乳酸菌菌體蛋白的開發(fā)與應(yīng)用

康素花

（天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741300）

蛋白質(zhì)是維持機體生命的基本物質(zhì)，是人類正常生長所必需的成分。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，人類對蛋白質(zhì)尤其是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的需求越來越多。而僅僅依靠傳統(tǒng)的動植物蛋白來源已經(jīng)無法滿足人類的需求。菌體蛋白又稱微生物蛋白，是真菌、細菌、微型藻等單細胞生物和具有簡單結(jié)構(gòu)的多細胞生物在適宜的條件下，吸收利用各種機質(zhì)和養(yǎng)分培養(yǎng)得到的，是一種重要的蛋白質(zhì)資源。乳酸菌菌體蛋白因具有生產(chǎn)周期短，不受氣候條件限制，氨基酸種類齊全，生產(chǎn)原料來源廣泛且利用率高于常規(guī)蛋白源等諸多優(yōu)點而備受人們的關(guān)注。同時，天然防腐劑乳酸鏈球菌素、西北特色酸菜以及工業(yè)乳酸等乳酸發(fā)酵產(chǎn)品的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)逐年增加的同時，產(chǎn)生了巨大的乳酸菌廢料。充分利用這些下腳料不僅可以達到變廢為寶的目的，而且可減少環(huán)境污染。目前利用食品發(fā)酵行業(yè)排放的有機廢液、非食用資源和廢棄資源（如農(nóng)副產(chǎn)品下腳料和工業(yè)廢棄物等）開發(fā)微生物菌體蛋白，已經(jīng)成為補充傳統(tǒng)動、植物蛋白來源不足的一條重要途徑，意義十分重大[1]?？茖W(xué)研究表明，用菌體蛋白代替畜禽飼養(yǎng)中一定比例的植物蛋白對畜禽生長性能并無明顯的影響，因此菌體蛋白日益受到人們的青睞[2-5]。

1 菌體蛋白的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

菌體蛋白的生產(chǎn)已有了近百年的歷史，在第一次世界大戰(zhàn)期間，德國的科學(xué)家就提出了大量培養(yǎng)微生物來補充人和動物的蛋白來源以解決食物短缺問題，并付諸實踐。他們研制成功了大規(guī)模培養(yǎng)酵母以生產(chǎn)蛋白質(zhì)的方法，創(chuàng)造出了營養(yǎng)豐富、味道鮮美的“人造肉”，開創(chuàng)了利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)造福于人類的先例。1966年，在麻省理工學(xué)院召開的一次會議上，專家學(xué)者第一次提出了菌體蛋白的概念[6]。從20世紀60～70年代開始，許多國家都開始生產(chǎn)菌體蛋白。1968年英國開始生產(chǎn)菌體蛋白，20世紀80年代初期，美國、日本、加拿大、法國等國家陸續(xù)開始了菌體蛋白生產(chǎn)的研究。20世紀80年代中期，全世界菌體蛋白的年產(chǎn)量已達到2.0×106t，并廣泛用于食品加工和飼料中[7-8]。隨著畜牧水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，飼料中所需要的蛋白質(zhì)越來越缺乏，因此，世界上許多國家都已建立了菌體蛋白產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，我國養(yǎng)殖業(yè)在最近30年以來的增率均＞9%，飼料蛋白資源短缺問題越來越嚴重[9]。目前，全世界菌體蛋白的總產(chǎn)量約250萬t，我國僅有50多個生產(chǎn)廠家，且生產(chǎn)規(guī)模都較小，最大生產(chǎn)企業(yè)的年產(chǎn)量也僅1.2萬t，全國總產(chǎn)量3萬t[10]，并均用于飼料蛋白。

我國耕地少、人口多，糧食供應(yīng)緊張，菌體蛋白因其原料大多為可再生的植物資源，資源數(shù)量多，因此很有前途。同時，菌體蛋白的生產(chǎn)不會污染環(huán)境，不受土地氣候的限制，全年均可生產(chǎn)。我國豐富的農(nóng)作物秸稈等纖維素資源也為開發(fā)菌體蛋白提供了廣泛的原料來源。因此，我國菌體蛋白具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

我國菌體蛋白的開發(fā)還處于起步階段，目前尚需解決的問題還很多，如高效菌種的選育、研究深度、可靠的技術(shù)指導(dǎo)和菌體蛋白產(chǎn)品質(zhì)量檢測標準及食用效果等都有待進一步研究。

2 乳酸菌菌體蛋白的特點

人們最早用于生產(chǎn)菌體蛋白的微生物是酵母菌。相對于乳酸菌而言，酵母菌的生長相對比較緩慢，其蛋白質(zhì)含量亦不如乳酸菌菌體細胞中的蛋白質(zhì)含量高，產(chǎn)品也不易被公眾所接受。同時，生產(chǎn)出的菌體蛋白主要用于飼料的粗蛋白，一些常規(guī)的分離提純技術(shù)不能滿足人們對其安全性的需要。近年來，各國專家開始致力于利用乳酸菌來生產(chǎn)菌體蛋白，由乳酸菌生產(chǎn)的菌體蛋白，其氨基酸利用率高于常規(guī)蛋白源[11]。乳酸菌具有快速的繁殖率和穩(wěn)定的菌種性能，幾十分鐘就可繁殖一代，菌株合成蛋白能力強，其合成蛋白的速度比植物快500多倍，比動物快2 500多倍，可以獲得大量菌體蛋白。乳酸菌生產(chǎn)的菌體粗蛋白＞80%，富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，除賴氨酸、蘇氨酸、亮氨酸等人體必需氨基酸含量高之外，其含硫氨基酸的含量也較高，并且無毒無致病性。乳酸菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乳酸可以增加產(chǎn)品的適口性，且耐酸性較好，在pH 3.0的酸性環(huán)境中也能生長繁殖，還能夠以營養(yǎng)成分復(fù)雜的農(nóng)副產(chǎn)品廢渣和工業(yè)廢料作為營養(yǎng)源[12]。乳酸菌是厭氧性微生物，在生產(chǎn)菌體蛋白的工藝流程中減少了無菌空氣的制備環(huán)節(jié)，從而降低了生產(chǎn)成本，因此研究乳酸菌菌體蛋白已成為目前研究菌體蛋白的一大亮點。

3 乳酸菌菌體蛋白的營養(yǎng)價值及其存在的主要問題

據(jù)統(tǒng)計，我國蛋白質(zhì)資源已嚴重缺乏，缺口已達1 500萬t左右，每年從美國進口大量的大豆粕、大豆及魚粉等，花費巨大，使飼料行業(yè)的成本升高[12-13]。菌體蛋白氨基酸組成齊全，含有動物機體所必需的各種氨基酸，其中除了組氨酸是其限制性氨基酸，精氨酸、蛋氨酸含量不足之外，植物飼料中缺乏的賴氨酸等人體必需氨基酸含量比較高。因此，可以作為營養(yǎng)強化劑添加到食品中，補充許多食品中所需的蛋白質(zhì)，以提高各種食品的蛋白質(zhì)生物價。而以乳酸菌菌體蛋白來說，乳酸菌本身具有增進細胞活性、促進血液循環(huán)、強心活血，提高人體抵抗力和免疫力等多種作用。其菌體蛋白更是含有較高的蛋氨酸和外源性消化酶，以及一些未知的生長因子，可以促進動物和人體的消化吸收功能，提高機體免疫功能[14]。研究發(fā)現(xiàn)，畜禽飼養(yǎng)中菌體蛋白替代一定比例的豆粕或魚粉對畜禽生產(chǎn)性能、飼料利用率、肉質(zhì)均無影響[3，15]。趙葉[16]通過菌體蛋白在生長肥育豬上的應(yīng)用效果，研究了菌體蛋白的安全性以及營養(yǎng)價值。結(jié)果表明，菌體蛋白飼料適口性好、安全、無毒副作用，是一種接近于全效價的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼料，可以廣泛應(yīng)用于配制畜禽的配合飼料。沈沾紅等[17]研究了菌體蛋白對肉雞生長性能、腸道生理的影響，結(jié)果表明，菌體蛋白與豆粕和魚粉相比，對肉雞的生長性能無顯著影響，因此可以很好的代替豆粕和魚粉，作為肉雞的飼料蛋白源。

然而任何一種新型食品原料的問世，都會產(chǎn)生可接受性、安全性等問題。乳酸菌菌體蛋白也不例外。乳酸菌在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生非蛋白氮，不利于動物消化吸收。同時，菌體蛋白中含有核酸，而人體和大多數(shù)動物均無法直接分解核酸。其次，為了培育出高產(chǎn)乳酸菌的菌株，轉(zhuǎn)基因技術(shù)有時會被用于乳酸菌菌株的培育，而轉(zhuǎn)基因飼料的安全與否目前還沒有得到證實。最后，重金屬污染、有害微生物以及氫氰酸也是乳酸菌菌體蛋白的一大安全隱患。為此有以下幾點需要注意：第一，為保證產(chǎn)品的安全性，關(guān)鍵是要做好對菌種的監(jiān)控和蛋白基質(zhì)的選擇[14]。防止生產(chǎn)過程中有害微生物的殘留，可以在其生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入HACCP體系進行監(jiān)控。如果是轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育的菌株，更要進一步研究其安全性，避免其潛在危害。第二，菌體蛋白中的非蛋白氮影響動物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，對動物的健康產(chǎn)生不利影響。同時，非蛋白氮還會引起腸道氨濃度升高，導(dǎo)致腸道酸度降低，加快腸道黏膜更新速度，增加需氧量等一系列不良變化，甚至引起腹水癥，導(dǎo)致動物肝臟腫大而最終死亡[18-19]。第三，隨著菌體蛋白攝入量的增多，體內(nèi)核酸含量會逐漸增加，從而增加了動物尿液尿囊素和尿酸，以及黃嘌呤的排泄量。第四，微生物的細胞壁也會對動物消化酶有一定的影響。如細胞中有難于消化的類脂—細胞膜以及一些不能被消化的物質(zhì)（如甘露糖等），會直接影響蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收；乳酸菌菌體蛋白的核酸含量為10%～18%，核酸對魚類影響不大，因為大多數(shù)魚類機體內(nèi)含有高含量的肝臟核酸酶，其可以催化核酸代謝的有毒產(chǎn)物降解為二氧化碳和尿素。然而，人體內(nèi)核酸酶很低，大多數(shù)動物和人分解代謝核酸的能力有限，核酸的大量攝入會抑制動物和人的生長、引起痛風(fēng)等疾病。食用過多的核酸還會使血漿和尿液中尿酸含量過高，尿酸積累在關(guān)節(jié)和軟組織中會形成結(jié)石。因此，要解決這些問題，就要對菌體蛋白做進一步的分離純化處理，消除其安全隱患，使其能夠滿足不同的需求，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

4 乳酸菌菌體蛋白的提取與純化

目前常用的提取菌體蛋白的方法有高速離心分離法、超濾膜法、加熱沉淀法、絮凝沉淀法和氣泡捕集法等[20-24]。但以上方法均需要一些比較復(fù)雜的設(shè)備，投入較大，且烘干過程中能源消耗也較大，因此，需要研究更有效的分離技術(shù)和更為節(jié)能的干燥方法，尋找出一條低投入高產(chǎn)出的技術(shù)方案，在降低成本，節(jié)約能源的同時進一步拓大應(yīng)用領(lǐng)域[25]。

乳酸菌菌體易于收獲，收獲的方法主要是離心分離，再經(jīng)洗滌除去培養(yǎng)基就可獲得。目前大多數(shù)的菌體蛋白均是通過離心收集菌體，再經(jīng)過洗滌、干燥后，以全細胞形式作為飼料蛋白源來銷售的。從發(fā)酵廢液中提取菌體蛋白，普遍是在發(fā)酵液中加入絮凝劑，將pH值調(diào)至等電點而提取出單細胞蛋白。這種菌體蛋白不是一種單一的蛋白質(zhì)，是由蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸、礦物質(zhì)、維生素等多種混合物組成的細胞質(zhì)團[26-29]，僅可用于替代部分的畜禽飼料，而作為人類食品消費的菌體蛋白需要將細胞中的蛋白分離出來，并進行純化，以除去核酸等對人體有害的成分。因此，有企業(yè)通過進一步的純化分離來開發(fā)更高價值的副產(chǎn)品。同時，菌體中含有的大量細胞壁和細胞膜將營養(yǎng)物質(zhì)包裹著，動物淀粉酶也不能分解細胞壁肽聚糖，降低了營養(yǎng)物的消化吸收，使得氮的消化率下降[16，30]。這就需要破碎其細胞壁，將細胞壁溶解為蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)，再經(jīng)分離純化獲得更為安全的純蛋白質(zhì)供人們食用。破壁處理除了使細胞壁破裂外，還可以增大內(nèi)膜膜孔徑，從而使細胞的通透性增強，提高蛋白質(zhì)的提取率[31]。生產(chǎn)中常將幾種破壁方法聯(lián)用以提高破壁率，進而提高蛋白提取率。

現(xiàn)在企業(yè)水解菌體蛋白的方法主要是化學(xué)法和酶水解法?；瘜W(xué)法是利用酸堿水解蛋白質(zhì)，此法雖然簡單方便，但反應(yīng)條件和污染均劇烈，因而不能廣泛的應(yīng)用。酶水解法則是利用蛋白酶可特異性水解蛋白質(zhì)而水解菌體蛋白，此法反應(yīng)條件溫和且易控制，破壞性小，能耗低，副反應(yīng)少，能對菌體蛋白的附加值實現(xiàn)較大的提升[32]。趙春燕等[33]以乳酸菌菌體蛋白為原料，經(jīng)稀酸預(yù)處理，采用酶水解獲得了復(fù)合菌體蛋白水解液。并采用響應(yīng)面試驗確定最佳酶解條件為酶解pH 7.7、溫度52 ℃、加酶量3%、水解1.7 h，此條件下的菌體蛋白得率約為50%。為開發(fā)菌體蛋白，用于食品生產(chǎn)，提供了依據(jù)。

5 菌體蛋白的開發(fā)前景及應(yīng)用

當(dāng)今世界，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，加快了畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，促使蛋白質(zhì)資源變得越來越緊張。據(jù)有關(guān)專家分析，在未來十年間，我國飼料蛋白質(zhì)資源需要量將增至0.72億t，而資源供給量僅0.24億t，缺口達0.48億t[34]。因此，開發(fā)非常規(guī)蛋白資源，尋找飼料蛋白資源替代品成了緩解蛋白飼料資源不足，降低畜禽飼養(yǎng)成本，提高經(jīng)濟效益的一條重要途徑，而菌體蛋白就可以作為非常規(guī)蛋白資源的重要來源來開發(fā)利用。劉壘等[35-37]分別探討了菌體蛋白替代大豆粕作為蛋白原料對于豬的影響，以及日糧中添加菌體蛋白對奶牛生產(chǎn)性能和雞代謝能力的影響，結(jié)果表明，用菌體蛋白喂養(yǎng)的豬與大豆粕喂養(yǎng)的豬飼養(yǎng)效果一樣。在奶牛和雞日糧中添加菌體蛋白對牛奶的品質(zhì)和雞的代謝能力影響不大。因此，菌體蛋白不僅可以降低飼料成本，又可以緩解當(dāng)前飼料蛋白質(zhì)資源短缺。菌體蛋白的生產(chǎn)不受季節(jié)氣候的制約；原料來源廣泛，生產(chǎn)周期短、效率高。我國是食物結(jié)構(gòu)以植物蛋白為主的農(nóng)業(yè)大國，攝入動物蛋白的數(shù)量與歐美國家相差懸殊，而純化后的菌體蛋白與肉類食品一樣具有人體必需的8種氨基酸，因此，作為一種高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，其的開發(fā)與生產(chǎn)改善了人們的食品結(jié)構(gòu)，滿足了人們對飲食既要追求飽又追求好的要求，提高了人民的體質(zhì)，為解決人類食品問題開辟了新的途徑，因此菌體蛋白的研究開發(fā)具有十分重要的意義[38-39]。

菌體蛋白作為一種比較尖端的科技產(chǎn)品，尤其在我國還不成熟，發(fā)展前景更為廣闊[11]。采用特定的蛋白酶和方法提取純化菌體蛋白，獲得高附加值的產(chǎn)品，不僅可以服務(wù)人類還可以降低環(huán)境污染。

菌體蛋白具有十分廣泛的應(yīng)用，作為動物飼料，可以提高肉、蛋、奶產(chǎn)量；含賴氨酸高的少量菌體蛋白加入到各類面食制品中，可以提高植物蛋白的生物價；添加到飲料中可以強化蛋白質(zhì)營養(yǎng)，增加飲品強度；菌體蛋白具有抗氧化能力，可以延緩食物氧化變質(zhì)，因而常用于嬰幼兒奶粉中。此外，除了提供蛋白外，菌體蛋白還可改善食品的一些物理特性，如加入烘餅中提高餅的延展性；未除去細胞壁的全細胞菌體蛋白具有良好的持水力，其細胞壁部分在使食品膨脹方面具有重要作用[40]。更為重要的是，科學(xué)研究表明，細菌蛋白具有對抗癌癥細胞的作用，這為細菌蛋白的開發(fā)利用提供了一條新途徑[25]。其中乳酸菌因其快速的繁殖率、穩(wěn)定的菌種性能、高蛋白合成率、適口性、繁殖不需氧，節(jié)約了生產(chǎn)成本，以及其無毒無致病性等顯著優(yōu)點而受到人們的青睞，成為研究細菌菌體蛋白的重要菌種，為生產(chǎn)新一代菌體蛋白開辟了新的途徑。

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