可食性單細胞蛋白的研究進展

董婷婷，張寶善，*，孫 娟，鄭戰(zhàn)偉，姚曉偉

（1.陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院，陜西西安710062；2.西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安710071）

可食性單細胞蛋白的研究進展

董婷婷1，張寶善1，*，孫 娟1，鄭戰(zhàn)偉1，姚曉偉2

（1.陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院，陜西西安710062；2.西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安710071）

對單細胞蛋白的生產(chǎn)菌株種類、工藝要點、發(fā)酵動力學及其安全性與營養(yǎng)性的研究進展進行了概述，闡述了可食性單細胞蛋白的應用情況，展望了單細胞蛋白的開發(fā)前景，以期為工業(yè)化生產(chǎn)單細胞蛋白、開發(fā)微生物蛋白食品提供理論依據(jù)和工藝參數(shù)。

單細胞蛋白，可食性，微生物，研究

民以食為天，食物資源的短缺，正在對人類生存構成威脅。在此情況下，人類尋找開發(fā)新的食物資源顯得愈加重要和緊迫。在人類食用的各種食物中，除了動、植物食物外，還有一類新的食物資源——微生物食物。微生物細胞含有豐富的蛋白質，這正是人和動物不可缺少的營養(yǎng)物質，微生物食物倍受青睞。另外，微生物生長旺盛、繁殖快、適應性強、種類多、產(chǎn)蛋白質的速率快，而且微生物培養(yǎng)條件很簡單，對底物要求不高。因此，人們選定了這些細胞生物作為獲取蛋白的源泉，可解決因蛋白質需求增加而導致的糧食供求矛盾。但是單細胞蛋白核酸含量頗高制約了它的快速發(fā)展，亟待解決。本文對單細胞蛋白的生產(chǎn)菌株種類、工藝要點、發(fā)酵動力學及其安全性與營養(yǎng)性的研究進展進行了概述，并且闡述了可食性單細胞蛋白的應用情況，以期為工業(yè)化生產(chǎn)單細胞蛋白、開發(fā)微生物蛋白食品提供理論依據(jù)和工藝參數(shù)。

1 單細胞蛋白的定義、生產(chǎn)菌株

1.1 定義

單細胞蛋白（Single Cell Protein，簡稱SCP），也叫菌體蛋白、微生物蛋白，它是以各種有機或無機營養(yǎng)物為培養(yǎng)基，在適宜條件下培養(yǎng)酵母菌、非病原細菌等單細胞微生物，使其大量增殖，并將菌體收集、加工后產(chǎn)生的蛋白質。SCP并不是一種單純的蛋白質，而是由蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機化合物等混合物組成的細胞質團[1-4]。

1.2 生產(chǎn)SCP的菌株

1.2.1 真菌 生產(chǎn)SCP最為常用的酵母菌、霉菌菌株如表1所示。生產(chǎn)原料不同所選菌株亦不同，如熱帶假絲酵母可以利用各種糖類來滿足自身生長的需要；產(chǎn)朊假絲酵母除了可以利用各種糖原之外，還可以分解纖維素一類的物質；相比較而言，脆壁克魯維酵母耐乳酸的能力較強，因此對于一些乳酸含量高的原料，可以選擇該菌株進行生產(chǎn)。

霉菌同化淀粉與纖維素的能力強，可將結構性碳水化合物降解為酵母可利用的單糖、雙糖等簡單糖類物質，使得酵母良好地生長繁殖。利用乳酸菌產(chǎn)生乳酸等可使發(fā)酵產(chǎn)物的適口性得到較大的改善。混和菌協(xié)同發(fā)酵在提高原料的轉化率的同時又可以提高蛋白質的品質，基于以上種種優(yōu)點，混合菌協(xié)同發(fā)酵越來越受到人類的青睞。趙蕾在研究夏橙皮渣產(chǎn)單細胞蛋白時用產(chǎn)朊假絲酵母、黑曲霉和里氏木霉進行發(fā)酵，接種比例2∶1∶1或3∶2∶1，接種量10%左右。經(jīng)過發(fā)酵，夏橙皮渣粗蛋白質含量為發(fā)酵前的3倍，由10%左右增加到30%以上，真蛋白含量增加45%左右[14]。

表1 生產(chǎn)SCP的主要真菌菌株[5-13]Table 1 The major fungal strains of SCP production

1.2.2 細菌 最早用于生產(chǎn)SCP的細菌為光合細菌和氫細菌，這也是目前生產(chǎn)SCP的主要細菌，生產(chǎn)SCP的常用細菌菌株如表2所示。Esab1研究公羊角水解物生產(chǎn)單細胞蛋白，采用大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌進行發(fā)酵，通過比較發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌蛋白質含量最高，可達71%[15]。

表2 生產(chǎn)SCP的主要細菌菌種[5]Table 2 The major bacteria strains of SCP production

2 工藝要點

2.1 菌體的培養(yǎng)

見表3。

2.2 分離過濾

培養(yǎng)完成后冷卻，用高速離心機或濾布過濾。為了使培養(yǎng)液中養(yǎng)分得到充分的利用，在生產(chǎn)中可將部分營養(yǎng)液連續(xù)送入分離器中，分離后的上清液回到發(fā)酵罐中循環(huán)使用。對于較難分離的菌種可加入絮凝劑，以提高其凝聚力便于分離。

2.3 菌體的破碎及蛋白質的提取

表3 不同菌株生產(chǎn)SCP的各種參數(shù)比較[5]Table 3 Comparison of various parameters for SCP production from different strains

表4 酵母細胞常用破壁技術[16~22]Table 4 Broken technology used for yeast cell

為了獲得較高的酵母提取物得率，最常用的方法即增加酵母細胞的通透性。破壁處理既可以使細胞壁破裂，同時還可以增大內(nèi)膜的膜孔徑，以此來增大細胞的通透性，胞內(nèi)物質溢出得率亦可提高。目前應用較多的酵母菌破壁技術見表4。

除此之外，還有有機溶劑法、微波法等。為了提高細胞破碎率，通常幾種破壁方法聯(lián)用。鐘瑞敏利用鮮啤酒酵母生產(chǎn)酵母提取物，研究發(fā)現(xiàn)將啤酒酵母在-25℃下凍結然后解凍，胞外液含氮量為1.87%，但是在-25℃下凍結、解凍后超聲1h，再在45MPa下均質，胞外液含氮量可達5.25%[23]。徐棟將啤酒酵母在60MPa下均質3次，酵母抽提物的得率為63.90%，但是在60MPa下均質3次后添加0.6%的復合酶（木瓜蛋白酶∶中性蛋白酶為1∶1），酵母抽提物的得率可達72.93%[24]。

3 發(fā)酵動力學

最佳發(fā)酵工藝條件的確定可以通過發(fā)酵動力學的研究來進行。所謂發(fā)酵動力學即研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質消耗和產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律，定量描述微生物生長和產(chǎn)物形成過程。在微生物發(fā)酵中和生物技術生產(chǎn)密切相關的參數(shù)有比生長速率（μ）、細胞得率系數(shù)（YX/S）、基質消耗速率（QS）、蛋白生長速率等，這些參數(shù)對于提高發(fā)酵速率有重大作用。

Ibrahim利用產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵脫脂糠生產(chǎn)單細胞蛋白，通過確定最大的μ、YX/S及產(chǎn)物得率來確定最佳的生產(chǎn)條件，然后測定在此最優(yōu)生產(chǎn)條件下的其他參數(shù)，得μ為0.33h-1，YX/S為0.66g/g，QS為2.25g/L·h，QCP為1.23g/L·h，YTP/S為0.45g/g[25]。

徐抗震利用蘋果渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)SCP，利用曲線擬合和數(shù)學推導研究固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)SCP的動力學。首先對SCP增長速度隨時間的變化進行作圖，再通過Logistic方程（“S”型曲線）運算，進而求出理論上關鍵的最大增長速率和最大比增長速率，得知在53.37h時發(fā)酵速度（即蛋白增長速度）達到最大，在34.82h和71.98h時比生長速率最大，由此可以認為在34.82h以前為發(fā)酵延滯期，71.98h以后為發(fā)酵的衰亡期，中間為發(fā)酵的對數(shù)增長期和旺盛期。這些均為確定發(fā)酵階段、選擇適宜的發(fā)酵時間及優(yōu)化其他發(fā)酵參數(shù)提供了理論依據(jù)[26]。

4 安全性與營養(yǎng)性評價

4.1 安全性評價

關系到單細胞蛋白能否作為食品的首要問題即安全性評價。聯(lián)合國蛋白質咨詢組關于單細胞蛋白的安全性評價做出過一系列規(guī)定：生產(chǎn)用的菌株不能是病原菌、不產(chǎn)生毒素；生產(chǎn)原料要求石油原料中多環(huán)芳香族烴含量低；農(nóng)產(chǎn)品來源的原料中重金屬與農(nóng)藥的殘留進行測定，含量較少，不能超過要求；培養(yǎng)條件及產(chǎn)品處理中無污染，無溶劑殘留和熱損害；最終產(chǎn)品中應無病原菌、無活細胞、無原料和溶劑殘留；最終產(chǎn)品必須進行白鼠的毒性實驗和兩年的致癌實驗；還要進行遺傳、哺乳、致畸及變異效應實驗。這些實驗通過以后，還要做人的臨床實驗，測定SCP對人的可接受性和耐受性。

4.2 營養(yǎng)性評價

各種菌株生產(chǎn)的SCP的化學成分如表5。對單細胞蛋白的營養(yǎng)性評價，除了化學成分的數(shù)據(jù)分析外，最終要取決于生物測定。生物測定方法主要有兩種，生長法和氮平衡法。生長法用于測定蛋白質效率比（PER），氮平衡法則測定蛋白質生物價（BV）。PER值和BV值越高說明蛋白質的質量越好。

表5 不同菌株生產(chǎn)的SCP的組成成分的百分含量（%）[5] Table 5 Percentage composition of SCP from various strains（%）

評價單細胞蛋白營養(yǎng)性還有兩個重要指標：核糖核酸（RNA）的含量和毒素的含量。通常細菌和酵母中RNA含量較高，藻類中RNA含量較低。細菌細胞中含RNA約10%~18%，酵母（干基）中約6%~11%。人從食品攝入的核酸含量安全水準為2g/d，如果RNA含量高于安全標準，有可能引起痛風、風濕性關節(jié)炎、腎結石等疾病。雖然細菌的蛋白質和必需氨基酸含量豐富，但核酸含量偏高，致使大部分的細菌菌株被用于生產(chǎn)蛋白飼料。如果利用細菌生產(chǎn)可食性SCP，人們也會有心理障礙，不易得到消費者的認可。細菌菌體偏小，增加了離心分離細菌菌體的難度，同時增加了生產(chǎn)成本，成為細菌生產(chǎn)SCP的又一限制因素。

毒素是微生物在生長過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。藻類基本上不產(chǎn)生毒素，真菌在生長過程中會產(chǎn)生一定的毒素，主要有黃曲霉毒素、赭曲毒素和單端孢霉烯族毒素類。黃曲霉毒素會導致肝癌，赭曲毒素會對人體的腎臟不利，單端孢霉烯族毒素影響人體的造血功能。目前，氨化作用是去除黃曲霉毒素最有效的方法。通過氨化作用，99%的黃曲霉毒素可被去除[27-28]。

5 SCP的應用

目前單細胞蛋白已經(jīng)逐漸滲入到人們的生活之中，主要包括飼料方面和食品方面的應用，其中藻藍蛋白越來越受到人們的關注。

5.1 SCP在食品工業(yè)中的應用

5.1.1 直接食用 單細胞蛋白自身具有較高的營養(yǎng)價值，基本富含人體所需的各種氨基酸、維生素，多糖含量也較豐富，可以將其制成“人造肉”，供人們直接食用；也可以將其添加到其他食品中，以提高該食品的營養(yǎng)價值。

5.1.2 酵母味素 酵母味素（yeast extract）是以蛋白質含量豐富、核酸含量高的食用酵母為原料，采用生物技術，將酵母細胞內(nèi)的蛋白質、核酸等進行降解后精制而成的天然調味料。其在食品工業(yè)中的應用主要有以下幾個方面[29]：

5.1.2.1 在動物性制品中的應用 在動物性制品的生產(chǎn)過程中添加干重量為0.1%~0.5%的酵母味素，可突出和賦予制品肉的鮮香風味，提高其他香辛料的呈味能力，掩蓋異味，延緩脂肪氧化，并可提高制品的保油、保水性，延長與維護香氣的存留持續(xù)時間，增強產(chǎn)品的組織彈性，使產(chǎn)品鮮嫩爽口。李沛研究發(fā)現(xiàn)LB00型酵母味素在低溫圓火腿中應用效果相當明顯，隨著LB00型味素量的加大，火腿的外觀顏色、口感、香氣、組織結構和彈性相應提高，當加量達到0.7%時效果較為理想。添加0.7%的LB00型酵母味素可以代替75%的香精、代替50%的鮮味劑，而且LB00型味素中大約含有15%的葡聚糖和甘露聚糖，能夠大幅度地提高產(chǎn)品的持水性，提高出品率、降低成本[30]。

酵母味素還可通過美拉德反應而產(chǎn)生肉味特征的風味物質，與其他調味料精制成風味化酵母味素應用于肉制品的生產(chǎn)中，使得制品既具有真的肉香、辛香，同時又有醬香和醇厚味感，產(chǎn)生均衡而甘濃的風味。

5.1.2.2 在植物性制品中的應用 在果蔬制品和糧食制品中添加0.1%～1.0%的酵母味素，可增強產(chǎn)品醇厚感，減少不良氣味，提高耐煮性。

加工素食食品的原料主要有大豆蛋白、面筋蛋白，但大豆蛋白有一定的豆腥味，面筋蛋白本味不顯。若加工時添加1%～2%的酵母味素，抑制豆腥味的同時還可顯著增加制品肉香味。在配制膨化食品調味料時，添加5%~10%調母味素，使得滋味豐富的同時，又彌補谷物蛋白質的不足。

5.1.2.3 在復合調味料中的應用 在各種復合調味料的配制中添加適量酵母味素，能使其本味突出，還可大大降低異味。任艷艷等人研究表明，酵母味素能明顯改善蠔油風味，提高產(chǎn)品品質。在超市買佛山蠔油作1號，深圳蠔油作2、3號。對三種蠔油應用安琪酵母味素LB00或LB05產(chǎn)品風味都有不同程度的提高。綜合各方面因素1號蠔油用LB05型酵母味素，最適添加量1.0%，蠔油2號和3號選用LB00型酵母味素，添加量分別為0.6%、0.8%[31]。

5.1.2.4 在其它食品中的應用 酵母味素還可應用于減鹽食品、乳制品、保健食品等。當在減鹽食品中添加0.15%～0.75%酵母味素時，可以賦予食品類似于食鹽的風味；應用于乳制品中，可使制品的風味提高，甜味增加；應用于保健品可平衡及提高氨基酸、B族維生素、微量元素等的比例和含量。

5.2 藻藍蛋白

藻藍蛋白（Phycocyanin）是某些藻類特有的重要捕光色素蛋白，藻藍蛋白擁有較寬的光譜范圍、較高的熒光產(chǎn)率和良好的水溶性，這使得它們能在免疫檢測、熒光顯微術和流式細胞儀技術方面作為一種良好的生物化學示蹤物。藻藍蛋白呈現(xiàn)鮮艷的寶石藍色，天然無毒，還可以作為色素被廣泛應用于食品、化妝品、染料等工業(yè)。近年研究表明，藻藍蛋白在抗輻射、抑制腫瘤、抗過敏、抗疲勞、增強免疫力等方面有較高的活性[32-37]。如楊立紅研究魚腥藻藻藍蛋白（Anabaena Phycocyanin，APC）的體外抗氧化作用時發(fā)現(xiàn)，一定濃度范圍內(nèi)不同純度的APC都有總抗氧化能力，能清除O2-·和·OH及抑制MDA的生成，且呈現(xiàn)一定劑量關系，說明了APC在一定濃度范圍內(nèi)具有抗氧化作用[38]。由此可知，藻藍蛋白在醫(yī)療保健食品的開發(fā)上也具有一定的應用價值。

6 展望

中國作為一個人口大國，耕地少、人口多，不僅糧食趨于緊張，而且人民的食品結構中存在著蛋白質供應不足的嚴重矛盾，因此發(fā)展單細胞蛋白產(chǎn)業(yè)對我國有著重大現(xiàn)實意義。我國也有發(fā)展該產(chǎn)業(yè)的有利條件，如稻殼、棉籽殼、玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄物每年可達數(shù)千萬噸，可以用來作為單細胞蛋白的生產(chǎn)原料。根據(jù)測算，僅利用這些廢棄物的20%，即可形成年產(chǎn)100萬t的單細胞蛋白生產(chǎn)能力，實為一條變廢為寶的好途徑。除了農(nóng)作物廢棄物之外，我們在利用糖蜜、酒精廢液、甘蔗渣等作為原料生產(chǎn)單細胞蛋白研究方面也可大有作為。

總之，微生物單細胞工業(yè)在我國大有潛力可挖，也適合我國的國情，一旦進入大規(guī)模的商品化生產(chǎn)，必將對增強人民的體質發(fā)揮重要的作用。

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Research progress in edible single cell protein

DONG Ting-ting1，ZHANG Bao-shan1，*，SUN Juan1，ZHENG Zhan-wei1，YAO Xiao-wei2
（1.College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China；2.School of Electronical&Machanical Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，China）

The overview of the single cell protein production strain types，manufacturing techniques，fermentation kinetics，and security and nutritional was summarized，the application of single cell protein was described.The future development of single cell protein was prospected.It was supposed to provide the theory and process parameter for the industrial production of single cell protein and the development of microbial protein food.

single cell protein；edible；microbiology；research

TS201.2+1

A

1002-0306（2012）03-0417-05

2011－03－03 *通訊聯(lián)系人

董婷婷（1987-），女，研究生，研究方向：食品微生物學。