單細(xì)胞蛋白應(yīng)用于食品工業(yè)的現(xiàn)狀和展望

王宇靈 覃瑞 劉虹 王靖 熊海容

摘?要：分析了單細(xì)胞蛋白的種類、基本特性、培養(yǎng)方法等，探究了影響其產(chǎn)量、產(chǎn)率的原因以及單細(xì)胞蛋白應(yīng)用于食品工業(yè)的安全性評(píng)價(jià)及應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)單細(xì)胞蛋白在食品行業(yè)的應(yīng)用情況和前景，展望了單細(xì)胞蛋白的研究方向。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?xì)胞蛋白;菌蛋白;微生物發(fā)酵;食品工業(yè)

單細(xì)胞蛋白（SCP）是利用真菌、霉菌、酵母菌或微藻在各種基質(zhì)上大規(guī)模培養(yǎng)而獲得的微生物菌體[1]，是由蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無(wú)機(jī)物等混合組成的細(xì)胞質(zhì)團(tuán)[2]。SCP生長(zhǎng)速度快，可以用簡(jiǎn)單廉價(jià)的非蛋白原料轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)，這些優(yōu)秀的特征可有效補(bǔ)充蛋白質(zhì)來(lái)源的不足，對(duì)于食品工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1?單細(xì)胞蛋白的種類

選擇生產(chǎn)SCP的微生物主要從安全性、實(shí)用性、生產(chǎn)效率和培養(yǎng)條件等方面考慮，且需要味道好并易消化吸收，但最重要的是安全、無(wú)毒和不致病。用于生產(chǎn)SCP的微生物種類很多，目前用于生產(chǎn)SCP的微生物主要包括4大類群，即非致病和非產(chǎn)毒的酵母菌、細(xì)菌、真菌和微藻[1]。選擇不同微生物生產(chǎn)SCP時(shí)應(yīng)具體分析：細(xì)菌：生長(zhǎng)速度快、蛋白質(zhì)含量高，但個(gè)體小、分離困難，分離的蛋白質(zhì)不易消化。酵母菌：菌體大，易于分離回收，分離的蛋白質(zhì)較細(xì)菌易于消化。目前生產(chǎn)上采用酵母菌較多。絲狀真菌：易于回收，質(zhì)地良好，但生產(chǎn)速度較慢，蛋白質(zhì)含量低。藻類：其纖維質(zhì)的細(xì)胞壁不易被人體消化，可富集重金屬，作為食品需進(jìn)行加工。

2?單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)工藝及其產(chǎn)量產(chǎn)率

2.1?生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的一般工藝

菌種→菌種擴(kuò)大培養(yǎng)→發(fā)酵罐培養(yǎng) →培養(yǎng)液 →分離→菌體 →洗滌或水解→干燥，SCP的生產(chǎn)工藝一般可概述為以下幾點(diǎn)[2]：（1）菌種擴(kuò)大培養(yǎng)：先在無(wú)菌室內(nèi)或超凈工作臺(tái)內(nèi)接種原種菌，然后轉(zhuǎn)到斜面培養(yǎng)基上培養(yǎng)，再轉(zhuǎn)到三角瓶中培養(yǎng)，最后由小種子罐到大種子罐。培養(yǎng)基要求含碳源物質(zhì)的單糖或多糖分子，氮源，硫、磷等礦物質(zhì)微量元素，也可添加一些有利于菌體生長(zhǎng)的生長(zhǎng)素;（2）滅菌：所用的培養(yǎng)液以及所提供的空氣都必須滅菌。培養(yǎng)液多采用蒸氣加熱滅菌，空氣常用陶瓷多孔過(guò)濾器去除細(xì)菌;（3）培養(yǎng)：溫度和pH都應(yīng)適宜，通風(fēng)供氧，攪拌均勻;（4）分離過(guò)濾：冷卻后用高速離心機(jī)或?yàn)V布過(guò)濾。在生產(chǎn)中為了使培養(yǎng)液中的養(yǎng)分得到充分利用，可將部分營(yíng)養(yǎng)液連續(xù)送入分離器中，分離后的上清液回到發(fā)酵罐中循環(huán)使用。對(duì)較難分離的菌種可加入絮凝劑以提高其凝聚力便于分離;（5）干燥：一般把離心機(jī)收集的菌種經(jīng)洗滌后進(jìn)行噴霧干燥或滾筒干燥。

2.2?單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的產(chǎn)量與產(chǎn)率

細(xì)胞產(chǎn)率是以每克基質(zhì)的細(xì)胞生成量克數(shù)計(jì)，最普遍的是按碳源基質(zhì)計(jì)算。一般1g葡萄糖約生成0.5g菌體。這樣的生成量是在其他基質(zhì)不受限制時(shí)的產(chǎn)率。微生物的生長(zhǎng)過(guò)程需要消耗碳源、氮源、氧等各種基質(zhì)，如果因?yàn)槟撤N基質(zhì)濃度變化，徼生物的生長(zhǎng)、其他基質(zhì)的消耗、產(chǎn)物的生成等也都發(fā)生了變化，則這種基質(zhì)名為限制性基質(zhì)[2]。想要提高蛋白的產(chǎn)率，需要讓菌體在最適宜條件下持續(xù)發(fā)酵，并不斷補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。隨著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，細(xì)菌產(chǎn)物的持續(xù)積累，這些都會(huì)降低其產(chǎn)量和產(chǎn)率。及時(shí)補(bǔ)充培養(yǎng)基和分離收獲菌體蛋白在發(fā)酵過(guò)程中尤為重要[3]。

3?單細(xì)胞蛋白應(yīng)用于食品的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1?單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn)

（1）營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。SCP所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極為豐富，其中蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%～80%;還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質(zhì)以及豐富的酶類和生物活性物質(zhì)，如輔酶、輔酶Q、谷胱甘肽、麥角固醇等;氨基酸的組成較為齊全，含有人體必需的8種氨基酸，尤其是谷物中含量較少的賴氨酸[4]。（2）原料來(lái)源廣泛。SCP有著較為廣泛的生產(chǎn)原料來(lái)源。大致分為以下幾類：工業(yè)廢物、廢水;石油、天然氣的相關(guān)產(chǎn)品;農(nóng)業(yè)廢物和廢水。利用這些原料來(lái)生產(chǎn)SCP，不但變廢為寶，增加經(jīng)濟(jì)效益，而且還凈化和保護(hù)了環(huán)境。（3）培育時(shí)間短。SCP與其他蛋白相比的一大優(yōu)點(diǎn)就是其較短的細(xì)胞培育時(shí)間。菌體以分裂或芽殖方式繁殖按指數(shù)增長(zhǎng)，例如，酵母菌繁殖一代的時(shí)間是13h、細(xì)菌是0.52h、藻類是2～6h。（4）生產(chǎn)效率高。SCP的生長(zhǎng)速度比高等動(dòng)、植物快得多，肉牛體重加倍周期為2個(gè)月，豆科牧草為2周，肉雞的加倍周期為10d，藻類的加倍周期是6h，酵母的加倍周期為1～3h，細(xì)菌只有0.5h左右，500kg的奶牛平均每天大約要生產(chǎn)0.5kg的蛋白質(zhì)，而500kg酵母種一天可生產(chǎn)1 250kg蛋白質(zhì)[5]。（5）SCP可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。它不受地區(qū)、季節(jié)和氣候的限制，產(chǎn)量高、質(zhì)量好。而且還只使用少量的勞動(dòng)力。SCP進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，不占用其他農(nóng)作物的土地，不受氣候的影響和約束，生產(chǎn)環(huán)境易控制，并能連續(xù)生產(chǎn)。微生物是在大型立體的發(fā)酵罐中培養(yǎng)，即使在小面積的土地上也可以生產(chǎn)大量菌體;不受季節(jié)及陽(yáng)光的限制，且生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)能力可達(dá)2～6kg/hm?3。如200m?3的培養(yǎng)罐，每日可以生產(chǎn)約10 000～30 000kg 干酵母。每年工作按300d計(jì)，可產(chǎn)約3 000～8 000t的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)[6]。

3.2?存在的不足

SCP雖然營(yíng)養(yǎng)豐富，是一種新型的蛋白質(zhì)來(lái)源，但是也存在許多問(wèn)題。主要表現(xiàn)為：

（1）核酸含量過(guò)高，尤其是RNA的含量高。SCP并不是一種純蛋白，而是一種微生物菌體，是個(gè)含有多種物質(zhì)的復(fù)合物[7]。在細(xì)菌蛋白中RNA含量為13～22g/100g，酵母菌中RNA含量為6～41g/100g。核酸在人體內(nèi)消化后形成尿酸，因人體內(nèi)缺乏有功能的尿酸酶，尿酸不能分解，隨血液循環(huán)在人體內(nèi)的關(guān)節(jié)處沉淀或結(jié)晶，從而引起痛風(fēng)癥或風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥 。同時(shí)由于形成尿酸過(guò)程中，肝臟中嘌呤的代謝率增高，容易導(dǎo)致代謝失衡和尿結(jié)石[8]。此種情況下，必須限制SCP在食品中的用量，不超過(guò)總蛋白補(bǔ)給量的15%，同時(shí)還應(yīng)大力發(fā)展脫核酸技術(shù)，生產(chǎn)脫核酸技術(shù)SCP。（2）某些SCP還可能對(duì)動(dòng)物具有毒性作用，尤其是細(xì)菌蛋白和培養(yǎng)基中含有石油衍生物時(shí)，如甲醇中芳香族化合物。因此，要慎重地選擇生產(chǎn)SCP的微生物基質(zhì)。（3）消化率比常規(guī)蛋白質(zhì)低10%～15%。SCP中的毒菌肽與其他蛋白質(zhì)結(jié)合，阻礙蛋白質(zhì)的消化;此外，SCP中還存在一些不能被消化的物質(zhì)如甘露聚糖等，對(duì)消化起副作用。（4）氨基酸供應(yīng)不平衡，含硫氨基酸偏少，如Cys、Met[9]。在SCP的加工過(guò)程中可添加適量的精氨酸，使之與賴氨酸的比率合理，同時(shí)還應(yīng)添加適量蛋氨酸以彌補(bǔ)SCP中蛋氨酸含量的不足。B0D68CF5-9604-4A1B-A44A-F795F3CCB89B

4?安全性評(píng)價(jià)

4.1?安全性評(píng)價(jià)

安全是關(guān)系到SCP能否作為食品的首要問(wèn)題。SCP的原材料是危及安全性的關(guān)鍵。比如，石油和石蠟中的致癌烴類、一些真菌產(chǎn)生的毒素物質(zhì)、水解液中的有毒分解產(chǎn)物等。為了使SCP符合作為食物的要求，通常采用特定的后處理來(lái)提高這種產(chǎn)品的消化性和可接受性[10]。聯(lián)合國(guó)蛋白質(zhì)咨詢組對(duì)其安全性評(píng)價(jià)作出規(guī)定：生產(chǎn)用菌株不能是病原菌，不產(chǎn)生毒素;對(duì)生產(chǎn)用資源也提出一定要求，例如農(nóng)產(chǎn)品來(lái)源的原料中重金屬和農(nóng)藥殘留含量，不能超過(guò)要求;在培養(yǎng)條件和產(chǎn)品處理中要求無(wú)污染、無(wú)溶劑殘留和熱損害，最終產(chǎn)品應(yīng)無(wú)病菌、無(wú)活細(xì)胞、無(wú)原料和溶劑殘留。對(duì)最終產(chǎn)品還必須進(jìn)行小動(dòng)物毒性實(shí)驗(yàn)（小白鼠和大白鼠）。美國(guó)食品藥物管理局同時(shí)規(guī)定，必須對(duì)致癌性多環(huán)芳香族化合物、重金屬、真菌毒素及菌的病源性、感染性、遺傳性等進(jìn)行充分評(píng)估。

4.2?營(yíng)養(yǎng)性評(píng)價(jià)

SCP食品的營(yíng)養(yǎng)性評(píng)價(jià)，除化學(xué)分析數(shù)據(jù)外，最終取決于生物測(cè)定。生物測(cè)定的方法有生長(zhǎng)法和氮平衡法兩種。生長(zhǎng)法是測(cè)定蛋白質(zhì)效率，氮平衡法是測(cè)定蛋白質(zhì)生物學(xué)價(jià)值，兩者值越高說(shuō)明蛋白質(zhì)質(zhì)量越好。核酸是所有細(xì)胞的必需成分，并且在快速分裂的細(xì)胞中呈現(xiàn)出相對(duì)高的水平，如果攝入過(guò)多RNA就會(huì)導(dǎo)致人體尿酸含量高于安全標(biāo)準(zhǔn)，所以去除SCP產(chǎn)品中的核酸是關(guān)乎安全性的重要問(wèn)題[11]。

5?單細(xì)胞蛋白在食品工業(yè)的應(yīng)用前景展望

5.1?單細(xì)胞蛋白的應(yīng)用前景

（1）SCP含有豐富的蛋白質(zhì)及多種維生素和無(wú)機(jī)鹽，是一種營(yíng)養(yǎng)較為全面的理想蛋白質(zhì)來(lái)源，把它摻和在餅干、飲料、奶制品中，能提高這些傳統(tǒng)食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值;（2）SCP除直接作為食品應(yīng)用外，還可作為一種食品蛋白質(zhì)組分添加到湯料或飲料中強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)、增加食品的強(qiáng)度;（3）利用單細(xì)胞蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)組織形成性可用于制造“人造肉”等新食品;（4）SCP還常作為食品添加劑，用以補(bǔ)充蛋白質(zhì)或維生素、礦物質(zhì)等;（5）SCP運(yùn)用于肉制品和焙烤食品的制作中，可保持食品水分、口感和風(fēng)味等;（6）SCP能提高食品的某些物理性能，如意大利烘餅中加入活性酵母可提高餅的延薄性能，酵母濃縮鮮劑蛋白具有顯著的鮮味而廣泛用作食品的增鮮劑。

5.2?單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景展望

我國(guó)SCP生產(chǎn)始于1922年，1986年4月10日，我國(guó)第一個(gè)SCP飼料廠在廣東省江門市建成并試產(chǎn)成功。1987年全國(guó)SCP（酵母）總產(chǎn)量1.55萬(wàn)t，1990年SCP超過(guò)2萬(wàn)t，1991年總產(chǎn)量6萬(wàn)t，其中固體酵母達(dá)4.8萬(wàn)t，1992年固體酵母達(dá)8萬(wàn)t，1993年超過(guò)1萬(wàn)t，到2000年發(fā)展到15萬(wàn)t[12]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，食物結(jié)構(gòu)以植物蛋白為主，動(dòng)物蛋白的攝入量與歐美各國(guó)相差懸殊，為了提高人民群眾的體質(zhì)，SCP的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)為解決人類食品和飼料問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑。當(dāng)代世界的五大問(wèn)題是人口、食物、資源、環(huán)境和能源問(wèn)題，特別是食物和環(huán)境問(wèn)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)源，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)，用于動(dòng)物飼料和食品，從而緩解食物危機(jī)。若以蛋白質(zhì)含量計(jì)算，1kg SCP相當(dāng)于1～1.5kg大豆，建立一座5個(gè)100t發(fā)酵罐的工廠，可以年產(chǎn)5 000t SCP，相當(dāng)于0.3萬(wàn)hm?2耕地上種植大豆的產(chǎn)量[13]。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。因此，SCP的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)在我國(guó)更具有廣闊的前景。

6?結(jié)論

SCP生長(zhǎng)速度快，可以用簡(jiǎn)單廉價(jià)的非蛋白原料轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)，關(guān)于單細(xì)胞蛋白的研究必將是一個(gè)長(zhǎng)期的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。安全菌株的發(fā)掘和選育、SCP風(fēng)味的改良、減少SCP核酸含量的方法和工藝以及培養(yǎng)基和培養(yǎng)過(guò)程的規(guī)范和優(yōu)化等，這些都是需要聚焦研究的課題。SCP原料資源豐富、營(yíng)養(yǎng)全面，同時(shí)能減少環(huán)境污染，能有效解決蛋白來(lái)源不足的困境，對(duì)食品工業(yè)的發(fā)展具有極強(qiáng)的推動(dòng)作用。發(fā)展SCP的優(yōu)勢(shì)，解決其存在的不足，降低其存在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)解決我國(guó)甚至世界存在的人口、食品、環(huán)境、資源等問(wèn)題都大有裨益。大力發(fā)展SCP產(chǎn)業(yè)適合我國(guó)的國(guó)情，具有廣闊的發(fā)展空間。

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Current Status and Prospects of Single Cell Protein Application in Food Industry

WANG Yu-ling?1，QIN Rui?1，LIU Hong?1，WANG Jing?2，XIONG Hai-rong?1

（?1College of Life Science，South and Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China;?2Institute of Food and Nutrition Development，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Beijing 100081，China）

Abstract：The paper summaried the species，the characteristics，the culture methods of single cell protein，explored the factors affecting the yield and productivity of single ell protein，and explained the safety evaluation and the advantages and disadvantages in application of single cell protein in domestic food.The article introduced the application and prospect of single cell protein in food industry in China，and outlined a strategy for the future topic of single cell protein.

Keywords：single cell protein;bacterial protein;microbial fermentation;food industry

（責(zé)任編輯?唐建敏）B0D68CF5-9604-4A1B-A44A-F795F3CCB89B