微生物发酵废弃生物质合成单细胞蛋白的研究现状进展

合成 GUN的细菌主 要 包 括 芽 孢 杆 菌)拟 杆 菌)乳 酸杆菌)双歧杆菌)乳酸球菌)光合细菌’"( )氢氧化细 菌等无致病性类群& 其中"氢氧化细菌是一种好氧或 兼性化能无机营养菌"被视作生成微生物蛋白的潜在 合成工具& 细菌蛋白更易消化吸收"但细菌细胞个体 很小"产品不易 分 离" 故 细 菌 蛋 白 在 安 全 性 与 接 受 性 方面还有待于进一步研究&
摘要!单细胞蛋白是一种高附加值的生物产品!能填补饲料蛋白的空缺" 利用微生物发酵废弃生物质生产单细胞 蛋 白 !可 以 减 小 环 境 污 染 #实 现 资 源 的 高 效 回 收 !同 时 真 菌 发 酵 比 之 微 藻 #细 菌 发 酵 生 产 单 细 胞 蛋 白 分 离 更 简 便 !工 业 化 可行性更高" 主要围绕微生物特征#生产原料#发酵方式与发酵装置 ! 个方面!对以废弃生物质为底物的单细胞蛋白 生产工艺进行介绍!通过对比分析该工艺国内外的研究与应用情况!并对其未来的发展提出建议" 关键词!单细胞蛋白$废弃生物质$微生物$反应器
BC引C言 随着世界人口的增长"畜牧业产品的需求量也不
断增加"饲料工 业 的 发 展 给 有 限 的 蛋 白 质 资 源 造 成 了 很大负担& 为寻找蛋白质的替代资源"研究人员转向 了 利 用 微 生 物 发 酵 生 产 单 细 胞 蛋 白 ! T,*430HC033 I-.10,*"GUN# 的技术& GUN是指在适宜条件下"利用各 种基质培养微生物获得的菌体蛋白"营养价值及生物 效能较高"氨基酸种类齐全"基本与联合国粮农组织标 准相符"较之传统动植物蛋白具有一定优势’’H%( &
第$期
高#瑞"等$微生物发酵废弃生物质合成单细胞蛋白的研究现状进展
’$’
来微生物发 酵 废 弃 生 物 质 合 成 GUN的 研 究 现 状" 阐
述微生物合成 GUN的原理及其特征"探讨可用于 GUN
合成的废弃生物质"并对生产工艺进行讨论分析"以
期为该技术的进一步发展提供理论支持&
D C /(&合 成 原 理 及 其 微 生 物 特 征
图 ’#生产 GUN的废弃生物质按来源与存在状态分类 \,46’#RB0C32TT,O,C21,.* .OX2T10Z,./2TTZ9,1T-0T.W-C0T2*P T1210T
农业生产在获得产品的同时"会无可避免地产生 大量的废渣废料& 这些废弃物中各类纤维质含量较 高"难以直接用作饲料! 常见纤维质废弃物主要特性 如表 %#& 因此这些废弃物大部分被焚烧或被弃置任 其自 然 腐 烂& 我 国 每 年 可 生 产 农 作 物 秸 秆 超 过
第 !" 卷#第 $ 期 %&’( 年 $ 月
环#境#工#程 )*+,-.*/0*123)*4,*00-,*4
5.36!" # 7.6$ 829#%&’(
微生物发酵废弃生物质合成单细胞蛋白的 研究现状进展!
高#瑞#段钰汀#戴#震#何秋颖#谢#丽
! 同济大学 长江水环境教育部重点实验室 环境科学与工程学院"上海 %&&&_%#
微生物可通过糖酵解途径"将基质中的大分子有
机物转化为一系列中间产物"同时产生能量"同化这
些中间产物以合成蛋白质等细胞组分"从而富集营养
物质&
真菌)细菌)微藻等微生物适应力强)生物效能满
足需要且无毒无害"目前较多应用于 GUN生 产& 表 ’
总结了各种菌体蛋白的成分)产量以及经济效益等&
从营养物指 标 分 析$ 微 藻 与 细 菌 合 成 的 GUN粗 蛋 白
8M=N:KPO9@QR7@LNK;9@@9O:PK7N7
成分 粗蛋白 @; 粗脂肪 @; 灰质 @; 核酸 @; 产量 @1 市场价值 @亿欧元
霉菌 !& c:$ % c( _ c’: ] c’& %$ &&& %?’:
微藻 :& c"& ] c%& ( c’& ! c( _ &&& %:
酵母 :$ c$$ % c" $ c’& " c’% ! &&& &&& _%
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环#境#工#程
第 !" 卷
" p’&( 1"除纺织)造 纸 和 木 材 业 外"相 当 大 的 一 部 分 并未被回收利用’’%( & 但根据研究’’!( "玉米秸 秆 经 过
酸解后发酵"产品粗蛋白含量可增大 : 倍"粗纤维分
解率超过 $&;"故 经 GUN生 产 工 艺 处 理 后 的 玉 米 秸
微生物可利用多种废弃生物质富集菌体蛋白"但 用于实现 GUN工 厂 化 生 产 的 废 弃 生 物 质 应 在 产 量) 价格)碳氮比例等方面需满足一定条件& 目前实验室 规模已有成功试验的原料"按来源主要可分为农业生 产废弃物)食品加工废弃物两大类!图 ’#& 近年来基 质研究种类趋于多样化"例如有研究者以油茶籽干渣 为 底 物 发 酵 生 产 GUN" 产 物 粗 蛋 白 含 量 达 %’?%!; ’’’( & 但目前 利 用 纤 维 质 废 弃 物 生 产 GUN的 关注度仍然较低&
含量最高"但微藻蛋白灰质含量较高"可消化性差"细
菌蛋白核酸含量较高"故必须在生产工艺中增加脱核
酸环节& 相比 而言"酵 母 蛋 白的 综 合 性质 较 优"在
GUN生 产 市 场 占 据 主 体 地 位 &
表 DC 各 种 菌 体 蛋 白 成 分 与 生 产 效 益 )HSW*
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目前日本)俄罗 斯) 法 国) 芬 兰) 英 国 已 具 备 一 定 GUN实际生产规 模"多 采 用 连 续 化 生 产"发 酵 设 备 趋 于 大 型 化 ’%( & 但 国 内 GUN生 产 仍 处 于 起 步 阶 段 ’!( " 虽然 在果 渣)糖 渣 ) 淀 粉 废 液 等 废 弃 生 物 质 生 产 工 艺 上已有成功小试"但主要是半连续化模式"自动化水 平低"限制了其进一步应用& 本文旨在归纳近 %& 年
细菌 $& c"$ ’ c! ! c] ( c’% ($ &&& ,
## 用 以 生 产 GUN的 霉 菌 主 要 包 括 曲 霉) 青 霉) 木 霉)根霉等& 生产过程中可能产生真菌毒素"其产品 需要进行相关检测& 但霉菌蛋白稍带蘑菇味"具有良 好的咀嚼性和肉质感’"( "且更易分离"无需离心& 酵 母菌是最重 要 的 GUN来 源 ’]( " 因 为 数 千 年 来 酵 母 与 发酵工业息息相关"其代谢机理研究已成体系& 酵母 菌耐酸)耐糖)耐 高 盐 的 特 性 决 定 了 其 环 境 适 应 力 较 强"在工业生产中也具有更大优势& 因水解蛋白质) 糖原)纤维素类物质能力强"热带假丝酵母)产朊假丝 酵母等菌种也常用于 GUN生 产 研 究& 温 子 健 等 ’(( 以 大豆乳清废水为基质"使用 ( 种酵母发酵"发现产脘 假丝酵母蛋白含量高且生长量最大& 另外"在混菌条 件下酵母菌还容易与其他菌种形成稳定菌群"构建互 利共 生) 协 作 等 有 利 关 系" 从 而 使 GUN产 率 最 大 化& 任亚萍等’_( 发现$酵母菌与黑曲霉)米曲霉混合发酵 能显著提高蛋白质及必需氨基酸含量"改善饲料的营 养价值&
藻类能 利 用 光 合 作 用 产 能) 固 定 U=% " 故 生 产 GUN的资源与能源 广 泛 易 得& 用 于 生 产 GUN的 最 理 想的类群为钝顶螺旋藻和极大螺旋藻& 蒙沛南等’’&( 利用太阳能光生物反应器处理有机污水的同时培养 螺旋藻"获得了质量合格的饲料级产品& 但藻类的培 养过程受气候条件限制"光生物反应器的研究亦处于 实验室阶段"藻类的应用研究尚未形成体系& 另外" 污水产藻用作饲料的公众接受性较差& 现阶段我国 GUN生产研究中酵母菌的应用最为广 泛 且 成 果 斐 然" 工业化可行度最高& FC可用于合成 /(&的废弃生物质
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微生物发 酵 合 成 GUN的 原 料 广 泛 易 得" 主 要 分 !#国#家#科#技支#撑#计#划子#课题!%&’%VEU’]V&% # %中 央 高 校 基 本 科 研 业 务
费! 交叉合作# 资助项目%国家级大学生创新创业计划资助项目& 收稿日期$%&’] ^&( ^’%
为能源类物质与废弃生物质& 虽然能源类物质生产 的 GUN附加 值较 高"但由于 原料 的不 可 再生 性"产 品 的经济和生态效益不高& 而废弃生物质产量极大"加 之有机物含量很高"直接排放会增大环境负荷"故应 该更多地考虑资源化的处理方式& 利用废弃有机质 生产 GUN"既可以 为 饲 料 工 业 提 供 原 料"又 可 以 降 低 有机物浓度减少污染"因此愈加受到关注&
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脱油米糠 _?]"
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玉米芯
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甘蔗渣 $&?:
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甜菜浆
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## 此外"果皮)果 渣 等 废 弃 物 在 含 有 较 多 纤 维 素 类 物质)果胶的 同 时"还 原 糖 含 量 较 高"可 以 作 为 生 产 GUN的优 质 底 物& 例 如" 目 前 我 国 每 年 葡 萄 产 量 约 (&& 万 1"每 年 产 出 数 以 万 吨 计 的 葡 萄 废 渣 ’’(( " 一 般 用作堆肥或饲料"但其单宁含量和木质化水平较高" 导致饲料的可消 化 性 差 且 资 源 利 用 率 低& 王 战 勇 等’’_( 发现"在优化培养条件下"葡萄废渣发酵产物中 粗蛋白的质量分数可达到发酵前的 % 倍以上& 马铃 薯渣等加工废弃物除纤维质)果胶以外"还含有较多 的淀粉"是易于微生物生长繁殖的营养物质& 我国已 成为世界第一马铃薯生产国"年产量约 ] &&& 万 1"加 工淀 粉 剩 余 薯 渣 约 !:& 万 1’%&( & 目 前 我 国 对 于 薯 渣 及淀粉废水的利用尚未形成体系"中小型工厂多采用 直接排放或用作饲料& 石茂萍’%’( 利用 : 种耐盐性好 的菌株发酵马铃薯废水"在最优条件下获得了粗蛋白 含量为 !%?";"总氨基酸含量为 %!?%;的发酵产物&
秆可用于附加值较高的饲料产品&
表 FC常见农业纤维质废弃物的组分含量
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:O9K;QJ8Q9:JLK6=9?:78=7
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纤维质类 纤维素 半纤维素 木质素 粗纤维 蛋白质 参考文献
玉米秸秆 ,
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