發(fā)酵工程應(yīng)用實例 單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)

單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(SCP)指適用于食品和動物飼料應(yīng)用的微生物細(xì)胞，包括酵母菌、細(xì)菌、霉菌和高等真菌。這些微生物大多數(shù)是富含蛋白質(zhì)的單細(xì)胞生物，可以認(rèn)為是單細(xì)胞蛋白質(zhì)的重要來源。（1）細(xì)胞蛋白質(zhì)含量高達(dá)50%以上，含有多種氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、粗脂肪等營養(yǎng)成分，易于消化吸收。（2）微生物生長繁殖快，短時間可獲得大量產(chǎn)品。應(yīng)用微生物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn)：利用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白具有較高的生產(chǎn)率。因為單細(xì)胞蛋白依賴于微生物菌體生物量的累積，其富集蛋白質(zhì)的能力要比動、植物快得多。豬和牛的體重倍增時間分別為4～6周、1—2個月，植物體重倍增時間為l一2周，而細(xì)菌、酵母等微生物僅需20～120min。1頭500kg的母牛每天能產(chǎn)蛋白質(zhì)約0.4kg。500kg酵母每天至少生產(chǎn)5000kg蛋白質(zhì)。在實際的工業(yè)發(fā)酵罐中，酵母能夠生產(chǎn)出數(shù)噸蛋白質(zhì)，生產(chǎn)率高達(dá)2-4kg／(h.m3培養(yǎng)液)。

（3）微生物對營養(yǎng)要求適應(yīng)性強(qiáng)，可利用多種廉價原料進(jìn)行生產(chǎn)。（4）微生物的生長條件可人為控制，可工廠化生產(chǎn)。生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的主要原料（1）工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和下腳料。（2）碳水化合物類（3）碳?xì)浠衔镱悾?）石油產(chǎn)品類（5）無機(jī)氣體類各種化學(xué)成分的含量因微生物的種類、菌齡、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件等不同而有較大差異。例如，啤酒酵母除含豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白外，還含有較豐富的維生素D和B族維生素及Ca、Fe、Zn、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可視為一種理想的蛋白質(zhì)資源。一般工業(yè)上生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物是酵母，主要有釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母(或稱圓酵母)和脆壁克魯維酵母(或稱乳清酵母)。（一）利用酵母菌生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白SCP生產(chǎn)的概略流程圖烷烴類原料生產(chǎn)SCPZobell(1946年)提出酵母菌利用碳?xì)浠衔镉兴膫€特點(diǎn)：1、脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用；2、長鏈脂肪族化合物與短鏈脂肪族化合物相比更易于降解；3、不飽和烷烴比飽和烷烴易于降解；4、支鏈烷烴較直鏈烷烴更易被酵母菌利用和同化。微生物同化烷烴的步驟是細(xì)胞吸收外源烷烴，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，烷烴進(jìn)行初始氧化。

主要有兩條代謝烷烴的途徑，即末端氧化和亞末端氧化途徑。前者，烷烴的末端甲基(1個或者2個)被氧化，最后形成相應(yīng)的脂肪酸。酵母菌主要以單末端氧化途徑。單末端氧化途徑可簡單示意如下：

R-CH3→R-CH2OH→R-CHO→R-COOH↓β-氧化作用以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP

以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP主要有三條途徑：①在化學(xué)分解或酶解底物基礎(chǔ)上培養(yǎng)SCP生產(chǎn)酵母菌；②將對淀粉分解活力高的霉菌與快速生長的酵母菌混合培養(yǎng)；③單獨(dú)培養(yǎng)能夠同化淀粉的生產(chǎn)菌株。

以木薯為原料采用深層發(fā)酵法生產(chǎn)SCP的流程圖

在SCP生產(chǎn)中，發(fā)酵過程必須控制溫度以利于菌體的大量增殖、生長?？梢酝ㄟ^發(fā)酵罐內(nèi)部的冷卻表面散發(fā)培養(yǎng)液的熱量，當(dāng)然也可以在罐外通過熱交換器來降低培養(yǎng)液的溫度。

以甘薯、木薯、玉米等淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)SCP得率一般可超過50％，即2t原料可生產(chǎn)出1t多蛋白含量超過50％的產(chǎn)物。每升發(fā)酵液中生物量約為37～40g。瑞典糖業(yè)有限公司在1973年便利用土豆加工的廢渣以混合培養(yǎng)方法生產(chǎn)飼料SCP。糖蜜原料生產(chǎn)SCP糖蜜是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多種可利用成分，是綜合利用發(fā)酵生產(chǎn)酵母、酒精、核苷酸等產(chǎn)品的寶貴資源，而且特別適用于SCP生產(chǎn)。以糖蜜為原料生產(chǎn)SCP多采用液體深層發(fā)酵法。發(fā)酵前，應(yīng)先采用化學(xué)、機(jī)械或兩者結(jié)合的方法對糖蜜進(jìn)行澄清和滅菌處理。向糖蜜中添加新鮮石灰乳和磷酸，形成磷酸鈣，靜置后過濾或離心除去這些沉淀即有澄清效果。也可先用H2SO4調(diào)節(jié)糖蜜pH，再依次加入NH3、鋁鹽、果膠和鋅鹽進(jìn)行澄清。過濾材料可選擇石棉砂和纖維素等。經(jīng)機(jī)械離心獲得的澄清糖蜜，可以加熱至130-140℃殺菌。經(jīng)過預(yù)處理的糖蜜用于酵母發(fā)酵生產(chǎn)，可以提高產(chǎn)量以及酵母產(chǎn)品的純度，同時熱交換器等設(shè)備表面鹽類物質(zhì)沉積量減少，有利于降低生產(chǎn)成本。纖維素類原料生產(chǎn)SCP有三條路線：一是預(yù)處理-酶解二是酸解三是混合發(fā)酵法生產(chǎn)SCP時必須采用適當(dāng)工藝對原料進(jìn)行預(yù)處理。纖維素酶分解天然纖維的先決條件是酶與纖維素相互接觸，形成復(fù)合物，但天然纖維的纖維素和其它主要成分不溶于水，并且在細(xì)胞壁中排列成緊密的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此，必須設(shè)法使纖維素酶分子擴(kuò)散到細(xì)胞壁內(nèi)，纖維素分子的表面才能使之相互接觸并進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)晶度越高，纖維表面積越小，酶解越困難。另外，纖維素原料中的木質(zhì)素會阻礙酶與纖維素接觸，是影響酶反應(yīng)敏感性的另一重要因素。采用球磨、高壓蒸煮、電子射線照射、γ-射線照射、膨化處理等方法，使高結(jié)晶度纖維素軟化，破壞纖維結(jié)構(gòu)，以利于酶解，