单细胞蛋白生产工艺

第六节单细胞蛋白生产工艺
单细胞蛋白质（single-cell protein,SCP）是通过培养单细胞生物而获得的菌体蛋白质。

由于生产SCP的单细胞生物包括微型藻类、非病原细菌、酵母菌和真菌。

它们可利用各种基质如碳水化合物、碳氢化合物、石油副产品、氢气及有机废水等在适宜的培养条件下生产单细胞蛋白。

单细胞蛋白质的含量达40%~80%，单细胞蛋白中的赖氨酸含量高，但含硫氨基酸的含量较低。

由于世界人口急增，人口每年增加速度约为2%以上，但粮食方面仅靠高等植物的传统生产方法，其增长率已赶不上世界人口的增加率。

同时由于世界经济日趋富裕，生活水平的不断提高，对动物蛋白质的需求量增加很多。

然而，生产动物蛋白却需要消耗很多植物蛋白，如要获得牛蛋白1kg，需消耗植物蛋白3-4kg；要得家畜蛋白1kg，需植物蛋白7-10kg，很不经济。

并且某些家禽与人类争粮食。

由此可见，粮食不足中最严重的是蛋白质不足的问题。

人类认识到作为取代蛋白质资源的微生物具有的重要性，已有相当长的历史。

第一次世界大战中，苦于粮食不足的德国，将食用酵母投入了生产，最初是用糖生产酵母，后来发展到从造纸工业的亚硫酸废液制造饲料酵母。

各种农业森林或家畜工业的废料生产SCP也已开发。

目前对于生产SCP的廉价原料已成为研究的热点，如法国正在开发以木薯制造SCP的技术。

利用无限再生的二氧化碳为资源的自养微生物制造SCP的研究
也受到重视，目前正在研究的无机物光能利用菌包括藻类、光合细菌。

另一类为无机物化能利用菌，以氢细菌为最有希望。

从工业观点来看，嗜热氢细菌可以减少污染的危险，节省冷却水用量，现已获得在较高温度下、生长速率高的菌株。

目前，我国已有近百家工厂生产饲料酵母、食用酵母和药用酵母，年产量为30多万吨，饲料酵母产量7.5万吨，主要出口，与实际需要近500万吨蛋白饲料还相差甚远。

近年来我国重视SCP的开发工作，据报道利用味精废水生产热带假丝酵母SCP，含蛋白质达60%，产品用作饲养禽畜，效果与鱼粉相同。

在研究螺旋藻的培养方法发面已获成功，据报道，将螺旋藻SCP用于啤酒生产上可得到具有独特风味的啤酒。

以微生物作为蛋白资源的优点如下。

（1）生产收率高微生物的倍增时间比牛、猪等快千万倍，如细菌、酵母菌的倍增时间为20-120min，霉菌和绿藻类为2-6h，植物1-2周，牛1-2月，猪4-6周。

据估计，一头500kg公牛每天产生蛋白质0.4kg，而500kg酵母至少产生蛋白质500kg。

（2）劳动生产率高生产不受气候季节的制约，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10万吨SCP 工厂，以酵母计，按含蛋白质45%计算，一年所产蛋白质为4.5万吨。

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。

（3）SCP营养丰富与黄豆粉相比，蛋白质含量高达15%，而可
利用氮比大豆高20%，如添加蛋氨酸则可利用氮达90%以上。

（4）利用原料广可就地取材，廉价大量地解决原料问题，如果利用某些工农业废料还可实现环境保护。

这是解决大规模生产SCP 成本的主要因素。

（5）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、生物学方法定向育种，获得蛋白质含量高、质量好、味美，易于提取蛋白质等的优良菌种。

一、SCP生产的一般工艺过程
采用发酵罐的有传统的搅拌式发酵罐、通气管式发酵罐、空气提升式发酵罐等。

投入发酵罐中的物料有生长良好的种子、水、基质、营养物、氨等，培养过程中控制培养液的PH及维持一定温度。

单细胞蛋白的生产中为使培养液中营养成分充分利用，可将部分培养液连续送入分离器中，上清液回入发酵罐中循环使用。

菌体分离方法的选择可根据所采用离心机的类型，比较难分离的菌体可加入絮凝剂以提高其絮凝力，便于分离。

一般采用离心机分离。

作为动物饲料的单细胞蛋白，可收集离心后浓缩菌体，经洗涤后进行喷雾干燥或滚筒干燥。

作为人类食品则需除去大部分核酸。

将所得菌体水解，以破换细胞壁、溶解蛋白质、核酸、经分离、浓缩、抽提、洗涤、喷雾干燥得到食品蛋白。

二、SCP生产的微生物
生产SCP的菌种、原料、工艺等方面几十年来作了不少研究，但作为SCP生产的共同性问题，应考虑下列几个方面：（1）生产所用菌
种增殖快，菌体收获量大；（2）原料价格便宜，能够大量供给，或利用工农业废料；（3）生产菌种对营养要求简单；（4）易于培养，可连续发酵；（5）分离回收容易；（6）不易污染杂菌；（7）废水少；（8）菌体蛋白质含量高，氨基酸组成好；（9）没有毒性、病原性及致癌物质；（10）SCP适口性好；（11）贮藏、包装容易。

对于产品的品质和安全性要经严格鉴定，在这方面联合国蛋白质、热量顾问委员会专门颁布了鉴定指南，对产品的各种污染菌数的界限、质量分析项目、动物实验方案与病理观察项目和方法都有详细的规定。

1、酵母菌及细菌
酵母菌及细菌的特点是个体很小，生长率比藻类和霉菌高得多。

酵母菌和细菌含蛋白质50%~80%，其氨基酸组成同动物蛋白相当。

这类菌体蛋白质的生产不需要很大的场地，可以在罐内常年不分昼夜地进行立体工业化生产。

更为优越的是可以利用糖蜜、纸浆废液、木材糖化液、烃类等廉价原料，高效率地进行生产。

发酵生产氨基酸、核酸及其他产品时，回收产物后，应对大量菌体进行有效地处理，即可以避免公害，又可以回收宝贵的蛋白质，目前，均用这种菌体蛋白来强化饲料。

2、藻类及担子菌
藻类能分解有机物，净化水，并提高丰富的蛋白质副产品，因而利用藻类来生产SCP，解决蛋白质资源不足的问题。

作为粮食和饲料而大规模生产单细胞小球藻的研究，始于二次世界大战。

这种巨大的单细胞生物，在有碳酸气和阳光的最适条件下，
以数倍于高等植物的速度生长，光能的利用率达30%以上，远远超过利用率在20%以下的栽培植物。

一般采用的小球藻为椭圆小球藻和粉粒小球藻，小球藻的栽培价值很高，含有50%的蛋白质，以及10%以上的脂类和10%~20%的碳水化合物，加上维生素A1、B1、B2和C等成分，小球藻还含有未知的微生物生长促进剂，根据近几年来诞生的宇宙生物学，还实验用小球藻作为宇宙航行中的粮食。

但要进行工业大规模生产，还存在诸如生产场地较大，光合碳酸气的供给调节较难，生产率较低，生产效率差等问题。

在非洲中部的湖中自然生长的螺旋藻属中的蓝藻也引起了人们的注意。

这种藻类，蛋白质含量高，特别是富含硫氨酸，并且具有消化率高、繁殖力强、容易用普通滤布收货等优点。

另外，还有一种埃瑟尔比亚产的节螺藻属藻类，也是既有希望的蛋白质来源。

藻类主要是通过在有阳光和二氧化碳的条件,进行光合作用，而获得其生长的能量，如，糖和淀粉。

同时藻类还能利用游离氮气制成有机含氮物质。

工业上利用有机废物生产藻类的主要是利用这一特性。

微生物生产SCP，应根据微生物各自的生理特性来选定。

一般来说细菌生长速度快，蛋白质含量高，除了利用糖类外还能利用多种烃类，这些方面均优于酵母菌。

但因细菌个体小，分离困难，菌体成分中除蛋白质外，还含有毒性物质的危险，分离所得蛋白质不如酵母易于消化。

而酵母菌菌体大，易于分离、回收。

目前生产上采用酵母菌较多。

丝状真菌的优点是易于回收，质地良好，当生产速度较慢，蛋白质含量低。

藻类的缺点是它们含有纤维质的细胞壁，不易为人体消化，并
且它们具有富集重金属的问题，因而作为食品均需进行加工，已成为无毒性，适合性良好的食品。

三、生产SCP的基质
用谷物粮食和其他淀粉质原料为碳源生产酵母已用于大规模工业生产，但是这仅用于生产数量不大的面包工业和酿造工业中用作种子酵母药用酵母，但因粮食原料有限，因此无法解决发展畜牧业的蛋白质饲料问题。

甘蔗、甜菜糖厂的糖蜜或亚硫酸废液已广泛用于酵母生产。

而在利用甘蔗、咖啡等副产物、干酪乳清、各种食物废料及橘子废液生产酵母SCP方面，由于原料的供应和不易及时处理，在大规模生产上还存在一些问题。

为了提高SCP质量可采用常规的诱变和选育方法对产生菌进行改良，以提高产品质量、增加必需氨基酸的含量、使细胞壁变脆，便于人体和动物直接消化或易于细胞破碎而提取蛋白。

四、单细胞蛋白质的提取和纯化
以酵母SCP的提取为例。

细胞壁的破碎，其处理方法有：
（1）化学处理方法，包括碱与尿素处理方法等；
（2）酶处理方法，包括自溶法与细胞壁分解酶处理法等；
（3）物理处理法，包括超声波处理法、减压处理法、磨碎法等。

对于大量处理菌体，可利用的方法是磨碎包括球磨法、胶体磨法、匀浆器法等。

由于前两种方法对产品质量方面均存在一些问题。

因而匀浆法研究较多。

为提高蛋白质的纯度，需将核酸除去。

化学法抽提核酸往往会引
起蛋白质变性，因而工业生产上应用很少，酶分离法较温和，其工艺过程见图12-14.
把酵母制成10%水悬液，将核糖核酸按30mg/L的量加入冲击式细胞破碎机进行破碎，处理三次，磷的抽出量从35%增加到70%，说明酶的作用显著，分解后的核酸用膜透析法将核酸与蛋白质分离、浓缩，同时起到蛋白质分子量整齐的作用。

即通过反渗透装置，在25×105Pa压力，25℃下以OSMO-334-0膜进行超滤。

继之把分离的核酸透过液借助OSMO-334-97膜的反渗透法浓缩20倍。

经超滤浓缩的蛋白质溶液部分用盐酸调PH值达4.5等电点，得沉淀蛋白质，离心分离、丙酮脱水干燥既得酵母蛋白。

其收率为酵母所含蛋白质的55%，提取的蛋白质约80%。

回收的核酸是酵母所含核酸的49%，提取核酸的90%。

另外，为使酵母蛋白质具有兽肉所特有的食感，还要使用这种蛋白质组织化，即采用纺丝法或挤压法。

通过纺丝法是酵母蛋白组织化，与大豆蛋白具有相同的效果。

当前SCP生产的主要障碍是降级而不是技术。

甲醇用作SCP原料，1990年为1980年的3倍，如果甲醇由于新用途价格上涨，那么，以甲醇为原料的SCP的价格也会受到影响，采用常规技术有碳水化合物生产SCP在经济上并不可行。

而采用价值低的材料或废料，如木质纤维等是有发展前途的领域。

对SCP产生菌的遗传改良技术的应用，不仅可以提高SCP产量，还可以提高SCP产生菌的蛋白质含量，并可获得具有增加细胞壁粘
性，提高原料的转化率等的新菌株。