單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)與應(yīng)用

姚 峰 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院 230036

傳統(tǒng)蛋白質(zhì)飼料主要是植物性蛋白飼料和動(dòng)物性蛋白飼料。植物性蛋白飼料的蛋白含量為20%～50%，包括大豆及其餅粕、棉籽餅粕、菜籽餅粕、花生餅粕、葵花餅粕、亞麻籽餅粕、玉米蛋白粉及其加工副產(chǎn)品玉米麩料和玉米胚芽粕。動(dòng)物性蛋白飼料的蛋白含量為40%～90%，包括魚(yú)粉、肉骨粉、肉粉、血粉、羽毛粉、蠶蛹粉及蠶蛹餅、血漿蛋白粉、奶粉和酪蛋白。20 世紀(jì)以來(lái)，隨著人口的增加，傳統(tǒng)蛋白質(zhì)飼料產(chǎn)量已滿足不了養(yǎng)殖需求，各國(guó)都在尋求其他的飼料蛋白源。單細(xì)胞蛋白（SCP）飼料就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的。

1 單細(xì)胞蛋白的概念

單細(xì)胞蛋白(SCP)是指利用各種基質(zhì)大規(guī)模培養(yǎng)酵母菌、細(xì)菌、真菌和微藻等而獲得的微生物蛋白。SCP 的蛋白含量高達(dá)40%～80%。

酵母是最早廣泛用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物。酵母中含蛋白質(zhì)45%～55%，是一種接近魚(yú)粉的優(yōu)質(zhì)蛋白。

細(xì)菌蛋白的蛋白含量占干重的3/4 以上，在補(bǔ)充含硫氨基酸以后，它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與大豆分離蛋白相近。用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的細(xì)菌較多，研究較多的細(xì)菌為光合細(xì)菌和自養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌。自養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌的菌體蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%～80%。應(yīng)用較多的真菌有曲霉和青霉。主要利用糖蜜、酒糟、纖維類農(nóng)副產(chǎn)品下腳料生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。霉菌絲體蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的30%～50%。利用水域培養(yǎng)藻類獲得蛋白質(zhì)也是很好的途徑。開(kāi)發(fā)利用較多的是小球藻和螺旋藻，產(chǎn)品蛋白含量可達(dá)55%～70%。

2 單細(xì)胞蛋白飼料的特點(diǎn)

2.1 生產(chǎn)效率高

比動(dòng)植物高成千上萬(wàn)倍，這主要是因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)繁殖速率快。在適宜條件下細(xì)菌0.5～1h、酵母1～3h、微型藻類2～6h 即可增殖1 倍。

2.2 原料豐富

工農(nóng)業(yè)廢物、廢水，如秸稈、蔗渣、甜菜、木屑、廢糖蜜、廢酒糟水、亞硫酸紙漿廢液等；石油、天然氣及相關(guān)產(chǎn)品，如原油、柴油、甲烷、甲醇、乙醇、CO2、H2等，都可作為基質(zhì)原料。

2.3 可以工業(yè)化大量生產(chǎn)

設(shè)備簡(jiǎn)單，容易生產(chǎn)；需要的勞動(dòng)力少，不受地區(qū)、季節(jié)和氣候的限制。如年產(chǎn)10 萬(wàn)噸SCP 的工廠，以酵母計(jì)，一年可產(chǎn)蛋白4000 多噸；以大豆計(jì)，一年所產(chǎn)蛋白相當(dāng)于50 多萬(wàn)畝大豆所含蛋白。

2.4 營(yíng)養(yǎng)豐富

產(chǎn)品中含有豐富的維生素，必需氨基酸含量較高、組成齊全，包含了人體必需的8 種氨基酸，而且消化利用率高，一般高于80%。

2.5 核酸含量較高

如酵母為6%～1l%、細(xì)菌為10%～18%。核酸在畜體內(nèi)消化后形成尿酸，因家畜無(wú)尿酸酶，尿酸不能分解，隨血液循環(huán)在家畜的關(guān)節(jié)處沉淀或結(jié)晶，可引起痛風(fēng)癥或風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，使用時(shí)應(yīng)控制用量[1]。

3 單細(xì)胞蛋白的開(kāi)發(fā)利用

單細(xì)胞蛋白在飼料和食品工業(yè)中有著重要的作用。20 世紀(jì)20 年代，荷蘭、德國(guó)和英國(guó)就已公布了SCP 的生產(chǎn)專利。

單細(xì)胞蛋白可直接食用。干酵母蛋白含量高、熱量低，可作為食品的添加劑。有的國(guó)家在嬰兒食品中摻入酵母蛋白以提高食品的營(yíng)養(yǎng)性能。酵母的濃縮蛋白有顯著的鮮味，已廣泛用于食品的增鮮添加劑。

單細(xì)胞蛋白應(yīng)用最多和最普遍的是動(dòng)物飼料。

早在20 世紀(jì)20 年代，就有人用飼料酵母作反芻動(dòng)物的蛋白補(bǔ)充料。1967 年在美國(guó)麻省理工大學(xué)召開(kāi)了第一次世界單細(xì)胞蛋白飼料會(huì)議，確認(rèn)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是解決飼料糧短缺的重要途徑之一。隨后，世界各國(guó)廣泛開(kāi)展單細(xì)胞蛋白飼料生產(chǎn)的研究，特別是利用現(xiàn)代化發(fā)酵工程技術(shù)手段以多種非食用資源和廢棄資源作為基質(zhì)料，以工業(yè)化的方式大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料。

用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的細(xì)菌較多，研究較多的細(xì)菌為光合細(xì)菌和自養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌。國(guó)外對(duì)于大量培養(yǎng)光合細(xì)菌生產(chǎn)SEP 的研究是20 世紀(jì)70 年代后期才開(kāi)始的，日本生產(chǎn)的PSB 菌液作為魚(yú)類的飼料添加劑已形成商品化生產(chǎn)。自養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌是氫細(xì)菌中被研究最多的SCP 生產(chǎn)菌，這種菌體蛋白質(zhì)含量高達(dá)70%～80%。目前，主要進(jìn)行這方面研究工作的有美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)和日本。

目前已實(shí)現(xiàn)藻類蛋白質(zhì)商品化生產(chǎn)的國(guó)家和地區(qū)有10 多個(gè)，年產(chǎn)干藻粉1 萬(wàn)噸以上，其中墨西哥占85%。墨西哥的Sosa Texacoeo 公司擁有目前世界最大的螺旋藻生產(chǎn)工廠，年產(chǎn)330 噸。日本在沖繩也成立了2 個(gè)小球藻生產(chǎn)有限公司，其中一個(gè)公司擁有17 個(gè)培養(yǎng)池，每月產(chǎn)8～10 噸飼用干藻粉。

我國(guó)SCP 的主要產(chǎn)品是飼料酵母。單細(xì)胞蛋白飼料的生產(chǎn)與發(fā)達(dá)國(guó)家比較還存在一定差距，生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品技術(shù)有待進(jìn)一步研究和提高。近些年，我國(guó)先后以石油、石蠟、甲烷、甲醇、乙醇、棉籽殼、糖糟渣、蔗渣、木屑、秸稈、紙漿纖維及食品、發(fā)酵工業(yè)等廢液為原料，研究生產(chǎn)菌體蛋白，取得了不少研究成果。我國(guó)蛋白飼料年需要量在500 萬(wàn)噸以上，每年都要大量進(jìn)口魚(yú)粉和豆粕，因此單細(xì)胞蛋白在我國(guó)的發(fā)展空間很大。

4 SCP 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料的工藝流程一般可以概括為菌種+培養(yǎng)基+氮源+微量元素-菌種擴(kuò)大培養(yǎng)-發(fā)酵罐培養(yǎng)-培養(yǎng)液-分離菌體-洗滌或水解-干燥-動(dòng)物飼料。

菌種的選擇非常重要。菌種之間可互相補(bǔ)償缺陷，協(xié)同互生。因此生產(chǎn)不同的生物蛋白飼料選用的復(fù)合菌株不同。目前生產(chǎn)SCP 的工藝主要有兩大類：固態(tài)發(fā)酵和液體深層發(fā)酵。

4.1 固態(tài)發(fā)酵

固態(tài)發(fā)酵是指某些微生物生長(zhǎng)需水很少，可利用疏松而含有必需營(yíng)養(yǎng)物的固體培養(yǎng)基進(jìn)行需氧、厭氧或兼性發(fā)酵生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵工藝是很古老的技術(shù)，從遠(yuǎn)古時(shí)代人們就已利用固態(tài)發(fā)酵制造食品、干酪和堆肥。

固態(tài)發(fā)酵工藝的缺點(diǎn)是機(jī)械化程度低、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易染雜菌，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)或少有環(huán)境污染、投資少、操作容易、原料易得。發(fā)酵原料一般為富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，如麩皮、薯粉、棉籽餅粕、菜籽餅粕、大豆餅粉、血粉、羽毛粉、高粱和玉米粉等[2]。

4.2 液體深層發(fā)酵

液體深層發(fā)酵是指在液體培養(yǎng)基表面及內(nèi)部進(jìn)行的微生物培養(yǎng)過(guò)程，是在第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的。液體深層發(fā)酵工藝產(chǎn)量大、易控制、機(jī)械化程度高，但投資大、能耗大、污染多。液體深層發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵，而固體發(fā)酵卻不能。

隨著世界能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，已被忽視的古老固體發(fā)酵工藝重新引起人們的興趣。因?yàn)檫@種方法對(duì)利用大量農(nóng)業(yè)和森林廢棄物很方便，但固態(tài)發(fā)酵技術(shù)水平還比不上液體深層發(fā)酵技術(shù)水平，設(shè)備和工藝都需要改進(jìn)[3]。

[1]張勇,朱宇旌.飼料與飼料添加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]張日俊.現(xiàn)代飼料生物技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]郭維烈,郭慶華.新型發(fā)酵蛋白飼料[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社2005.