乳酸菌菌体蛋白的开发与应用

康素花

（天水师范学院，甘肃 天水 741300）

蛋白质是维持机体生命的基本物质，是人类正常生长所必需的成分。随着经济的发展、人民生活水平的提高，人类对蛋白质尤其是优质蛋白质的需求越来越多。而仅仅依靠传统的动植物蛋白来源已经无法满足人类的需求。菌体蛋白又称微生物蛋白，是真菌、细菌、微型藻等单细胞生物和具有简单结构的多细胞生物在适宜的条件下，吸收利用各种机质和养分培养得到的，是一种重要的蛋白质资源。乳酸菌菌体蛋白因具有生产周期短，不受气候条件限制，氨基酸种类齐全，生产原料来源广泛且利用率高于常规蛋白源等诸多优点而备受人们的关注。同时，天然防腐剂乳酸链球菌素、西北特色酸菜以及工业乳酸等乳酸发酵产品的工业化大规模生产逐年增加的同时，产生了巨大的乳酸菌废料。充分利用这些下脚料不仅可以达到变废为宝的目的，而且可减少环境污染。目前利用食品发酵行业排放的有机废液、非食用资源和废弃资源（如农副产品下脚料和工业废弃物等）开发微生物菌体蛋白，已经成为补充传统动、植物蛋白来源不足的一条重要途径，意义十分重大[1]。科学研究表明，用菌体蛋白代替畜禽饲养中一定比例的植物蛋白对畜禽生长性能并无明显的影响，因此菌体蛋白日益受到人们的青睐[2-5]。

1 菌体蛋白的发展历史和研究现状

菌体蛋白的生产已有了近百年的历史，在第一次世界大战期间，德国的科学家就提出了大量培养微生物来补充人和动物的蛋白来源以解决食物短缺问题，并付诸实践。他们研制成功了大规模培养酵母以生产蛋白质的方法，创造出了营养丰富、味道鲜美的“人造肉”，开创了利用微生物生产蛋白质造福于人类的先例。1966年，在麻省理工学院召开的一次会议上，专家学者第一次提出了菌体蛋白的概念[6]。从20世纪60～70年代开始，许多国家都开始生产菌体蛋白。1968年英国开始生产菌体蛋白，20世纪80年代初期，美国、日本、加拿大、法国等国家陆续开始了菌体蛋白生产的研究。20世纪80年代中期，全世界菌体蛋白的年产量已达到2.0×106t，并广泛用于食品加工和饲料中[7-8]。随着畜牧水产业的发展，饲料中所需要的蛋白质越来越缺乏，因此，世界上许多国家都已建立了菌体蛋白产业。据统计，我国养殖业在最近30年以来的增率均＞9%，饲料蛋白资源短缺问题越来越严重[9]。目前，全世界菌体蛋白的总产量约250万t，我国仅有50多个生产厂家，且生产规模都较小，最大生产企业的年产量也仅1.2万t，全国总产量3万t[10]，并均用于饲料蛋白。

我国耕地少、人口多，粮食供应紧张，菌体蛋白因其原料大多为可再生的植物资源，资源数量多，因此很有前途。同时，菌体蛋白的生产不会污染环境，不受土地气候的限制，全年均可生产。我国丰富的农作物秸秆等纤维素资源也为开发菌体蛋白提供了广泛的原料来源。因此，我国菌体蛋白具有巨大的发展潜力。

我国菌体蛋白的开发还处于起步阶段，目前尚需解决的问题还很多，如高效菌种的选育、研究深度、可靠的技术指导和菌体蛋白产品质量检测标准及食用效果等都有待进一步研究。

2 乳酸菌菌体蛋白的特点

人们最早用于生产菌体蛋白的微生物是酵母菌。相对于乳酸菌而言，酵母菌的生长相对比较缓慢，其蛋白质含量亦不如乳酸菌菌体细胞中的蛋白质含量高，产品也不易被公众所接受。同时，生产出的菌体蛋白主要用于饲料的粗蛋白，一些常规的分离提纯技术不能满足人们对其安全性的需要。近年来，各国专家开始致力于利用乳酸菌来生产菌体蛋白，由乳酸菌生产的菌体蛋白，其氨基酸利用率高于常规蛋白源[11]。乳酸菌具有快速的繁殖率和稳定的菌种性能，几十分钟就可繁殖一代，菌株合成蛋白能力强，其合成蛋白的速度比植物快500多倍，比动物快2 500多倍，可以获得大量菌体蛋白。乳酸菌生产的菌体粗蛋白＞80%，富含多种营养物质，除赖氨酸、苏氨酸、亮氨酸等人体必需氨基酸含量高之外，其含硫氨基酸的含量也较高，并且无毒无致病性。乳酸菌发酵过程中产生的乳酸可以增加产品的适口性，且耐酸性较好，在pH 3.0的酸性环境中也能生长繁殖，还能够以营养成分复杂的农副产品废渣和工业废料作为营养源[12]。乳酸菌是厌氧性微生物，在生产菌体蛋白的工艺流程中减少了无菌空气的制备环节，从而降低了生产成本，因此研究乳酸菌菌体蛋白已成为目前研究菌体蛋白的一大亮点。

3 乳酸菌菌体蛋白的营养价值及其存在的主要问题

据统计，我国蛋白质资源已严重缺乏，缺口已达1 500万t左右，每年从美国进口大量的大豆粕、大豆及鱼粉等，花费巨大，使饲料行业的成本升高[12-13]。菌体蛋白氨基酸组成齐全，含有动物机体所必需的各种氨基酸，其中除了组氨酸是其限制性氨基酸，精氨酸、蛋氨酸含量不足之外，植物饲料中缺乏的赖氨酸等人体必需氨基酸含量比较高。因此，可以作为营养强化剂添加到食品中，补充许多食品中所需的蛋白质，以提高各种食品的蛋白质生物价。而以乳酸菌菌体蛋白来说，乳酸菌本身具有增进细胞活性、促进血液循环、强心活血，提高人体抵抗力和免疫力等多种作用。其菌体蛋白更是含有较高的蛋氨酸和外源性消化酶，以及一些未知的生长因子，可以促进动物和人体的消化吸收功能，提高机体免疫功能[14]。研究发现，畜禽饲养中菌体蛋白替代一定比例的豆粕或鱼粉对畜禽生产性能、饲料利用率、肉质均无影响[3，15]。赵叶[16]通过菌体蛋白在生长肥育猪上的应用效果，研究了菌体蛋白的安全性以及营养价值。结果表明，菌体蛋白饲料适口性好、安全、无毒副作用，是一种接近于全效价的优质蛋白质饲料，可以广泛应用于配制畜禽的配合饲料。沈沾红等[17]研究了菌体蛋白对肉鸡生长性能、肠道生理的影响，结果表明，菌体蛋白与豆粕和鱼粉相比，对肉鸡的生长性能无显著影响，因此可以很好的代替豆粕和鱼粉，作为肉鸡的饲料蛋白源。

然而任何一种新型食品原料的问世，都会产生可接受性、安全性等问题。乳酸菌菌体蛋白也不例外。乳酸菌在发酵过程中会产生非蛋白氮，不利于动物消化吸收。同时，菌体蛋白中含有核酸，而人体和大多数动物均无法直接分解核酸。其次，为了培育出高产乳酸菌的菌株，转基因技术有时会被用于乳酸菌菌株的培育，而转基因饲料的安全与否目前还没有得到证实。最后，重金属污染、有害微生物以及氢氰酸也是乳酸菌菌体蛋白的一大安全隐患。为此有以下几点需要注意：第一，为保证产品的安全性，关键是要做好对菌种的监控和蛋白基质的选择[14]。防止生产过程中有害微生物的残留，可以在其生产环节引入HACCP体系进行监控。如果是转基因技术培育的菌株，更要进一步研究其安全性，避免其潜在危害。第二，菌体蛋白中的非蛋白氮影响动物营养物质的吸收，对动物的健康产生不利影响。同时，非蛋白氮还会引起肠道氨浓度升高，导致肠道酸度降低，加快肠道黏膜更新速度，增加需氧量等一系列不良变化，甚至引起腹水症，导致动物肝脏肿大而最终死亡[18-19]。第三，随着菌体蛋白摄入量的增多，体内核酸含量会逐渐增加，从而增加了动物尿液尿囊素和尿酸，以及黄嘌呤的排泄量。第四，微生物的细胞壁也会对动物消化酶有一定的影响。如细胞中有难于消化的类脂—细胞膜以及一些不能被消化的物质（如甘露糖等），会直接影响蛋白质等营养物质的消化吸收；乳酸菌菌体蛋白的核酸含量为10%～18%，核酸对鱼类影响不大，因为大多数鱼类机体内含有高含量的肝脏核酸酶，其可以催化核酸代谢的有毒产物降解为二氧化碳和尿素。然而，人体内核酸酶很低，大多数动物和人分解代谢核酸的能力有限，核酸的大量摄入会抑制动物和人的生长、引起痛风等疾病。食用过多的核酸还会使血浆和尿液中尿酸含量过高，尿酸积累在关节和软组织中会形成结石。因此，要解决这些问题，就要对菌体蛋白做进一步的分离纯化处理，消除其安全隐患，使其能够满足不同的需求，具有更广泛的应用范围。

4 乳酸菌菌体蛋白的提取与纯化

目前常用的提取菌体蛋白的方法有高速离心分离法、超滤膜法、加热沉淀法、絮凝沉淀法和气泡捕集法等[20-24]。但以上方法均需要一些比较复杂的设备，投入较大，且烘干过程中能源消耗也较大，因此，需要研究更有效的分离技术和更为节能的干燥方法，寻找出一条低投入高产出的技术方案，在降低成本，节约能源的同时进一步拓大应用领域[25]。

乳酸菌菌体易于收获，收获的方法主要是离心分离，再经洗涤除去培养基就可获得。目前大多数的菌体蛋白均是通过离心收集菌体，再经过洗涤、干燥后，以全细胞形式作为饲料蛋白源来销售的。从发酵废液中提取菌体蛋白，普遍是在发酵液中加入絮凝剂，将pH值调至等电点而提取出单细胞蛋白。这种菌体蛋白不是一种单一的蛋白质，是由蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、矿物质、维生素等多种混合物组成的细胞质团[26-29]，仅可用于替代部分的畜禽饲料，而作为人类食品消费的菌体蛋白需要将细胞中的蛋白分离出来，并进行纯化，以除去核酸等对人体有害的成分。因此，有企业通过进一步的纯化分离来开发更高价值的副产品。同时，菌体中含有的大量细胞壁和细胞膜将营养物质包裹着，动物淀粉酶也不能分解细胞壁肽聚糖，降低了营养物的消化吸收，使得氮的消化率下降[16，30]。这就需要破碎其细胞壁，将细胞壁溶解为蛋白质和核酸等物质，再经分离纯化获得更为安全的纯蛋白质供人们食用。破壁处理除了使细胞壁破裂外，还可以增大内膜膜孔径，从而使细胞的通透性增强，提高蛋白质的提取率[31]。生产中常将几种破壁方法联用以提高破壁率，进而提高蛋白提取率。

现在企业水解菌体蛋白的方法主要是化学法和酶水解法。化学法是利用酸碱水解蛋白质，此法虽然简单方便，但反应条件和污染均剧烈，因而不能广泛的应用。酶水解法则是利用蛋白酶可特异性水解蛋白质而水解菌体蛋白，此法反应条件温和且易控制，破坏性小，能耗低，副反应少，能对菌体蛋白的附加值实现较大的提升[32]。赵春燕等[33]以乳酸菌菌体蛋白为原料，经稀酸预处理，采用酶水解获得了复合菌体蛋白水解液。并采用响应面试验确定最佳酶解条件为酶解pH 7.7、温度52 ℃、加酶量3%、水解1.7 h，此条件下的菌体蛋白得率约为50%。为开发菌体蛋白，用于食品生产，提供了依据。

5 菌体蛋白的开发前景及应用

当今世界，由于经济的快速发展，人民生活水平的提高，加快了畜禽及水产养殖业的发展，促使蛋白质资源变得越来越紧张。据有关专家分析，在未来十年间，我国饲料蛋白质资源需要量将增至0.72亿t，而资源供给量仅0.24亿t，缺口达0.48亿t[34]。因此，开发非常规蛋白资源，寻找饲料蛋白资源替代品成了缓解蛋白饲料资源不足，降低畜禽饲养成本，提高经济效益的一条重要途径，而菌体蛋白就可以作为非常规蛋白资源的重要来源来开发利用。刘垒等[35-37]分别探讨了菌体蛋白替代大豆粕作为蛋白原料对于猪的影响，以及日粮中添加菌体蛋白对奶牛生产性能和鸡代谢能力的影响，结果表明，用菌体蛋白喂养的猪与大豆粕喂养的猪饲养效果一样。在奶牛和鸡日粮中添加菌体蛋白对牛奶的品质和鸡的代谢能力影响不大。因此，菌体蛋白不仅可以降低饲料成本，又可以缓解当前饲料蛋白质资源短缺。菌体蛋白的生产不受季节气候的制约；原料来源广泛，生产周期短、效率高。我国是食物结构以植物蛋白为主的农业大国，摄入动物蛋白的数量与欧美国家相差悬殊，而纯化后的菌体蛋白与肉类食品一样具有人体必需的8种氨基酸，因此，作为一种高质量的优质蛋白质，其的开发与生产改善了人们的食品结构，满足了人们对饮食既要追求饱又追求好的要求，提高了人民的体质，为解决人类食品问题开辟了新的途径，因此菌体蛋白的研究开发具有十分重要的意义[38-39]。

菌体蛋白作为一种比较尖端的科技产品，尤其在我国还不成熟，发展前景更为广阔[11]。采用特定的蛋白酶和方法提取纯化菌体蛋白，获得高附加值的产品，不仅可以服务人类还可以降低环境污染。

菌体蛋白具有十分广泛的应用，作为动物饲料，可以提高肉、蛋、奶产量；含赖氨酸高的少量菌体蛋白加入到各类面食制品中，可以提高植物蛋白的生物价；添加到饮料中可以强化蛋白质营养，增加饮品强度；菌体蛋白具有抗氧化能力，可以延缓食物氧化变质，因而常用于婴幼儿奶粉中。此外，除了提供蛋白外，菌体蛋白还可改善食品的一些物理特性，如加入烘饼中提高饼的延展性；未除去细胞壁的全细胞菌体蛋白具有良好的持水力，其细胞壁部分在使食品膨胀方面具有重要作用[40]。更为重要的是，科学研究表明，细菌蛋白具有对抗癌症细胞的作用，这为细菌蛋白的开发利用提供了一条新途径[25]。其中乳酸菌因其快速的繁殖率、稳定的菌种性能、高蛋白合成率、适口性、繁殖不需氧，节约了生产成本，以及其无毒无致病性等显著优点而受到人们的青睐，成为研究细菌菌体蛋白的重要菌种，为生产新一代菌体蛋白开辟了新的途径。

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