單細(xì)胞蛋白及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

郭小鵬 劉濤 徐慧 劉鑫 徐海濤

單細(xì)胞蛋白（Single cell protein 簡(jiǎn)稱SCP）是指從酵母或細(xì)菌等微生物中獲取的蛋白質(zhì)。酵母菌體中單細(xì)胞蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干物質(zhì)的45 %～55 %；細(xì)菌蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的60%～80 %；單細(xì)胞藻類如小球藻等蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的55 %～60 %；霉菌菌絲體蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的30 %～50 %。此外，微生物細(xì)胞中含有豐富的碳水化合物及脂類、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以微生物菌體可以作為食品和飼料的原料。

單細(xì)胞蛋白的種類和特點(diǎn)

真菌蛋白。（1）酵母蛋白。①菌種：酵母屬中絕大多數(shù)菌種都能夠用來(lái)生產(chǎn)SCP，主要包括：酵母屬、假絲酵母屬、球擬酵母屬、紅酵母屬、圓酵母屬等。②特點(diǎn)：酵母屬的特點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)豐富。如粗蛋白質(zhì)45%～60%含有幾乎所有的必需氨基酸，尤其是賴氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸等含量高，其中賴氨酸5%～7%，蛋氨酸+胱氨酸2%～3%，還含有豐富的VB1、Vnz、Ve6、VB12和泛酸、煙酸、糖類等。（2）其他真菌蛋白。①菌種：地霉屬、根霉屬、木霉屬、曲霉屬、鐮刀菌屬和傘菌目的霉菌等。②特點(diǎn)：營(yíng)養(yǎng)價(jià)值接近酵母蛋白，但沒有酵母蛋白口感好和安全性高，大規(guī)模生產(chǎn)受到限制。

藻類蛋白。（1）藻類種類：主要有小球藻屬、柵列藻屬和螺旋藻屬等。其中研究、利用最多的是螺旋藻。（2）特點(diǎn)：小球藻為綠藻門自養(yǎng)型單細(xì)胞藻類，是第一種人工培養(yǎng)的微藻。小球藻富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖、食用纖維、維生素、微量元素和活性代謝產(chǎn)物，具有很好的保健和藥理作用。

細(xì)菌蛋白。（1）菌種：常見的有甲烷極毛桿菌屬、氫極毛桿菌屬以及放線菌屬中的分枝桿菌、小球菌、甲基極毛桿菌等非病原性細(xì)菌和光合細(xì)菌。目前，生產(chǎn)細(xì)菌蛋白的菌種主要以光合細(xì)菌為主，包括似真細(xì)菌的紅螺細(xì)菌、綠硫細(xì)菌、著色細(xì)菌及似藻的藍(lán)細(xì)菌。（2）特點(diǎn)：光合細(xì)菌能進(jìn)行光合作用，營(yíng)養(yǎng)豐富，含有60%以上的蛋白質(zhì)以及多種維生素，特別是維生素B2、葉酸、生物素的含量是酵母的幾十倍。此外，含有生物活性物質(zhì)，如輔酸Q10、抗病毒物質(zhì)及促生長(zhǎng)因子等。

單細(xì)胞蛋白的生物特性

營(yíng)養(yǎng)豐富。與黃豆粉相比，蛋白質(zhì)含量高達(dá)15%，而可利用氮比大豆高20%，如添加蛋氨酸則可利用氮達(dá)95% 以上。

原料廉價(jià)廣泛。利用原料廣可就地取材，廉價(jià)大量地解決原料問題。生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的原料來(lái)源極為廣泛，一般分為四類：一是糖質(zhì)原料，如淀粉或纖維素的水解液、亞硫酸紙漿廢液、制糖的廢蜜等；二是石油原料，如柴油、正烷烴、天然氣等；三是石油化工產(chǎn)品，如醋酸、甲醇、乙醇等；四是氫氣和碳酸氣。最有前途的原料是可再生的植物資源，如農(nóng)林加工產(chǎn)品的下腳料、食品工廠的廢水下腳料等。

生產(chǎn)效率高。一般蛋白質(zhì)生產(chǎn)速度同豬、牛、羊等體重的倍增時(shí)間成正比。微生物的倍增時(shí)間比牛、豬、雞等快千萬(wàn)倍，如細(xì)菌、酵母菌的倍增時(shí)間為20～120h，霉菌和綠藻類為2～6h，植物1～2周，牛1～2個(gè)月，豬4～6周。

勞動(dòng)生產(chǎn)率高。生產(chǎn)不受季節(jié)氣候的制約，易于人工控制，同時(shí)由于在大型發(fā)酵罐中立體式培養(yǎng)占地面積少。如年產(chǎn)10萬(wàn)t SCP工廠，以酵母計(jì)，按含蛋白質(zhì)45%計(jì)算，一年所產(chǎn)蛋白質(zhì)為45000t。一畝大豆按畝產(chǎn)200kg計(jì)，含蛋白質(zhì)40%，則一年為80kg蛋白質(zhì)。所以，一個(gè)SCP工廠所產(chǎn)蛋白質(zhì)相當(dāng)于562500畝土地所產(chǎn)的大豆。

安全性與營(yíng)養(yǎng)性評(píng)價(jià)

SCP作為飼料蛋白，已被廣泛應(yīng)用。但作為人類食品，其安全性與營(yíng)養(yǎng)性必需進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)價(jià)。首先是安全性的問題，聯(lián)合國(guó)蛋白質(zhì)咨詢組對(duì)SCP的安全性評(píng)價(jià)作出一系列的規(guī)定：生產(chǎn)用的菌株不是病源菌、不產(chǎn)生毒素；生產(chǎn)原料的要求，石油原料中多環(huán)芳香族烴含量低；農(nóng)產(chǎn)品來(lái)源的原料中重金屬與農(nóng)藥的殘留進(jìn)行測(cè)定，含量較少，不能超過要求；培養(yǎng)條件及產(chǎn)品處理中，無(wú)污染，無(wú)溶劑殘留和熱損害；最終產(chǎn)品中應(yīng)無(wú)病原菌，無(wú)活細(xì)胞，無(wú)原料和溶劑殘留。最終產(chǎn)品必須進(jìn)行白鼠的毒性試驗(yàn)和兩年的致癌試驗(yàn)；還要進(jìn)行遺傳、哺乳、致畸及變異效應(yīng)試驗(yàn)。這些試驗(yàn)通過以后，還要作人的臨床試驗(yàn)，測(cè)定SCP對(duì)人的可接受性和耐受性。

第二個(gè)SCP評(píng)價(jià)即營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)。從SCP的化學(xué)成分，特別是從氨基酸組成，可以得到營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的信息。從其氨基酸組成看，在微生物蛋白質(zhì)中除含硫氨基酸不足，如蛋氨酸低以外，能基本保持平衡，賴氨酸等含量較多。

對(duì)SCP的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，除根據(jù)化學(xué)分析數(shù)據(jù)外，最終評(píng)價(jià)取決于生物測(cè)定。生物測(cè)定有兩種評(píng)價(jià)方法，即生長(zhǎng)法和氮平衡法。生長(zhǎng)法是測(cè)定蛋白質(zhì)效率比（PER） 。其定義是，生長(zhǎng)中動(dòng)物每攝入一單位重量的蛋白質(zhì)所獲得的體重。以酪蛋白蛋白質(zhì)效率為2.5作對(duì)照。氮平衡法是確定蛋白質(zhì)的生物價(jià)（BV）。生物價(jià)是指被生物吸收的蛋白質(zhì)，與留在動(dòng)物體內(nèi)供生長(zhǎng)和維持生命部分的比例。BV值高反映蛋白質(zhì)質(zhì)量高。SCP的維生素B2、B6、β-胡蘿卜素、麥角甾葸醇含量豐富。磷和鉀含量豐富，鈣較少。補(bǔ)充蛋氨酸，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值顯著提高。酵母蛋白中賴氨酸較多，用食用酵母作補(bǔ)充物，可將面粉、玉米谷物蛋白質(zhì)的生物價(jià)提高。J .arguin報(bào)告，在面粉中補(bǔ)充圓酵母10 %，可使蛋白質(zhì)效率比值從0.82 提高到2.31。

SCP作為人類食品核酸含量高是有害的。細(xì)菌細(xì)胞中核酸含10 %～18 %；酵母（干基） 約6 %～11 %，與其相比，肉只有2 %。人從飲食中攝入核酸多，造成血液中尿酸含量上升。由于尿酸在生理PH條件下是微溶的，它會(huì)在關(guān)節(jié)上沉淀或析出晶體，造成痛風(fēng)或風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。由于在尿中含量大于溶解度，會(huì)在泌尿系統(tǒng)中沉積成結(jié)石。人從食品攝入的核酸含量安全水準(zhǔn)為每日2g。所以SCP 作為人類食品的蛋白質(zhì)源，必須降低核酸的含量。

在食品加工中的用途

大批量的SCP是以全細(xì)胞形式消費(fèi)的，而且是用作飼料蛋白源。作為人的食品消費(fèi)的SCP，限于酵母菌和假絲酵母菌。SCP以全細(xì)胞形式供人類消費(fèi)的幾個(gè)方面：

提高植物蛋白的生物價(jià)或蛋白質(zhì)功能。用補(bǔ)充含賴氨酸高的SCP可提高植物蛋白的生物價(jià)或蛋白質(zhì)功能?？扇我膺x擇使用醇酒酵母，脆壁酵母、產(chǎn)脘假絲酵母這三種食用酵母，加到各類面包中，用量為面粉重量的2 % ，黑面包中假絲酵母用量已達(dá)到5 %。在早餐用谷物產(chǎn)品、罐裝嬰兒食品和老人食品中，通常實(shí)用酵母用量為2 %。也有一些商品添加2 %～3%的干酵母。

提高維生素和礦物質(zhì)含量。已用于補(bǔ)充許多食物（包括通心粉、面條） 中所需全部或部分維生素和礦物質(zhì)。每磅的限量是硫胺素4～5mg，核黃素1.7～2.2mg，尼克酸27～ 34mg，維生素D250～1000USP單位，鐵13.0～16. 5mg，鈣500～625mg。

提高物理性能。SCP細(xì)胞還可用于改進(jìn)食品的物理性能。例如：把活性干酵母加入意大利烘餅中提高其延薄性能，把食用酵母以1 %～3 %比例加入肉類加工制品中以提高肉、水、脂肪的結(jié)合性能。Lindblom曾說明，破碎的酵母細(xì)胞持水容量為每g細(xì)胞3.0 ～3.5ml。在細(xì)胞壁碎片除去后，SCP濃縮物的持水容量降至1.5ml/ g。因此，可以設(shè)想細(xì)胞壁部分在使食品膨脹方面起重要作用。

可作為食品添加劑。酵母的濃縮蛋白質(zhì)比未經(jīng)處理的SCP細(xì)胞，具有顯著的鮮味，已被廣泛作為湯料、肉汁等食品的增鮮劑。酵母菌質(zhì)壁分離物已作焙烤食品的增香劑。組織化濃縮蛋白是經(jīng)過組織化處理，產(chǎn)物具有咀嚼性、松脆性，在水中無(wú)分散性。據(jù)Akin報(bào)告組織化處理為：酵母的細(xì)胞首先用表面活性劑（如硫酸月桂酸鈉）處理，促進(jìn)細(xì)胞成分的部分滲出，殘余的細(xì)胞碎片用膠凝劑（如氫氧化鈉） 處理，然后用鹽酸或其它酸使蛋白質(zhì)沉淀，導(dǎo)致組織形成。組織化面包酵母以30%的量加入牛肉餡餅中，以15 %的量加入牛肉香腸中，以3 %～10%的比例用于制特種面包、餅干、牛奶軟糖、巧克力餅干中，提高食品的風(fēng)味。

前景展望

當(dāng)代世界的五大問題是人口、食物、資源、環(huán)境和能源問題，特別是食物和環(huán)境問題越來(lái)越引起社會(huì)的關(guān)注。生產(chǎn)SCP一方面可以利用各種廢棄物、廢液、廢渣來(lái)作為原料來(lái)，從而降低環(huán)境污染；另一方面，可以獲得大量的蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，用著動(dòng)物飼料和食品，從而緩解食物危機(jī)。SCP的生產(chǎn)越來(lái)越引起世界各國(guó)的重視，特別是在前蘇聯(lián)、美、英、德、法等國(guó)，SCP的產(chǎn)量都相當(dāng)?shù)母咔壹夹g(shù)也比較成熟?？梢灶A(yù)見，SCP的生產(chǎn)有著廣闊和誘人的發(fā)展前景。

但作為食品用SCP，因?qū)ζ渖a(chǎn)原料、菌種、生產(chǎn)過程生產(chǎn)后處理及安全性和營(yíng)養(yǎng)性都有嚴(yán)格要求，目前主要局限于酵母蛋白。因此，大力研究開發(fā)應(yīng)用SCP，對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)處理，選育優(yōu)良菌種，生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及采取適當(dāng)措施處理SCP而使其符合安全性與食用性標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前食品行業(yè)科技工作者所面臨的重大課題。

基金項(xiàng)目：本文系基金課題：高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品境外企業(yè)認(rèn)證認(rèn)可符合性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)防范關(guān)鍵技術(shù)研究課題，課題編號(hào)：2016YFF0203903