農業(yè)廢棄物發(fā)酵生產單細胞蛋白的研究進展

蔡文婷

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州510530）

農業(yè)廢棄物發(fā)酵生產單細胞蛋白的研究進展

蔡文婷

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州510530）

綜述了國內外單細胞蛋白（SCP）開發(fā)利用和用農業(yè)廢棄物生產SCP的發(fā)展與現(xiàn)狀，重點介紹了利用纖維素原料和農副加工產品廢棄物生產SCP的研究進展及面臨的問題，并對農業(yè)廢棄物生產SCP的產業(yè)化發(fā)展提出了建議。

單細胞蛋白質（SCP）；農業(yè)廢棄物；纖維素

單細胞蛋白（single cell protein，簡稱SCP），亦稱微生物蛋白或菌體蛋白。SCP所含的營養(yǎng)物質極為豐富，除含有大量蛋白質和人體必須的8種氨基酸以外，還含有多種維生素、碳水化合物、脂類等。目前人們公認SCP是最具前景的蛋白質新資源之一，對解決糧食中蛋白質不足和動物飼料等問題有重要作用[1]。與此同時，中國作為一個農業(yè)大國，每年都會產生大量的農業(yè)廢棄物（其中包含著大量的糖質、纖維素、木質素等可再生生物資源），這些物質因得不到合理利用而被焚燒或填埋，這不僅使生物質資源白白浪費，同時還造成了環(huán)境污染。在這種背景下，利用微生物將這些物質轉化為高酶活單細胞蛋白，就成為國際上令人矚目的研究課題。不僅能夠提高資源的利用效率，而且對消除環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。

1 國內外SCP開發(fā)利用概況

1.1國外SCP開發(fā)利用概況

1955年聯(lián)合國農糧組織的蛋白質咨詢組織（PAG）強調了SCP的重要性，制定了SCP的研究指導方針。隨著石油價格的逐漸增高，而且其生產的SCP往往含有致癌物質，研究人員開始逐步轉向其他的原料生產SCP。由于甲烷蘊藏量大、來源廣泛、價格低、不含致癌的稠環(huán)芳烴等雜質，一度被作為第二代石油蛋白的原料加以研究。后來人們逐漸發(fā)現(xiàn)利用甲醇、乙醇等作為SCP的生產碳源，比甲烷、石蠟和其他烷烴更具有優(yōu)勢。

然而從長遠來看，以石油、乙醇等原料生產SCP并不經濟，因為其資源有限，而且價格在不斷上漲，特別是石油中含有致癌烴類，使得其生產的SCP存在安全隱患。因此，世界各國的研究人員都逐漸轉向了利用各種有機廢棄物作為原料生產SCP的研究。在這一領域中，俄羅斯處于領先地位，他們主要利用食品工業(yè)廢水和農產品下腳料，如酒精廢液、玉米芯、棉籽殼等生產飼料酵母，年產50萬t以上。保加利亞以木材水解液和部分酒精廢液為原料，建成了兩座年產2.5萬t的SCP工廠。美國以麥秸為原料，經雙菌株固態(tài)發(fā)酵，使麥秸的蛋白質含量增至16%～18%，纖維素分解率達31%。

1.2國內SCP開發(fā)利用概況

我國自20世紀50年代末期就已經開始利用有機廢棄物生產SCP：黑龍江伊春南岔木材廠利用木材水解液生產酵母飼料，年產2 000 t。20世紀80年代中期，南方許多味精廠都籌建了年產千噸的飼料酵母車間。同時，以酒精廢液為原料生產SCP也取得了一定的進展。生產酒精的原料有兩類：一是用蜜糖做原料，二是用薯干淀粉等作原料。用蜜糖酒精廢液生產SCP，國內外已有較成熟的經驗，即用蒸餾的廢液添補蜜糖的澄清液直接培養(yǎng)飼料。廣西輕工廠與廣西紅河糖廠協(xié)作，建設了中間生產裝置，產品的蛋白質含量達42%以上。

近年來利用植物纖維素為原料生產SCP也越來越受到重視。湖南石門縣糧食局以稻殼、稻草、麥秸、玉米芯等為原料接種側耳菌，使產品纖維素含量降低，蛋白質含量提高。四川資中糖廠用纖維素酶水解蔗渣所得糖液生產單細胞蛋白，5 t蔗渣可生產1 t單細胞蛋白。

2 農業(yè)廢棄物生產SCP的發(fā)展現(xiàn)狀

為了解決食品中蛋白質不足和動物飼料問題，近年來人們逐漸將注意力轉向了利用農業(yè)廢棄物生產SCP的研究上面，這其中主要以利用植物性廢棄物和農副加工產品產生的廢棄物生產SCP為主。

2.1利用木質纖維原料生產轉化SCP

2.1.1木質纖維原料的化學組成

植物性廢棄物中含有大量的木質纖維素，其是植物界中僅次于纖維素的最豐富和最重要的有機高聚物，其基本結構單元是苯基丙烷，靠多種共鍵連接形成一種不溶性的、異質的、無光學活性的、無規(guī)則的、如晶體的、高度分支的三維空間結構的高分子聚合物。木質素以一種物理屏障存在，包圍纖維素，成為外圍莖質，保護纖維素免遭微生物及酶的攻擊，成為許多工業(yè)化過程中有效利用纖維素的一個障礙[2]。

2.1.2木質纖維原料生產轉化SCP的工藝技術

利用木質生物質資源生產單細胞蛋白的方法有3種：第一種是先將原料經纖維素酶、半纖維素酶等糖化后，再用酵母等微生物生產SCP；第二種是直接利用纖維素和半纖維素分解菌和酵母菌同時糖化發(fā)酵菌體轉化成SCP，包括液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵；第三種是利用纖維素半纖維素水解液生產單細胞蛋白。

陳彥等人[3]研究了不同無機酸水解玉米芯的還原糖得率和培養(yǎng)所得SCP量綜合考慮催化活性、糖得率和水解糖的質量，最后選定稀H2SO4作為水解酸。酸解法條件劇烈，會生成糠醛等有毒的分解產物，而且成本高，對設備有腐蝕作用，所以不宜在發(fā)酵工業(yè)上使用。

Cara C等人比較了蒸汽爆裂法與堿處理法對木質纖維素的預處理能力，實驗發(fā)現(xiàn)：氫氧化鈉雖有較強的脫木質素和降低結晶度的能力，但在脫木質素的同時，半纖維素也被分解，致使損失太多，同時還存在試劑的回收、中和、洗滌等問題。

在利用木質纖維素生產SCP時，除了預處理這一關鍵步驟以外，混合菌株的發(fā)酵也是關鍵。馬旭光等人[4]利用經航天誘變篩選的高產纖維素酶活菌株黑曲霉ZM-8和高生物積累量的啤酒酵母YB-6，采用混菌固態(tài)發(fā)酵方式，研究了啤酒酵母YB-6的接種量、接種時間、黑曲霉ZM-8和啤酒酵母YB-6共生發(fā)酵時間等因素，在玉米秸稈為主要原料的培養(yǎng)基中對黑曲霉ZM-8產纖維素酶活和發(fā)酵產物中單細胞蛋白（SCP）含量的影響。

在利用植物性廢棄物生產SCP時，國內主要集中在對秸稈的研究，而國外以稻草生產SCP的研究較多，但無論用哪種原料，當前人們面對的問題還是集中在原料的預處理與利用生物技術培養(yǎng)高效、高產的混合菌株兩個主要方面，因此這兩個方面也將是今后木質纖維素生產SCP的研究重點。

2.2利用農副產品加工剩余物生產轉化SCP

我國是產橘大國，柑橘加工后廢渣占果實質量的25%～50%，但我國對柑橘廢渣利用較少，多作為廢棄物處理。以柑橘廢渣為原料，利用微生物發(fā)酵生產蛋白飼料，對解決我國蛋白飼料資源短缺、提高水果種植及加工效益、減少環(huán)境污染均有重要的意義。近年來，吳厚玖等[5]對柑橘廢渣發(fā)酵飼料用菌種、化學成分、喂養(yǎng)效果等進行了初步研究；王偉軍等[6]通過3，5-二硝基水楊酸法測定蘋果渣中含3.02 g/100 g還原糖，直接稱量法測定蘋果渣中的水分含量為83.97%。對比分析酒精酵母、面包酵母、野生酵母等發(fā)酵菌種，確定相同條件下酒精酵母單細胞蛋白產量最多。

廢糖蜜是糖廠的副產物，具有產量大、含糖量高的特點，其中含有大量酵母可以利用的可發(fā)酵性糖。因此，廢糖蜜是一種可以被利用生產SCP的資源。Lee Bum-Kyu和Shojaosadati Seyed Abbas也分別對廢糖蜜轉化SCP進行了研究，前者通過不同的培養(yǎng)方式生產產阮假絲酵母，發(fā)現(xiàn)給料分批培養(yǎng)方式最好，得到的細胞產率和生產率分別為0.51 g/g底物和1.95 g/L·h-1，生產成本US$2.76/kg干細胞，低于商品酵母的售價，也低于藻類和光合細菌的生產成本。除利用果渣、廢蜜糖生產轉化SCP以外，也有研究人員對利用淀粉、奶酪副產物生產SCP進行了研究。Paul Deepen在乳制品副產物中添加0.8%磷酸氫二銨和10×10-6的吲哚-3-乙酸發(fā)酵生產脆皮酵母，產品粗蛋白含量達到37%，總核酸為48.2%，不在毒性范圍。

3 農業(yè)廢棄物生產SCP所面臨的問題

近年來，盡管利用農業(yè)廢棄物生產SCP取得了很大進展，很多國家也都相繼投入了工業(yè)化生產，但該技術在大規(guī)模商業(yè)生產中仍存在一些關鍵性問題，主要分為以下3個方面。

（1）技術可行性。在實際應用中，由于植物材料中纖維素微晶結構的存在和半纖維素——木質素層對纖維素的包圍與粘合作用，水分難以滲入，纖維素酶不能與基質充分接觸，作用緩慢，影響了纖維素的酶解率和菌體蛋白轉化率。秸稈利用研究中用以生產的單一菌種的酶系不全，活性低、降解效果不理想及易受降解產物阻遏的原因，使得此項技術還處于研究過程之中。提高菌種酶產量、活力和穩(wěn)定性，改變纖維材料的結構，提高對酶的敏感性，設計合理的發(fā)酵工藝路線，是木質纖維原料生產轉化SCP研究中的重點內容。

（2）SCP安全性。利用纖維質原料生產SCP時，若采用酸法水解，由于條件較劇烈，會產生糠醛等有毒物質，此外農副產品加工剩余物中也含有農藥殘余物以及有害病原菌，因此在利用農業(yè)廢棄物生產食用蛋白質及動物飼料時，這是必須要注意的問題。

（3）經濟性。盡管利用農業(yè)廢棄物能夠降低生產成本，特別是對于農副加工產品行業(yè)不僅能夠提高產品附加值，而且有效地減少了環(huán)境污染，但是對于纖維質原料來說，其質輕、松散、占地大，給運輸和貯存帶來很大困難，因此必須全面地開發(fā)單細胞蛋白質服務中心，提供原料供應、產品生產、市場銷售、飼喂形成網絡化、一體化的服務，才能真正的節(jié)省成本。

[1]彭志英.食品生物技術[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2001．

[2]梁新紅，常景玲.作物秸桿生產單細胞蛋白的研究概況[J].山西食品工業(yè)，2003(3)：5-7.

[3]陳彥，林曉艷，尹淑媛.制備單細胞蛋白的玉米芯原料酸水解催化劑選擇與多目標優(yōu)化[J].化學研究與應用，2004，16(5)：703-704.

[4]馬旭光，張宗舟.混菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈生產單細胞蛋白的研究[J].中國釀造，2010(214)：26-28.

[5]吳厚玖，孫志高，王華.試論我國柑桔加工業(yè)發(fā)展方向[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2006(4)：85-89.

[6]王偉軍，李延華，張?zhí)m威，等.利用蘋果渣生產單細胞蛋白的研究[J].中國釀造，2008(197)：55-57.

《中國城市生活垃圾管理狀況評估報告》發(fā)布

我國城市生活垃圾清運量大且增長快速，從1979年的2 508萬t增長至2012年的17 081萬t，增加了6.8倍，已成為我國可持續(xù)發(fā)展的重要障礙。

《中國城市生活垃圾管理狀況評估報告》(以下簡稱《報告》)日前發(fā)布?！?012年，我國城市生活垃圾無害化處理率(考慮市轄區(qū)的農村部分)僅為62.02%，城市人均生活垃圾日清運量為1.12 kg，生活垃圾簡單填埋量為814.1萬t，占垃圾清運量的6.59%……”《報告》中的這些數(shù)據表明，我國城市生活垃圾管理現(xiàn)狀堪憂。

據悉，《報告》是由中國人民大學國家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院完成。利用2006—2012年公開的統(tǒng)計數(shù)據，結合案例調查，從無害化、減量化、資源化、無害化前提下的低成本化4個角度評估了全國地級及以上城市的生活垃圾管理效果，并提出改進城市生活垃圾管理要從源頭分類抓起，同時要加快信息公開的步伐。

The progress of fermentation of single cell protein（SCP）by agricultural residue

CAI Wenting
（Patent Examination Center of Guangdong Province,Guangzhou 510530,China）

The application and development trend of producing single cell protein home and abroad were introduced. The importance of producing single cell protein from agricultural residue was discussed,which included the progress of fermentation of single cell protein(SCP)by cellulose material and agricultural by-products.It also discussed the problems existing in the production of SCP and the application prospect.

single cell protein;agricultural residue;cellulose

X712

A

1674-0912（2015）05-0038-03

2015-03-09）

蔡文婷（1986-），女，寧夏銀川人，碩士研究生，研究實習員，專業(yè)方向：水處理研究。