單細胞蛋白的生產(chǎn)

關(guān)于單細胞蛋白的生產(chǎn)第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容概述SCP生產(chǎn)的主要參數(shù)生產(chǎn)SCP的微生物種類生產(chǎn)SCP的原料生產(chǎn)SCP的一般工藝石油蛋白的生產(chǎn)SCP的應(yīng)用前景第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1、概述單細胞蛋白SCP的概念開發(fā)SCP的意義SCP的特征SCP營養(yǎng)評價第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.1單細胞蛋白單細胞蛋白(Singlecellprotein,簡稱SCP),亦稱微生物蛋白或菌體蛋白,主要是指酵母、細菌、真菌和某些低等藻類生物等微生物,在其生長過程中利用各種基質(zhì)在適宜條件下,培養(yǎng)單細胞或絲狀微生物的個體而獲得的菌體蛋白(Microbialprotein)。不論是分離出的細胞蛋白還是全部細胞物質(zhì)都稱為SCP。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.2開發(fā)SCP的意義動物和植物是人類食物的主要來源，由于當(dāng)今世界人口增加及生活水平的提高，社會對蛋白質(zhì)食品的需求越來越大。我國動物蛋白的生產(chǎn)量很低，甚至不及日本。要提高動物蛋白水平，關(guān)鍵是飼料。然而可利用的常規(guī)飼料資源日漸減少，尤其是蛋白質(zhì)資源更為匱乏。因此，人們不得不尋找非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料，在保證充分發(fā)揮家畜最大生產(chǎn)性能的前提下，盡量降低飼料成本，節(jié)約資源。第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.3SCP的特征1.3.1營養(yǎng)價值高單細胞蛋白所含的營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富,其中蛋白質(zhì)含量高達40%~80%,比大豆高10%~20%,比肉、魚、奶酪高20%以上;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A、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。第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三單細胞生物體與傳統(tǒng)食品的各種營養(yǎng)成分含量比較水分組蛋白粗脂肪可消化碳水化合物粗纖維灰分BP正烷酵母4.554.17.823.93.67.1BP石油酵母4.568.51.515.02.17.9ESSO細菌62-7310-15106-12紙漿酵母6.046.02.335.44.65.7螺旋藻62-682-318-20大米13.78.131.2975.50.881.06小麥13.49.61.272.80.92.1大豆11.1936.9917.7624.854.74.6第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三各種單細胞蛋白的氨基酸組成及含量異亮氨酸亮氨酸苯丙氨酸蘇氨酸色氨酸精氨酸組氨酸賴氨酸蛋氨酸FAO參考4.07.04.02.5大豆粉2.53.42.21.70.63.21.12.90.6魚粉2.43.72.12.41.33.91.54.31.2酵母（正烷烴）2.73.92.42.00.72.71.33.80.8酵母（甲醇）2.63.72.32.40.83.31.13.60.9細菌（甲醇）3.65.62.93.80.73.71.54.92.0霉菌（乙酸）5.58.24.34.95.51.8小球藻（光合成）4.28.15.13.61.55.81.87.71.3第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.3SCP的特征1.3.2原料來源廣泛農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品（糖渣、果渣、淀粉渣、餅粕）、工業(yè)廢液（釀酒工業(yè)、淀粉工業(yè)、味精工業(yè)、檸檬酸工業(yè)副產(chǎn)品）、微型藻類（螺旋藻、小球藻）等都可作為生產(chǎn)原料，利用這些原料來生產(chǎn)SCP，不但變廢為寶，增加經(jīng)濟效益，而且還凈化和保護了環(huán)境。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.3SCP的特征1.3.3培育時間短單細胞蛋白與其它蛋白相比的一大優(yōu)點就是其較短的細胞培育時間。菌體以分裂或芽殖方式繁殖按指數(shù)增長。例如，酵母菌繁殖一代的時間是1~3h；細菌是0.5~2h；藻類是2～6h。第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.3SCP的特征1.3.4收率高

微生物有機體蛋白產(chǎn)品的收率比其它傳統(tǒng)蛋白產(chǎn)率要高。如果蛋白培育沒有其它任何限制,SCP與傳統(tǒng)蛋白相比具有不受環(huán)境和氣候的影響、原料易得、可連續(xù)生產(chǎn)、易于控制、污染小等優(yōu)勢。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.3SCP的特征1.3.5不受季節(jié)和氣候等條件影響

單細胞蛋白的生產(chǎn)不受季節(jié)、氣候、土壤和自然災(zāi)害的影響，利用大型發(fā)酵罐立式培養(yǎng)，占地面積少，與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式相比，過程易于控制，可以節(jié)省耕地、人力和能源。年產(chǎn)10萬t的單細胞蛋白的工廠，1年可產(chǎn)蛋白質(zhì)45000t。第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.4單細胞蛋白營養(yǎng)評價評價單細胞蛋白的營養(yǎng)價值,主要考慮其營養(yǎng)成份、氨基酸、維生素、核酸含量以及美味、口感、腸胃影響等因素,且長期使用SCP還應(yīng)考慮其毒性和致癌作用。細菌蛋白與魚粉蛋白相似,酵母蛋白類似于大豆蛋白,真菌蛋白稍低于酵母蛋白。當(dāng)然,微生物蛋白在硫磺氨基胱氨酸和蛋氨酸方面存在不足需補充,且賴氨酸比例較高。第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2、SCP生產(chǎn)的主要參數(shù)SCP的生產(chǎn)是以菌體本身作為產(chǎn)物，因此提高菌體生長速度，使單位時間內(nèi)生產(chǎn)量得到增加，從而提高設(shè)備利用率，減少管理費用。與細胞生長有關(guān)的參數(shù)，主要有生長速度、比增殖速度，在連續(xù)培養(yǎng)過程中，還有稀釋率、限制性基質(zhì)濃度等。直接由這些參數(shù)導(dǎo)出的生產(chǎn)能力、收率，另外能耗和產(chǎn)品質(zhì)量等也作為重要的參數(shù)指標(biāo)影響SCP的生產(chǎn)。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2.1生長速度和比增殖速度2.1.1生長速度微生物生長速度因菌種、培養(yǎng)條件而異。細菌、酵母等的生長特征，是以倍增時間來計算的。微生物的生長速度與菌體濃度和基質(zhì)有關(guān)，它是指一定時間內(nèi)單位菌體的增殖量。第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2.1生長速度和比增殖速度2.1.2比增殖速度比增殖速度是指t時間內(nèi)，微生物生長速度除以菌濃度，表明單位時間菌體的增殖比率。由于微生物的整個生長期增殖速度并不恒定，比增殖速度在誘導(dǎo)期及穩(wěn)定期為0，對數(shù)生長期最大，加速期和減速期一般依時間而變動，而僅在對數(shù)生長期內(nèi)有較長時間的恒定。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2.2稀釋率當(dāng)連續(xù)培養(yǎng)時，培養(yǎng)槽內(nèi)連續(xù)地一面進入培養(yǎng)基，一面排出同量的培養(yǎng)液，槽內(nèi)培養(yǎng)液的容量、組成、溫度等保持恒定狀態(tài)。稀釋率是針對連續(xù)培養(yǎng)而言的。它是指單位時間內(nèi)更換的培養(yǎng)液所占總體積的百分比。第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2.3細胞產(chǎn)率與限制性基質(zhì)細胞產(chǎn)率：以每克基質(zhì)的細胞生成量克數(shù)計。最普遍的是按碳源基質(zhì)計算。例如：1g葡萄糖約生成0.5g菌體。這樣的生成量是在其他基質(zhì)不受限制時的產(chǎn)率。微生物的生長過程需要消耗碳源、氮源、氧等各種基質(zhì)，如果因為某種基質(zhì)濃度變化，微生物的生長、其它基質(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)。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2.4能耗和產(chǎn)品質(zhì)量能耗即獲得1t的SCP所消耗的電能和煤量。SCP生產(chǎn)中，空氣供給、發(fā)酵罐及提取是能耗的主要部分，所以在這些方面的工藝改革和設(shè)備改進做的最多。產(chǎn)品質(zhì)量包括蛋白質(zhì)含量、氨基酸組成、配制，特別是必需氨基酸的組分情況，還有維生素種類和數(shù)量等。第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3、生產(chǎn)SCP的微生物種類選擇生產(chǎn)SCP的微生物主要從安全性、實用性、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、無毒和不致病。用于生產(chǎn)SCP的微生物種類很多,包括四大類群,即非致病和非產(chǎn)毒的酵母、細菌、霉菌及藻類,其中以酵母菌最受重視。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1生產(chǎn)SCP微生物的種類根據(jù)原料的不同選擇生產(chǎn)SCP微生物的種類（1）利用糖質(zhì)原料生產(chǎn)SCP.

釀酒酵母：利用葡萄糖、蔗糖為碳源。假絲酵母：利用戊糖為碳源。木糖、青霉：利用纖維素為碳源。（2）利用石油原料生產(chǎn)SCP。

假絲酵母屬的酵母菌。（3）利用甲醇原料生產(chǎn)SCP。以細菌為主。

甲烷單胞菌屬、甲基球菌屬：甲烷專性營養(yǎng)。

假單胞菌：甲醇兼性營養(yǎng)。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三（4）利用甲烷原料生產(chǎn)SCP。以細菌為主。

甲烷假單胞菌嗜甲烷單胞菌（5）利用乙醇原料生產(chǎn)SCP。以酵母菌為主，其次細菌霉菌

以假絲酵母屬的Candidaboidinil最多。霉菌的曲霉屬。（6）利用CO2為碳源、氫為能源。氫單胞菌（Hydrogenomonas).（7）利用太陽光能生產(chǎn)SCP。

單細胞藻類的小球藻、螺旋藻屬光合細菌。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三選擇不同微生物生產(chǎn)SCP時應(yīng)具體分析:細菌：生長快、蛋白質(zhì)含量高。但個體小、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)的細胞壁不易被人體消化?？筛患亟饘伲鳛槭称沸柽M行加工。第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4、生產(chǎn)SCP的原料20世紀(jì)80年代中期,全世界的SCP年產(chǎn)量已達200萬t,生產(chǎn)SCP已為全世界所關(guān)注,地球上的不可再生的和可再生的資源都可以作為生產(chǎn)SCP的原料，它對于解決人類面臨的糧食短缺問題有著很重要的意義。第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.1非再生資源生產(chǎn)SCP細菌和酵母菌均可利用甲醇、乙醇、甲烷和多鏈烷烴生產(chǎn)SCP。由于甲烷蘊藏量大、價格低、不含致癌的稠環(huán)芳烴等雜質(zhì),曾被作為第二代石油蛋白的原料加以研究,但由于存在太多的技術(shù)困難而不能開發(fā)利用。用乙醇作為原料生產(chǎn)的SCP,可直接作為人們的食物,以蛋白質(zhì)含量計算,其價格比牛肉便宜,B族維生素含量多,營養(yǎng)豐富。以石油為原料生產(chǎn)SCP,從長遠觀點看,其資源有限,而且石油價格不斷上升,所以人們開始重視利用可再生資源來生產(chǎn)SCP。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.2可再生資源生產(chǎn)SCP地球上每年可再生的資源主要是碳水化合物,包括纖維素、淀粉和糖類。在人類的生產(chǎn)活動中,這些資源一部分被加工利用,另一部分成為廢物被拋棄,這些廢料,比如稻秸、蔗渣、檸檬酸廢料、果核、糖漿及其他污物等,數(shù)量巨大,會給環(huán)境造成極大的污染。因此,利用這些廢料來生產(chǎn)SCP可謂一舉兩得,既減少了環(huán)境污染,又可得到食用蛋白和動物蛋白。目前,廢棄物的再生資源化成為人們關(guān)注的課題。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.3糖蜜原料生產(chǎn)SCP糖蜜是甜菜制糖、甘蔗制糖的主要副產(chǎn)品,甜菜、甘蔗糖蜜中含有多種可利用成分,其干物質(zhì)含量在80%~90%之間,其中糖類物質(zhì)占50%左右,是綜合利用發(fā)酵生產(chǎn)酵母、酒精、核苷酸等副產(chǎn)品的寶貴資源,而且特別適用于生產(chǎn)SCP。以糖蜜為原料生產(chǎn)SCP,一般采用酵母菌,如熱帶假絲酵母、釀酒酵母等,但也有些單位采用綠色木霉菌和尖孢鐮刀霉菌。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.4淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP淀粉類物質(zhì)是生產(chǎn)SCP的一種傳統(tǒng)原料,甘薯、木薯以及馬鈴薯等淀粉質(zhì)原料的最大特點是產(chǎn)量高,但蛋白質(zhì)含量很低。我國目前薯類原料產(chǎn)量約為1.57億t,若能通過微生物發(fā)酵將其中的一部分淀粉轉(zhuǎn)化為SCP,將在很大程度上緩解人類蛋白食品的不足。據(jù)估計,1hm2

馬鈴薯轉(zhuǎn)化成的SCP可以相當(dāng)于3hm2土地生產(chǎn)的大豆蛋白質(zhì)。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.5纖維素類原料生產(chǎn)SCP纖維素是地球上最豐富的天然物質(zhì),是SCP發(fā)酵生產(chǎn)的潛在資源。大多數(shù)食品、發(fā)酵工業(yè)廢渣中,除含淀粉外,都含有大量的纖維素或半纖維素,這些廢渣也已成為一種生產(chǎn)SCP的原料來源。這些廢渣蛋白質(zhì)含量較低,消化性和適口性很差,不適宜直接用來飼喂動物,若能利用微生物將其中的纖維素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為菌體蛋白,便可改善其消化性,這樣不僅可獲得高蛋白含量的飼料,緩解蛋白質(zhì)資源不足的矛盾,而且還可以解決食品、發(fā)酵工業(yè)大量排放廢渣所造成的環(huán)境污染問題。第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.6發(fā)酵廢液生產(chǎn)SCP造紙廠、酒精廠、味精廠、豆腐廠、醬油廠等每天都排出大量廢液,一些廢液的排放已造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。僅以酒精工業(yè)為例,我國酒精產(chǎn)量為150萬t,而廢液量高達1510萬t,約為酒精產(chǎn)量的10倍。如果將這些廢液加以利用,每年可制造出數(shù)萬t酵母,如不加利用,將成為一宗巨大的污染源。因此,從經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)保角度看,利用含糖質(zhì)和淀粉質(zhì)的廢液為原料生產(chǎn)SCP是近期SCP工業(yè)的主要發(fā)展方向。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4.7利用微藻生產(chǎn)SCP螺旋藻、魚腥藻、小球、鹽藻等微型藻類能利用太陽能,通過光合作用制造有機物質(zhì),作為人畜直接或間接的食物。微藻系自養(yǎng)有機體,可利用無機碳源(如CO2、碳酸氫鹽)作為養(yǎng)料生產(chǎn)SCP。第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三5

SCP生產(chǎn)的工藝技術(shù)單細胞蛋白生產(chǎn)的一般工藝過程：斜面種子種子擴大培養(yǎng)水、基質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)酵罐培養(yǎng)培養(yǎng)液分離菌體動物飼料干燥洗滌干燥水解分離蛋白質(zhì)抽提純化食品第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三5.1液體深層發(fā)酵法液體深層發(fā)酵法是將糟液分離得到的廢糟水，添加營養(yǎng)鹽和適當(dāng)玉米漿，調(diào)節(jié)pH至4.4，接種假絲酵母等多株菌種混合發(fā)酵，再經(jīng)分離、干燥得到成品。液體深層發(fā)酵法產(chǎn)量大、機械化程度高、易于監(jiān)控，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，但投資大、生產(chǎn)成本較高。第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三5.2固體發(fā)酵法固體發(fā)酵是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的固態(tài)的濕培養(yǎng)基上的發(fā)酵過程。固態(tài)的濕培養(yǎng)基一般含水量在30%~70%，而無游離水流出，此培養(yǎng)基通常是“手握成團，落地能散”。一般只在麥麩、棉菜粕、次粉、玉米蛋白粉及其他非常規(guī)飼料中加適量廢渣水，適度滅菌后，接種假絲酵母、黑曲霉、米曲霉等進行發(fā)酵，烘干后制成。第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6、石油蛋白的生產(chǎn)由石油烴作為酵母及細菌等微生物的碳源進行發(fā)酵所得的菌體蛋白。原料石油烴主要是飽和正構(gòu)烷烴，如氣態(tài)烴（甲烷等）、液態(tài)正構(gòu)烷烴（煤油、柴油）、固體石蠟等?？刹捎弥别s粗柴油進行微生物脫臘，再將正構(gòu)石蠟發(fā)酵以制取石油蛋白。石油蛋白含粗蛋白質(zhì)40%～80%及豐富的氨基酸和維生素?？捎米黟D料和飼料。但目前尚處于研究和試驗階段。

第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.1利用鏈狀烴的微生物細菌：假單胞菌屬。其中最具特征的菌種是甲烷假單胞菌、能利用庚烷的假單胞菌、食油假單胞菌等。酵母：以假絲酵母屬最多。霉菌：某些曲霉、頭孢霉、鐮刀霉等可利用正烷烴進行生長，總的來說數(shù)量較少。第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.2基質(zhì)的選擇酵母類一般較容易同化C12~C18的正烷烴，碳原子數(shù)越多越易同化。細菌對基質(zhì)的同化性相當(dāng)廣泛，但一般亦喜歡碳素較多的正烷烴，細菌還能同化甲烷到戊烷的氣態(tài)烴。第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.1培養(yǎng)基的組成氮源常使用硫酸銨、硝酸銨、氯化銨、氨水及尿素、硝酸類氮源一般菌種難以使用。作為無機離子，比較大量需要的有PO43-,Mg2+,K+,Fe2+。常需要加入作為生長因子的酵母膏、麥芽汁、玉米漿。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.2溫度一般25-30℃范圍。在細菌中有在50℃以上的溫度中也能生長的高溫菌或耐熱菌，它對冷卻發(fā)酵和防止污染有利。

第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.3pH酵母最適宜pH為4.5-7，細菌為7左右，一般培養(yǎng)基中pH下降時應(yīng)予調(diào)整。第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.4攪拌強度主要由于基質(zhì)烴的難溶性造成基質(zhì)分散程度差，對菌體的所需烴不能充分供給。因此小規(guī)模實驗中采用加快攪拌速度進行培養(yǎng)。但在工業(yè)上因盡量減慢攪拌速度以降低成本。另外選擇乳化力強的菌株，或在培養(yǎng)基里添加表面活性劑以加強基質(zhì)的分散。第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.5基質(zhì)烴的供給氣態(tài)烴是先溶于水而后被菌利用，其溶解度因碳原子個數(shù)不同而不同，一般在10-3g/L以下，比氧的溶解度小得多。所以由氣相到液相的移動速度成為基質(zhì)供給的限制因子。液態(tài)烴更復(fù)雜，因為只有在水中溶解并均一的分散才被菌體利用。當(dāng)前通過改善烴在溶液中的分散，盡量提高兩者接觸面來提供烴對菌的供給。固態(tài)烴作為原料直接供給培養(yǎng)基，其大分子狀態(tài)分散性差，難以被微生物同化。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.6發(fā)熱問題Guenther比較了以碳水化合物和烴作基質(zhì)的發(fā)熱量，前者為1602J/100g菌體，正烷烴為3263J/100g菌體，甲烷為7782J/100g菌體。因此冷卻設(shè)備和費用要加大?？朔k法:提高單位基質(zhì)的菌體數(shù)量；使用高溫菌種；使用好的冷卻設(shè)備。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.3菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件6.3.7混合培養(yǎng)烴同化菌各有其對基質(zhì)的選擇性。當(dāng)用碳數(shù)不同的烴的混合物和煤油、汽油等石油餾分作原料時，采取對培養(yǎng)基選擇性不同的兩種或兩種以上的菌種，進行混合培養(yǎng)，可以使其對原料的收率得到增加。但混合培養(yǎng)的菌株都不能是產(chǎn)酸菌株，也不能分泌對其他菌生長不利的物質(zhì)。第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三6.4制造工藝的要點各國和各公司都設(shè)計了一些工藝流程，歸納起來有以下六點。1.原料的處理、進料和貯藏2.培養(yǎng)基的調(diào)整3.散熱冷卻設(shè)備的改進4.發(fā)酵罐的改進5.通氣時把氨氣和空氣一起吹入6、回收菌體第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三7、SCP的應(yīng)用