微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白的研究進(jìn)展

■寇 慧 文曉霞 葉思廷 鄒 偉

（四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川宜賓 644005）

飼用菌體蛋白是指用于禽畜飼料的微生物蛋白，是指利用各種基質(zhì)大規(guī)模培養(yǎng)細(xì)菌、酵母菌、真菌、藻類等微生物而獲得的由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸以及不是蛋白質(zhì)的含氮化合物、維生素和無(wú)機(jī)化合物等混合物組成的細(xì)胞質(zhì)團(tuán)[1]。飼用菌體蛋白的生產(chǎn)已有上百年的歷史，最早利用植物纖維生產(chǎn)蛋白質(zhì)的是德國(guó)，隨后，美國(guó)、日本、加拿大、法國(guó)等國(guó)家陸續(xù)開始了菌體蛋白生產(chǎn)的研究。我國(guó)菌體蛋白生產(chǎn)始于1922 年。1986 年，我國(guó)第一個(gè)菌體蛋白飼料廠在廣東省江門市建成并試產(chǎn)成功[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，我國(guó)對(duì)高蛋白食物需求量的不斷增長(zhǎng)，以傳統(tǒng)方式生產(chǎn)飼料蛋白的供應(yīng)已不能滿足市場(chǎng)的需求，生產(chǎn)蛋白的新方法成為當(dāng)務(wù)之急。利用微生物生產(chǎn)飼用菌體蛋白具有產(chǎn)物營(yíng)養(yǎng)豐富、生產(chǎn)速率快、占地面積小、耗費(fèi)勞動(dòng)力資源少、底物原料來源廣泛等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)是解決我國(guó)飼料資源緊缺的有效途徑，同時(shí)使飼料資源更加優(yōu)質(zhì)，這為我國(guó)畜牧業(yè)的綜合發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。近年來，我國(guó)利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白的研究與應(yīng)用發(fā)展也十分迅猛，成為我國(guó)畜牧行業(yè)研究熱點(diǎn)。

1 飼用菌體蛋白生產(chǎn)的微生物

1.1 飼用菌體蛋白生產(chǎn)菌株選擇要求

利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白，菌種的選擇是關(guān)鍵，是生產(chǎn)中非常重要的因素。生產(chǎn)飼用菌體蛋白的菌種除了滿足一般工業(yè)微生物安全、低成本、高經(jīng)濟(jì)效益、來源廣泛、操作簡(jiǎn)便等要求[48]以外，還應(yīng)滿足我國(guó)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部飼料管理規(guī)范的要求，要選擇《飼料添加劑品種目錄（2013）》公告中規(guī)定允許使用的微生物菌種，該目錄以外的菌種存在安全風(fēng)險(xiǎn)，都是禁止在生物蛋白飼料中使用的菌種。此外，一株本身無(wú)毒性的菌株可能因?yàn)槔砘⑽⑸镏g的相互作用等環(huán)境因素引起負(fù)性突變，應(yīng)定期對(duì)生產(chǎn)菌株進(jìn)行致病性、感染性、毒力等方面的安全性檢測(cè)或評(píng)價(jià)。

1.2 常用飼用蛋白生產(chǎn)菌種

目前生產(chǎn)飼用菌體蛋白的微生物多見于細(xì)菌、酵母、藻類、霉菌等微生物（見表1），且多趨向于不同菌株協(xié)同發(fā)酵，注重其協(xié)同性、互補(bǔ)性，提高飼用菌體蛋白的產(chǎn)量。其中常見的組合有霉菌與酵母菌、霉菌與枯草芽孢桿菌或乳酸菌等細(xì)菌。微藻與細(xì)菌合成的飼用菌體蛋白的粗蛋白含量最高，但微藻蛋白灰質(zhì)含量較高，可消化性差，細(xì)菌蛋白核酸含量較高，相比而言，酵母蛋白的綜合性質(zhì)較優(yōu)，故酵母作為飼用菌體蛋白源的研究最為廣泛[49]。然而應(yīng)用任何一種微生物生產(chǎn)飼用菌體蛋白均面臨以下難題：比如研究者們所使用菌株種類不同、底物原料不同、培養(yǎng)條件不同，造成菌種使用量不能統(tǒng)一，效果也不一致；又比如在加工生產(chǎn)過程中，由于菌體提取工藝、核酸去除工藝、發(fā)酵條件以及原料來源的不同，蛋白飼料的營(yíng)養(yǎng)成分均會(huì)產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響消化率以及畜禽的喂養(yǎng)效果。因此，如何在眾多微生物中篩選出適用于不同原料底物的高效生產(chǎn)菌株、設(shè)計(jì)合理的菌種配比和混菌發(fā)酵方式、優(yōu)化出適宜發(fā)酵工藝路線、微生物生產(chǎn)飼用菌體蛋白的營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)、喂養(yǎng)效果等后處理研究還需進(jìn)一步拓展和深入。

1.2.1 細(xì)菌

用于生產(chǎn)菌體蛋白的細(xì)菌部分利用石油、天然氣等，如甲烷氧化菌，部分以光作為能源，如光合細(xì)菌，可以單獨(dú)作用于生活污水、淀粉廢水、脂肪酸廢水等生產(chǎn)飼用菌體蛋白，也可同甲烷氧化菌混合協(xié)同培養(yǎng)產(chǎn)生飼用菌體蛋白。與其他微生物相比，細(xì)菌生長(zhǎng)速率高、適應(yīng)性強(qiáng)，且蛋白質(zhì)含量高（50%～80%）[50]，如Chewapat 等[23]以城市廢水作為液態(tài)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)培養(yǎng)光合細(xì)菌，產(chǎn)生飼用菌體蛋白含量高達(dá)60.1%。由此可見，細(xì)菌在合成飼用菌體蛋白方面具有良好的應(yīng)用前景。但細(xì)菌的應(yīng)用也存在一些問題，細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)核酸含量高，尤其是RNA 高達(dá)20%[51]，需運(yùn)用后處理工藝降低該蛋白質(zhì)核酸的比例，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。此外，細(xì)菌生產(chǎn)菌體蛋白還存在易受噬菌體污染、菌體小從而難從發(fā)酵液中回收等缺點(diǎn)。因此加快低成本的菌體蛋白核酸去除技術(shù)以及細(xì)菌蛋白分離提純技術(shù)等方面的研究，是實(shí)現(xiàn)飼用細(xì)菌蛋白的大規(guī)模生產(chǎn)利用的一個(gè)重要突破口。

1.2.2 酵母

以碳水化合物為主要原料，經(jīng)液態(tài)通風(fēng)培養(yǎng)酵母菌，并從其發(fā)酵液中分離酵母菌體，酵母菌體經(jīng)干燥后可制得飼用酵母蛋白[52]。常見的飼用菌體蛋白生產(chǎn)的酵母菌有產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母、解脂假絲酵母、畢赤酵母、多型漢遜酵母、釀酒酵母、脂亞羅維亞酵母、海洋酵母、扣囊復(fù)膜孢酵母、白假絲酵母、皺褶假絲酵母、藍(lán)莓酵母、核酸酵母、乙醇酵母（見表1）。酵母菌更多的是和同屬的其他酵母、霉菌、細(xì)菌、真菌等混合發(fā)酵，生產(chǎn)飼用菌體蛋白，產(chǎn)量普遍不低于30%。此外，有些酵母還能利用甲醇、雞糞等特殊底物生成飼用菌體蛋白[28,44]。目前，與其他微生物相比，酵母作為飼用菌體蛋白源的研究最為廣泛，然而，酵母生長(zhǎng)繁殖速度較慢，蛋白產(chǎn)量較低，后續(xù)需加強(qiáng)研究通過誘變育種、基因工程等技術(shù)獲得菌體蛋白含量高、生長(zhǎng)速度快、具備完整酶系的酵母，提高飼用菌體蛋白產(chǎn)量[18，53]。

1.2.3 霉菌

常用于生產(chǎn)飼用菌體蛋白的霉菌有綠色木霉、黑曲霉、里氏木霉、擬康寧木霉、康寧木霉、根霉、扣囊擬內(nèi)孢霉、米曲霉、毛霉等（見表1）。其中康寧木霉與里氏木霉多用于降解果渣生產(chǎn)飼用菌體蛋白，并且康寧木霉多與白地霉、假絲酵母混菌發(fā)酵。趙蕾等[20]利用10種酵母和霉菌對(duì)夏橙皮渣進(jìn)行發(fā)酵，以蛋白含量作為指標(biāo)衡量對(duì)夏橙皮渣的降解的菌株，結(jié)果表明里氏木霉蛋白產(chǎn)量相對(duì)于酵母以及其他霉菌產(chǎn)量都高，說明里氏木霉降解夏橙皮渣的效果好，由此可以看出里氏木霉作為降解果渣的菌種生產(chǎn)飼用菌體蛋白具有很大的潛力。白地霉生理適應(yīng)性強(qiáng)、細(xì)胞形體較大、易于分離回收，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)飼用菌體蛋白[54]，多與酵母菌、霉菌混合發(fā)酵工業(yè)廢水、廢渣、糞便等底物原料，產(chǎn)出飼用菌體蛋白含量達(dá)15%～60%。此外，黃孢原毛平革菌、樺褐孔菌等白腐真菌屬也廣泛應(yīng)用于飼用菌體蛋白的生產(chǎn)[4,10]，但相對(duì)于其他菌種，其蛋白產(chǎn)量并不高，因此應(yīng)注重對(duì)提高蛋白產(chǎn)量方面的研究。目前，霉菌已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)菌體蛋白，但生產(chǎn)過程中可能會(huì)產(chǎn)生真菌毒素，因此應(yīng)對(duì)其蛋白產(chǎn)物進(jìn)行安全性檢測(cè)。

表1 微生物在飼用菌體蛋白中的應(yīng)用

1.2.4 藻類

藻類可以通過發(fā)酵將碳水化合物和非蛋白氮等有機(jī)成為轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，以提高飼用蛋白產(chǎn)量。2018年，Zahra等[34]利用綠藻和甲烷細(xì)菌混合發(fā)酵工業(yè)廢水生產(chǎn)飼用菌體蛋白，產(chǎn)量高達(dá)45%。藻類合成的飼用蛋白質(zhì)粗蛋白含量高、核糖核酸含量較低，且不會(huì)像真菌等微生物在繁殖末期合成具有毒性的次級(jí)代謝產(chǎn)物，是良好的飼用菌體蛋白源，然而藻類蛋白的生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜高、蛋白灰質(zhì)含量較高等缺陷，因此，藻類飼用蛋白的大規(guī)模開發(fā)利用仍是當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究需要繼續(xù)深入的點(diǎn)。

2 飼用菌體蛋白生產(chǎn)的底物原料

生產(chǎn)飼用菌體蛋白的底物原料極為廣泛，農(nóng)業(yè)廢棄物、下腳料、石油化工產(chǎn)品及副產(chǎn)品、城市生活垃圾、屠宰場(chǎng)廢棄的動(dòng)物毛、糞便等均可以通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工藝（見圖1）后作為菌體生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些原料廉價(jià)便宜、在日常生活中極易獲得，為大規(guī)模利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)菌體蛋白提供了可能；同時(shí)這些原料多為污染源，利用微生物發(fā)酵使其變成飼用菌體蛋白，不僅能促進(jìn)資源再生、環(huán)境保護(hù)，也能緩解我國(guó)飼料資源的供需矛盾。

圖1 飼用菌體蛋白生產(chǎn)底物原料的預(yù)處理工藝

2.1 工業(yè)生產(chǎn)廢棄物

目前，造紙、釀酒、檸檬酸、味精、淀粉及生產(chǎn)等工業(yè)每年排出大量廢渣與廢液，這些廢棄物含有大量有機(jī)物、N、P、無(wú)機(jī)鹽等是可供微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。淀粉、糖蜜、味精等工業(yè)廢水含有大量可氧化物質(zhì)（如有機(jī)物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等）以及固體懸浮物，一般沒有毒性，可以添加適量輔料及試劑進(jìn)行調(diào)配后接種進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白。然而，直接以工業(yè)廢水為培養(yǎng)基接種菌種進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵時(shí)，由于發(fā)酵后將菌體分離出來干燥成產(chǎn)品，其余的未被利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)留在二次發(fā)酵廢水中，仍有一部分工業(yè)廢水污染，且液體深層發(fā)酵投資大、能耗略高、經(jīng)濟(jì)效益較低。因此可將廢水進(jìn)行適當(dāng)濃縮后配備輔料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)生的大量廢渣可以通過高壓蒸煮滅菌工藝進(jìn)行預(yù)處理再接種菌種發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白，由于預(yù)處理過程中高溫糊化使得淀粉顆粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉更易被水解成為可溶性糖，供菌體利用，并且廢渣經(jīng)過高壓滅菌后接種菌種發(fā)酵產(chǎn)飼用菌體蛋白，可以排除雜菌的干擾，進(jìn)而提高飼用菌體蛋白的生產(chǎn)效率。也可直接將廢渣粉碎，篩分除雜后混合適量輔料與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)配制成固態(tài)培養(yǎng)基后再接種菌種發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白。

工業(yè)廢棄物直接排放不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且廢棄物中的有用物質(zhì)流失會(huì)造成極大的浪費(fèi)，然而采用化學(xué)方法處理容易引起二次污染，物理方法處理的成本較高，利用酵母、細(xì)菌等微生物將工業(yè)廢棄物進(jìn)行處理同時(shí)產(chǎn)生菌體蛋白，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物的資源化處理，是可行且有效的[33]。近年來，利用微藻處理工業(yè)廢水，獲得大量藻類菌體，并通過酸水解、超聲等預(yù)處理方法破壞細(xì)胞壁，提高糖提取率，進(jìn)而提高飼料蛋白質(zhì)產(chǎn)量。此外，利用啤酒工業(yè)的廢水、味精廢水通過微生物發(fā)酵，獲得必需氨基酸含量比常見蛋白飼料高的菌體蛋白，以充當(dāng)動(dòng)物飼料，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了廣泛的研究[55-56]。光合細(xì)菌、乳酸菌、霉菌、酵母菌等微生物均可以工業(yè)廢水為底物原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白，其中以酵母作為蛋白源較為廣泛，且飼用蛋白產(chǎn)量相對(duì)較高。釀造業(yè)、淀粉、味精等工廠排放的有機(jī)廢液，可以借助酵母菌細(xì)胞具有合成全效價(jià)蛋白質(zhì)、能同化各種碳水化合物以及各種含氮化合物、繁殖速度快等特點(diǎn)，使廢液通過發(fā)酵獲得大量的飼用菌體蛋白。

2.2 農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)種植面積大，農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物多，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，可作為緩和資源短缺和降低工業(yè)成本的優(yōu)質(zhì)飼料來源。常見的農(nóng)副產(chǎn)品如秸稈、麩皮、豆粕等含有豐富的纖維素、半纖維素，它們被木質(zhì)素包裹形成致密的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，使其不能與試劑充分接觸，因此生產(chǎn)飼用菌體蛋白前，需要對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行物理破碎擠壓，添加化學(xué)試劑、酶或微生物等預(yù)處理方法破壞復(fù)雜的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)使得纖維素、半纖維素充分暴露于纖維素酶、半纖維酶環(huán)境中，生成更多可溶性糖以作碳源供菌體生長(zhǎng)繁殖，并且通過選擇合適的菌種與發(fā)酵工藝，可以得到較高的飼用菌體蛋白產(chǎn)量。Nayaret 等[57]利用農(nóng)業(yè)廢棄物和甲烷氧化細(xì)菌培養(yǎng)物混合生產(chǎn)可用于動(dòng)物飼料的菌體蛋白，蛋白產(chǎn)量高達(dá)60.5%～66.6%。目前以秸稈、麩皮、馬鈴薯渣為底物原料通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白的研究已比較廣泛，且多趨向于混菌發(fā)酵。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品利用難主要是由農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品復(fù)雜的生物質(zhì)結(jié)構(gòu)造成，解決的關(guān)鍵在于破壞其結(jié)構(gòu)，降解其生物大分子。高效且低成本的降解技術(shù)是實(shí)現(xiàn)資源化利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品必須解決的難題，目前，物理法、化學(xué)法降解適用性和效率依舊偏低，生物降解技術(shù)操作簡(jiǎn)單且不污染環(huán)境。因此，生物降解技術(shù)是利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn)飼用菌體蛋白研究的熱門領(lǐng)域。目前，不少學(xué)者對(duì)生物降解菌種選育方面進(jìn)行了廣泛研究，但產(chǎn)酶力、降解率仍需進(jìn)一步提高。此外，篩選高效發(fā)酵菌種，加強(qiáng)對(duì)調(diào)節(jié)菌體之間的協(xié)同、頡頏或競(jìng)爭(zhēng)作用的研究，優(yōu)化發(fā)酵環(huán)境、縮短發(fā)酵周期，提高飼用菌體蛋白產(chǎn)量、發(fā)酵規(guī)模放大也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品生成飼用菌體蛋白規(guī)模化利用亟需解決的難題。

2.3 石油化工產(chǎn)品及副產(chǎn)品

從20 世紀(jì)60 年代中后期開始，生產(chǎn)飼用菌體蛋白的底物原料在利用傳統(tǒng)原料資源的同時(shí)，注意力轉(zhuǎn)向以石油、天然氣碳?xì)湮锘衔餅闋I(yíng)養(yǎng)源。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)在利用石油等能源物質(zhì)生產(chǎn)菌體蛋白方面進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)有了成熟的技術(shù)和工藝[58]。70年代以來，因?yàn)橛脷怏w燃料培養(yǎng)微生物的工藝十分復(fù)雜，甲醇可以大量從甲烷氧化而成，并且它能與水混溶，對(duì)氧與微生物有較大的親和力，甲醇蛋白受到了重視。英國(guó)的ICI公司以甲醇為原料生產(chǎn)飼用菌體蛋白，年產(chǎn)量7 萬(wàn)多噸[37]。德國(guó)的黑斯伍公司也以甲醇為原料培養(yǎng)細(xì)菌生產(chǎn)食用菌體蛋白，并建有千噸級(jí)規(guī)模的生產(chǎn)裝置[43]。目前，國(guó)內(nèi)利用石油化工產(chǎn)物以及副產(chǎn)物生產(chǎn)飼用菌體蛋白的實(shí)例還不多，但已有專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)了用石油化工副產(chǎn)物生產(chǎn)飼用菌體蛋白具有巨大潛力，如茍萬(wàn)曉等[29]以甲醇為底物原料，利用實(shí)驗(yàn)室選育馴化出的高產(chǎn)甲醇蛋白的畢赤酵母作為甲醇蛋白生產(chǎn)菌種，獲得甲醇蛋白產(chǎn)量（細(xì)胞干質(zhì)量）為19.3 g/L；姜岷等[28]以甲醇作為唯一碳源進(jìn)行篩選，獲得高效利用甲醇生產(chǎn)甲醇蛋白的多形漢遜酵母菌，利用該菌株發(fā)酵生產(chǎn)甲醇蛋白，產(chǎn)品蛋白含量高達(dá)60%。發(fā)展甲醇蛋白能緩解飼料資源壓力，然而，由于直接使用甲烷可以減少能耗轉(zhuǎn)換，降低生產(chǎn)成本，甲烷比甲醇作為碳源培養(yǎng)微生物生產(chǎn)飼用菌體蛋白更有優(yōu)勢(shì)。此外，甲烷氣體便于運(yùn)輸，且來源廣泛。但真正實(shí)現(xiàn)甲烷飼用蛋白工業(yè)化生產(chǎn)還存在一些困難，如甲烷在水中溶解性差、甲烷氧化菌生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等，因此還需要進(jìn)一步的研究與探討。

2.4 其他底物原料

隨著城市發(fā)展和人們生活質(zhì)量改善，生活垃圾、動(dòng)物毛、血、糞便等也日益增加，這些垃圾不僅污染環(huán)境，也危害人們身體健康。將這些生活垃圾，如城市生活污水、餐廚垃圾、屠宰場(chǎng)廢棄物等（見表1）經(jīng)過挑出雜物、過濾、打漿等預(yù)處理過程后加入一定比例的輔料，接種酵母菌、霉菌、產(chǎn)甲烷菌、光合細(xì)菌等微生物進(jìn)行發(fā)酵，將垃圾轉(zhuǎn)化為菌體蛋白飼料，對(duì)解決我國(guó)蛋白飼料資源短缺和垃圾的資源化高效利用具有積極的促進(jìn)作用。其中屠宰場(chǎng)廢棄的動(dòng)物血液營(yíng)養(yǎng)豐富，除了含有大量蛋白質(zhì)和氨基酸外，還含有鈣、磷、鐵、錳、鋅等適量礦物質(zhì)及硫胺素、核黃素、泛酸等生理活性物質(zhì)，為微生物生長(zhǎng)提供了良好的生長(zhǎng)條件，微生物代謝效率高，有利于蛋白質(zhì)積累。趙曉丹等[45]利用酵母菌、黑曲霉菌和米曲霉菌等比例混合發(fā)酵新鮮牛血，發(fā)酵過后測(cè)其粗蛋白含量高達(dá)53.81%，比發(fā)酵前增加36.50%。城市生活廢水中富含氮、磷、鐵、鈣等適合微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌、真菌、藻類等可以降解有機(jī)污染物，微生物發(fā)酵生活廢水，不僅對(duì)其可達(dá)到凈化的效果，同時(shí)微生物可以利用廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生大量菌體蛋白。如Chewapat 等[23]以光合細(xì)菌作為發(fā)酵菌種，接種在以城市廢水作為營(yíng)養(yǎng)源的液態(tài)培養(yǎng)基里，發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白，得到粗蛋白含量高達(dá)60.1%。

3 飼用菌體蛋白生產(chǎn)工藝

微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白的方法包括固態(tài)、液態(tài)、固液態(tài)結(jié)合發(fā)酵工藝。常規(guī)發(fā)酵以固態(tài)發(fā)酵和液體深層發(fā)酵為主。根據(jù)生產(chǎn)用菌種不同、發(fā)酵方式不同，微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白的工藝流程有所差異，但基本工藝相似（見圖2）

圖2 飼用菌體蛋白生產(chǎn)工藝

3.1 液態(tài)發(fā)酵

液態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基里需要流動(dòng)的液體基質(zhì)，水是培養(yǎng)基的主要組分，適用于大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)，具有微生物從溶解水中攝取營(yíng)養(yǎng)、營(yíng)養(yǎng)物濃度相對(duì)均一、發(fā)酵均勻等特點(diǎn)，目前多應(yīng)用于微生物利用工業(yè)廢水生產(chǎn)飼用菌體蛋白（見表1）。液態(tài)發(fā)酵過程中選擇合適的裝液量、攪拌頻率與力度、發(fā)酵溫度等條件，提高飼用菌體蛋白產(chǎn)率，是微生物蛋白飼料生產(chǎn)研究過程中的一個(gè)重要內(nèi)容。

3.2 固態(tài)發(fā)酵

固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中沒有水流動(dòng)，因此，能進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵的微生物一般須具備可在含水量較低的情況下快速生長(zhǎng)、能夠耐受高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽等特性。主要包括酵母菌、霉菌、乳酸菌和芽孢桿菌等（見表1）。國(guó)內(nèi)外對(duì)菌體蛋白的制取主要集中于固態(tài)發(fā)酵工藝，以豆粕、秸稈、麩皮、柑橘渣等為底物原料，利用酵母菌和霉菌進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵是目前研究較多的對(duì)象。但固態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵過程中的參數(shù)變化不便檢測(cè)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，因此在固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白過程中引入自動(dòng)化設(shè)施逐漸成為必要。近年來，專家學(xué)者對(duì)機(jī)械化和自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了很多研究，但放大試驗(yàn)效果不佳，不適合工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。后續(xù)研究需要加強(qiáng)對(duì)固態(tài)發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的深入，完善系統(tǒng)控制技術(shù)，更加科學(xué)合理地揭示固態(tài)發(fā)酵過程的變化規(guī)律，以及固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，從而提高飼用菌體蛋白的產(chǎn)量與質(zhì)量。

3.3 液固態(tài)結(jié)合發(fā)酵工藝

目前也有學(xué)者將液固態(tài)結(jié)合發(fā)酵工藝應(yīng)用于微生物生產(chǎn)飼用菌體蛋白，如徐抗震[59]利用蘋果渣為原料，采用生物技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白，在獲得單獨(dú)固態(tài)發(fā)酵適宜生產(chǎn)工藝條件的基礎(chǔ)上，提出了液固態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種新的發(fā)酵工藝流程，通過對(duì)三種工藝形式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性分析，發(fā)現(xiàn)液固態(tài)發(fā)酵混合菌種共生與協(xié)同作用能力強(qiáng)、生長(zhǎng)快，相對(duì)接種量大，發(fā)酵時(shí)間短，設(shè)備利用率高，且蛋白含量高，適合現(xiàn)代工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)[48]。但國(guó)內(nèi)使用液固態(tài)結(jié)合發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白飼料的工藝還不廣泛，廣泛使用液固態(tài)結(jié)合發(fā)酵工藝，充分吸取液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)，克服兩者的缺點(diǎn)，是研究飼用菌體蛋白生產(chǎn)的一個(gè)新趨勢(shì)。

4 問題及展望

我國(guó)飼料工業(yè)已開啟“禁抗時(shí)代”，中美貿(mào)易不確定性因素導(dǎo)致我國(guó)主要蛋白原料豆粕進(jìn)口受影響，同時(shí)我國(guó)仍存在人畜爭(zhēng)糧情況等因素使得我國(guó)飼料資源日趨緊張，尋找新型飼料已迫在眉睫。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有大量農(nóng)林業(yè)下腳料，并隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅猛發(fā)展，產(chǎn)生大量工業(yè)廢液，這些資源為微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白提供了廣泛的原料來源。生產(chǎn)飼用菌體蛋白的微生物來源也十分廣泛，主要是非致病和非產(chǎn)毒的酵母菌、霉菌、細(xì)菌和藻類。雖然我國(guó)在利用農(nóng)林業(yè)下腳料、工業(yè)廢液、廢渣等方面生產(chǎn)微生物飼用菌體蛋白的研究方面有成功小試，但目前尚需解決的問題還很多，如高效菌種的選育、易受有害微生物與重金屬的污染、產(chǎn)出的飼用菌體蛋白核酸高、生產(chǎn)成本高、飼用菌體蛋白質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及食用效果等問題都還有待進(jìn)一步研究。盡管目前微生物發(fā)酵生產(chǎn)飼用菌體蛋白存在一些問題，但隨著人們對(duì)其研究的進(jìn)一步深入，這些問題會(huì)得到很好的解決，其作為抗生素和蛋白質(zhì)的替代品，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，將?huì)為我國(guó)資源再生、畜牧行業(yè)的綜合發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。