季彬 祁宏山 杜軍國(guó) 曾楊 王治業(yè) 陳娟 （甘肅省科學(xué)院生物研究所 730000)

玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料前景研究

季彬 祁宏山 杜軍國(guó) 曾楊 王治業(yè)*陳娟 （甘肅省科學(xué)院生物研究所 730000)

基于實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，利用玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料具有很大的發(fā)展前景，筆者結(jié)合多年的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，首先對(duì)單細(xì)胞蛋白的相關(guān)理論進(jìn)行介紹，然后結(jié)合單細(xì)胞蛋白的生物學(xué)特性，對(duì)玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析，希望能夠?yàn)樵摲N生物轉(zhuǎn)化手段的應(yīng)用推廣提供借鑒。

玉米秸稈；發(fā)酵生產(chǎn)；單細(xì)胞蛋白；飼料；實(shí)驗(yàn)

人類(lèi)利用微生物生產(chǎn)釀造食品已經(jīng)有了非常悠久的歷史，但是直到近代才開(kāi)始采用培養(yǎng)有益微生物作為替代食品蛋白的生產(chǎn)。而近代單細(xì)胞蛋白研究生產(chǎn)出現(xiàn)的最初目的是為了解決糧食問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)可再生資源的生物轉(zhuǎn)化利用，增加能夠作為基礎(chǔ)飼料蛋白的來(lái)源，在生態(tài)平衡的前提下解決糧食短缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題。秸稈資源在開(kāi)發(fā)利用的環(huán)節(jié)中，生物轉(zhuǎn)化是最為安全、有效而且最為重要的手段和途徑。現(xiàn)階段的研究表明，目前國(guó)內(nèi)麥稈、麩皮以及塘渣、土豆渣等糧食種植、生產(chǎn)、加工中的廢棄物原料是飼料蛋白轉(zhuǎn)化中最常用的，而且不同地區(qū)的秸稈在生物降解性能方面還具有著較大的差異，基于此，本文對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探討。

1 單細(xì)胞蛋白的理論概述

1.1 單細(xì)胞蛋白概述

單細(xì)胞蛋白 （簡(jiǎn)稱(chēng)SCP），主要指非致病性細(xì)菌、真菌及微藻通過(guò)在適宜條件的培養(yǎng)下，在其生命周期內(nèi)利用營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，培養(yǎng)細(xì)胞或者絲狀微生物的個(gè)體從而獲得大量菌體蛋白的過(guò)程。單細(xì)胞蛋白作為飼料蛋白得到了全球的廣泛應(yīng)用。

1.2 單細(xì)胞蛋白的用途

在飼料與食品相關(guān)的領(lǐng)域中，單細(xì)胞蛋白被廣泛應(yīng)用，比如，利用假絲酵母菌以及酵母菌產(chǎn)出的單細(xì)胞蛋白可以供人類(lèi)直接使用。以單細(xì)胞蛋白喂養(yǎng)家禽、家畜，能夠促進(jìn)其生長(zhǎng)速度，產(chǎn)出量大，如奶牛產(chǎn)奶量提高，雞產(chǎn)蛋率增高等，還能增強(qiáng)家禽、家畜的自身免疫功能。單細(xì)胞蛋白具備完整的氨基酸，因此，經(jīng)常將其用作營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑加入到食品中，提高不同產(chǎn)品的蛋白質(zhì)生物價(jià)。此外，單細(xì)胞蛋白還富含豐富的礦物質(zhì)和維生素，對(duì)于食物中缺乏的礦物質(zhì)以及維生素基于補(bǔ)充作用。單細(xì)胞蛋白也作用于食品加工領(lǐng)域，能有效提高食品的物理性能。

2 單細(xì)胞蛋白的生物學(xué)特性

通常情況下，單細(xì)胞蛋白生物學(xué)特性主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

2.1 營(yíng)養(yǎng)豐富

單細(xì)胞蛋白的氨基酸組成與動(dòng)物蛋白質(zhì)含量相當(dāng)，比如酵母菌體蛋白具備較高價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)，富含人體必需的7種氨基酸 （除蛋氨酸外），因此，被譽(yù)為 “人造肉”的美譽(yù)。成人只需食用干酵母10～15g/d就足夠每日攝取的蛋白質(zhì)量。微生物細(xì)胞中不僅蛋白質(zhì)含量豐富，維生素、碳水化合物、礦物質(zhì)及脂類(lèi)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也是相當(dāng)豐富的，因此，單細(xì)胞蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有口皆碑。

2.2 原料來(lái)源廣

單細(xì)胞蛋白原料的生產(chǎn)來(lái)源十分普遍，可以分為4大類(lèi)，第一類(lèi)石油原料，比如天然氣、正烷烴及柴油；第二類(lèi)石油化工產(chǎn)品，比如乙醇、醋酸、甲醇等；第三類(lèi)碳酸氣及氫氣；第四類(lèi)糖質(zhì)原料，比如制糖業(yè)的廢蜜、亞硝酸紙漿廢液、淀粉及纖維素的水解液等?，F(xiàn)階段，專(zhuān)家比較看好的原料是可再生植物資源，例如，食品工廠的廢水以及農(nóng)林加工產(chǎn)品的下腳料等，這些資源十分豐富，經(jīng)濟(jì)便利，最關(guān)鍵的是用后可以再生，循環(huán)使用實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。

2.3 可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)

地域、氣候、季節(jié)等因素不會(huì)干擾單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)，又可在不占地的在小設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)，不但可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)且生產(chǎn)出來(lái)的蛋白質(zhì)量高，超越目前糧食品種的蛋白質(zhì)，比農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所投入的勞動(dòng)力少1/3?，F(xiàn)在80%的國(guó)家單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)已頗具規(guī)模，取得了可喜的成績(jī)，僅前蘇聯(lián)的年產(chǎn)量已超百萬(wàn)噸。利用單細(xì)胞高活性生物飼料代替魚(yú)粉在前蘇聯(lián)、美國(guó)、加拿大、德國(guó)等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

2.4 生產(chǎn)速率高

通常而言，蛋白質(zhì)生產(chǎn)速率與家禽、家畜的體重倍增時(shí)間成正比，但是微生物繁殖卻比家禽、家畜體重增長(zhǎng)的速度要快千萬(wàn)倍，例如，酵母菌、細(xì)菌的倍增時(shí)間是20～120h，綠藻類(lèi)、霉菌是2～6h，植物是1～2周，豬是4～6周，而牛則是1～2個(gè)月。一頭400kg的黃牛生產(chǎn)蛋白質(zhì)0.35kg/d，而400kg的酵母至少生產(chǎn)蛋白質(zhì)400kg，假如給予更為適宜的培養(yǎng)條件其產(chǎn)量增加幾倍。

2.5 品種更加容易改良

生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì)微生物的菌種還具有易于被品種改良的相關(guān)特性，例如，定向誘變育種可以借助物理、化學(xué)、生物學(xué)等方法，以此獲取高蛋白質(zhì)、高質(zhì)量、味道鮮美并且容易提取蛋白質(zhì)的優(yōu)良菌種。

3 玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 材料的選擇

在玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料的實(shí)驗(yàn)中，主要包括以下幾個(gè)方面的材料。

3.1.1 菌株

本實(shí)驗(yàn)中所采用的菌株主要為綠色木霉菌菌株 （GSICC 62002，GSICC 62010），均由依托于甘肅省科學(xué)院生物研究所的甘肅省工業(yè)微生物菌種保藏中心-甘肅分中心提供，兩株菌均為具備工業(yè)性狀的產(chǎn)纖維素酶菌株，GSICC 62002菌株來(lái)源地為美國(guó)，GSICC 62002菌株來(lái)源地為中國(guó)。

3.1.2 原料

本文所用的玉米秸稈原料的營(yíng)養(yǎng)成分表見(jiàn)表1。

本文所選取的玉米秸稈原料主要來(lái)自于武威市涼州區(qū)雙城鎮(zhèn)某養(yǎng)殖場(chǎng)，為成熟的玉米秸稈，在其儲(chǔ)存期間不存在霉變現(xiàn)象，在剪切之后通過(guò)植物微型粉碎機(jī)破碎為5～10目試樣儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

3.1.3 培養(yǎng)基

培養(yǎng)基也是實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的重要材料之一，在本實(shí)驗(yàn)中，供試培養(yǎng)基為2%草粉察氏培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基 （玉米秸稈25目粉碎加1%玉米粉，0.25%尿素，2% （NH4）2SO4，0.2%KH2PO4，75%水）。其中用于菌株的活化是2%草粉察氏培養(yǎng)基，菌株擴(kuò)培則借助發(fā)酵培養(yǎng)基。

3.2 工藝的確定

在選擇了合適的實(shí)驗(yàn)材料之后，便是對(duì)實(shí)驗(yàn)工藝以及流程進(jìn)行確定，以下流程是本實(shí)驗(yàn)中所采用的方式，如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)確定的工藝流程圖，見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

在工程流程的展開(kāi)過(guò)程中，采用飼料工業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析原料的組成部分，利用DNS的方法測(cè)定粗纖維，采用凱氏定氮法測(cè)定粗蛋白，利用索氏提取法測(cè)定粗脂肪。在工藝流程開(kāi)展過(guò)程之后，針對(duì)所獲取的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析。

3.3 結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

3.3.1 對(duì)菌株的篩選

將兩株菌擴(kuò)大培養(yǎng)后分別在原材料上進(jìn)行接種，通過(guò)通風(fēng)培養(yǎng)24～240h，通過(guò)對(duì)菌體生長(zhǎng)初期至生長(zhǎng)衰退期，原料中的粗蛋白含量和纖維素含量連續(xù)測(cè)定，獲得粗蛋白含量最高點(diǎn)時(shí)，其纖維素含量對(duì)應(yīng)關(guān)系表2所示。

通過(guò)上表中的結(jié)果可以看出，菌株GSICC 62010，粗蛋白產(chǎn)量和纖維降解率均優(yōu)于菌株GSICC 62002，進(jìn)一步說(shuō)明菌株GSICC 62002由于原產(chǎn)地為美國(guó)，需要進(jìn)一步進(jìn)行生產(chǎn)馴化，才能達(dá)到適應(yīng)在國(guó)內(nèi)玉米秸稈中產(chǎn)纖維素分解酶的能力。

表1 玉米秸稈原料的主要營(yíng)養(yǎng)成分

表2 兩種類(lèi)型菌株的發(fā)酵飼料的主要成分對(duì)比表

3.3.2 加水量

根據(jù)同類(lèi)的工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在發(fā)酵過(guò)程中，如何控制水分是非常重要的工作，如果水分過(guò)少、原料過(guò)于干燥，就會(huì)影響綠色木霉菌的生長(zhǎng)速度，從而使得獲取的產(chǎn)品干枯、無(wú)香味。相反，如果原料中含有過(guò)多的水分，會(huì)對(duì)通氣帶來(lái)影響，也很容易造成原料的腐敗變質(zhì)。而基于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)考慮，將加水量控制在75%左右能夠獲得不錯(cuò)的效果，能夠使得獲取的產(chǎn)品外觀具有較好的質(zhì)量，粗蛋白含量高、粗纖維含量低。

3.3.3 接種量

一般情況下，玉米秸稈中纖維素的降解速率與原料中加入的菌種量有著直接的關(guān)聯(lián)，其原因在于玉米秸稈中富含較高的粗纖維，并且經(jīng)綠色木霉菌產(chǎn)纖維素酶分解，可以有效的減少玉米秸稈中粗纖維的含量。而且通過(guò)相關(guān)的結(jié)果也表明，在不同接種量添加的情況之下，其所獲取的飼料中的粗蛋白和粗纖維的含量都有著很大的不同，通過(guò)對(duì)綜合因素的影響考慮，包括成本、高粗蛋白、低粗纖維含量等等，將接種量設(shè)置在12%左右能夠獲取到最為理想的效果。

3.3.4 溫度、發(fā)酵時(shí)間

溫度和發(fā)酵時(shí)間同樣是微生物生長(zhǎng)的兩個(gè)重要因素，二者隨時(shí)間的變化結(jié)果分別如下圖所示。

從上圖中的結(jié)果也能夠看出，影響微生物生長(zhǎng)的溫度因素而言，其表現(xiàn)主要有兩個(gè)方面：第一，隨著溫度的不斷上升，細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)以及生長(zhǎng)速度也在上升。第二，對(duì)于溫度比較敏感的蛋白質(zhì)、核酸等機(jī)體重要組成部分，會(huì)隨著溫度的不斷上升遭到不可逆的破壞。因此，只有控制溫度在適宜的生長(zhǎng)范圍之內(nèi)，機(jī)體正常代謝活動(dòng)以及細(xì)胞的正常生長(zhǎng)繁殖才能得到保障。溫度一旦上升到一定的范圍之后，便會(huì)對(duì)機(jī)體造成不良影響，甚至還會(huì)造成機(jī)體細(xì)胞的死亡。而根據(jù)上圖中的結(jié)果，我們能夠看出，將溫度控制在25～28℃的范圍之內(nèi)能夠產(chǎn)生較高量的粗蛋白。

實(shí)際上，對(duì)于發(fā)酵時(shí)間來(lái)說(shuō)，和溫度這個(gè)因素有著類(lèi)似的趨勢(shì)，在其恒定期之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高峰，而在這個(gè)高峰的前后能夠產(chǎn)生較高含量的蛋白質(zhì)，而在本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)酵時(shí)間在3d時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高峰，繼而產(chǎn)生較高含量的蛋白質(zhì)。

圖2 變化規(guī)律

4 結(jié)束語(yǔ)

單細(xì)胞蛋白在飼料和食品工業(yè)中有著極為重要的作用，特別是在飼料工業(yè)的應(yīng)用發(fā)揮著十分重要的作用，正是因?yàn)閱渭?xì)胞蛋白的神奇能力，其有效生產(chǎn)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)糧食和飼料工業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。從我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況而言，單細(xì)胞蛋白每年產(chǎn)量?jī)H數(shù)千噸，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，依然存在很大差距。隨著國(guó)家對(duì)該類(lèi)項(xiàng)目的重視程度的不斷提高，以及支持度的加大，目前取得了較為明顯的成績(jī)，例如，上海酵母廠通過(guò)特異生物技術(shù)培育成能富積微量元素的微生物，如硒酵母、鋅酵母等。

總之，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，飲食結(jié)構(gòu)以植物蛋白為主，動(dòng)物蛋白為輔，而歐美等國(guó)主要以動(dòng)物蛋白為主，為了提高身體素質(zhì)，可通過(guò)開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)單細(xì)胞蛋白 （SCP）以解決食品和飼料問(wèn)題，該研究值得在未來(lái)生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展中投入相關(guān)的資金和精力，以促進(jìn)其快速的發(fā)展。

[1]馬旭光,張宗舟.混菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的研究[J].中國(guó)釀造,2010(1):26-28.

[2]魏甲乾,楊宗賢.共固定化細(xì)胞在生物飼料發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].飼料工業(yè),2012,33(21)：23-25.

[3]馬旭光,張宗舟.混菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(SCP)條件的優(yōu)化[J].中國(guó)食品工業(yè),2010(2):53-55.

[4]祝玉洪,馬立周.發(fā)酵技術(shù)在飼料行業(yè)中的應(yīng)用[J].飼料工業(yè),2013（18)：49-54.

[5]趙萍,夏文旭,趙瑛,等.微生物與酶制劑在秸稈發(fā)酵飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)釀造,2015,7(34)：121-124.

[6]陳娟,王治業(yè),魏甲乾,等.多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的工藝優(yōu)化[J].中國(guó)釀造,2014,3（33)：40-44.

甘肅省科學(xué)院青年基金 （2013QN-07)；甘肅省科學(xué)院產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目 （2015)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃 （2012BAD14B10-4)；國(guó)家星火項(xiàng)目 （2012GA860003)。

季彬 （1983-)，男，本科，助理研究員，主要從事農(nóng)牧廢棄物高值化綜合利用研究。

＊通訊作者：王治業(yè) （1976-)，男，碩士生導(dǎo)師，研究員，主要從事生物資源高值化及清潔生產(chǎn)方面的研究。