所以，这类饲料生长速度快世代周转迅速。［2］
生产单细胞蛋白质饲料产品的原料多为烃类及其衍生物、天然气、石油加工副产品、有机垃圾、纸浆、糖蜜、蒿秆粉等，原料来源广，可充分利用工农业的废物，净化污水，减少环境污染；另一方面，可以工业化生产，不与农业争地，也不受气候条件限制。
2. 生产单细胞蛋白的原料
2.1 糖类 包括造纸废液、淀粉废液、甜菜渣、甘蔗渣、糖蜜废液、棉籽饼、木材水解废液、玉米淀粉渣、果渣、饴糖渣、各种农作物的秸秆。特别是秸秆，因为秸秆产量大、来源广，我国每年达7亿t以上。所以，以秸秆作为原料生产SCP具有广阔的前景。［3］
2.2 醇类 主要包括酒精废液、白酒糟、啤酒糟、果酒渣、甲醇、乙醇等工业废液和废渣。如能依托酿酒厂来制造SCP，则既能降低污染又能获得SCP，从而提高经济效益。
2.3 烃以及烃的衍生物类 主要包括石油原料，如柴油、石蜡、正烷烃、天然气等以及煤炭的干馏产物，如多种芳香族化合物等。
2.4 有机酸类 主要包括工业废液类醋糟、醋酸、生产味精的废液。
2.5 氢、无机碳 主要生产氢细菌蛋白，氢细菌属于自养菌，可以利用无机碳作为唯一碳源，以分子氢作为能源，进行化能自养型生长。生产蛋白含量极高的SCP。自养产碱杆菌是当前氢细菌中被研究最多，最优秀的SCP生产菌，这种菌体蛋白质含量高达70%一80%。［4］
2.6 光能和无机碳源 主要指一些能进行光合作用的自养微生物，如小球藻、蓝藻等。
3. 单细胞蛋白的生产特点和生产流程
3.1 生产特点 一般具有以下特点：原料来源广泛且多、生产周期快、效率高、单细胞蛋白营养丰富、工业化生产、技术和设备要求较高、易被杂菌污染等。
3.2 生产流程
3.2.1菌种的选育，可获得高产菌种。
3.2.2菌种的活化、扩大培养与进一步扩大培养,得到大量菌株。
3.2.3发酵原料的预处理、发酵培养基的配置及灭菌,为发酵作准备。
3.2.4大型发酵,可在大型发酵操作,注意调节PH、温度、溶氧和削泡等。
3.2.5代谢产物和细胞的分离再经过干燥获得单细胞蛋白。
4. SCP的用途
4.1动物饲料 可作为鱼类、猪、鸡、鸭等家禽以及牛、羊、马的饲料,能提高肉、蛋、奶产量。
4.2 食品 早在第一次世界大战,德国为解决食品短缺就开发了酵母蛋白. 单细胞蛋白具有很高的营养价值.它的蛋白质含量可达到40-80%,远远超过一般的动植物食品.而且单细胞蛋白质里氨基酸的种类比较齐全,.另外,还含有多种维生素、多糖和脂类,这也是一般食物所不及.正是由于单细胞蛋白具有这些突出的优点,所以SCP具有诱人的前景和广阔的市场。
4.3 其他 酵母本身可为药，如用之为治疗消化不良，SCP可用于抗癌细胞，此外可供合成纤维、粘合剂、农药等。
5. SCP的安全性
绝大多数生产SCP的微生物是营腐生生活，广泛的原料来源有可能使SCP带有某些重金属、农药残留物等有毒物质以及有害病原菌。SCP虽然营养丰富,但核酸含量较高,如酵母为6% ～11%,细菌为10% ～18%，螺旋藻4%～6%。核酸在牲畜体内消化后形成尿酸,因家畜无尿酸酶,尿酸不能分解,随血液循环在家畜的关节处沉淀或结晶, 引起痛风症或风湿性关节炎。在人体内产生尿酸,引起结石病、肠胃病、痛风。因此，在生产SCP的过程中如何除去核酸是开发SCP所面临的重要问题，通常用化学和热处理方法降低。
6.开发单细胞蛋白的意义
蛋白质是维持生命的基本物质，它是组成人体器官、组织和体内酶、激素以及免疫球蛋白的主要成分。全世界蛋白质缺乏的问题已存在多年，生物技术开发单细胞蛋白是解决这一问题的重要途径。单细胞蛋白是现代饲料工业和食品工业中重要的蛋白来源。
单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质，如酵母菌体蛋白，其营养十分丰富，人体必需的8种氨基酸，除蛋氨酸外，它具备7种，故有“人造肉”之称。一般成人每天吃干酵母10～15g，蛋白质的需要量就足够了。
微生物细胞中除含有蛋白质外，还含有丰富的碳水化合物以及脂类、维生素、矿物质，因此单细胞蛋白营养价值很高。
中国作为一个人口大国，人口多、耗地少，不仅粮食趋于紧张，而且人民的食品结构中存在着蛋白质供应不足的严重矛盾，因此发展单细胞蛋白产业对我国具有重大现实意义。再说我们也有发展该产业的有利条件，我们每年有数千万吨的稻壳、棉籽壳、玉米芯等农业废弃物可以用来作为单细胞蛋白的生产原料。
据有人测算，仅仅利用这 些废弃物的２０％，就可形成年产１００万吨单细胞蛋白的生产能力，这实在是一条变废为宝的好途径。鉴于此，近年来我国十分重视发展单细胞蛋白产业，全国有数十家的工厂和研究单位，投入到单细胞蛋白的生产和开发中去。［3］
单细胞蛋白工业自七十年代以来得到了迅速的发展，这一方面是由于蛋白饲料的需求增加所推动，另一方面更得益于原料和菌株的改进。在过去的时日里，单细胞蛋白作为粮食、大豆的代用饲料，不仅为节约粮食立下了赫赫战功，同时也创造出了巨大的经济效益，促进了畜牧业的发展。
特别是像前苏联这样粮食紧张，肉类需求量大的国家，对发展单细胞生产犹为积极。其他如英国等国家利用廉价的天然气生产出蛋白质含量高的单细胞产品，也取得了较为理想的经济效益。
人类自身也会直接从单细胞工业的发展中享受到巨大实惠。一方面，微生物蛋白食品的开发可以缓解耕地减少、粮食紧缺的矛盾，另一方面，高蛋白的微生物蛋白食品的开发，也有利于改善人们的食品结构，满足我们既要吃饱、又要吃好的要求。
据专家分析，用微生物发酵法生产的单细胞蛋白与肉类食品一样具有人体必须的八种氨基酸，且价格便宜。因此，单细胞蛋白可作为人造肉来补充人体所需的蛋白质。此外，单细胞蛋白的味道也不错，可以用来作为食品的添加剂。比如说，在做面包的时候，加入一些酵母培养物，不仅可使面包膨松可口，又可增加营养。
总之，微生物单细胞工业在我国大有潜力可挖，也更适合我国的国情，一但进入大规模的商品化生产，必将对缓解蛋白饲料紧张、促进养殖业的迅速发展、增强人民的体质发挥重要的作用。
7. SCP的生产现状及前景展望
7．1现状 我国SCP生产始于1922年, 1986年4月10日，我国第一个SCP饲料厂在广东省江门市建成并试产成功。1987年全国SCP(酵母)总产量1.55万t，1990年SCP超过2万t，1991年总产量6万t，其中固体酵母达4.8万t，1992年固体酵母达8万t，1993年超过1万t，到2000年发展到15万t。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，SCP单细胞蛋白的开发与生产为解决人类食品和饲料问题开辟了新的途径。［1］
7．2前景展望 当代世界的五大问题是人口、食物、资源、环境和能源问题，特别是食物和环境问题越来越引起社会的关注。生产SCP一方面可以利用各种废弃物、废液、废渣来作为原料来，从而降低环境污染；另一方面，可以获得大量的蛋白质、维生素等营养物质，用着动物饲料和食品，从而缓解食物危机。.若以蛋白质含量计算,1公斤单细胞蛋白相当于1-1.5公斤大豆.建立一座5只100吨发酵罐的工厂,可以年产5000吨单细胞蛋白,相当于5万亩耕地上种植大豆的产量。SCP的生产越来越引起世界各国的重视，特别是在前苏联、美、英、德、法等国，SCP的产量都相当的高且技术也比较成熟。因此单细胞蛋白的开发和生产在我国更具有广阔的前景。［4］

参考文献
［1］李丽立，杨坤明主编.现代生物技术与畜牧业，北京：科学出版社，2002.
［2］张柏林.生物技术与食品加工.北京：化学工业出版社，2005.
［3］郭维烈，实用微生物技术. 北京：科学技术文献出版社，1991
［4］郭维烈，郭庆华.新型发酵蛋白饲料. 北京：科学技术文献出版社，1996