农业废弃物发酵生产单细胞蛋白的研究进展

蔡文婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510530）

农业废弃物发酵生产单细胞蛋白的研究进展

蔡文婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510530）

综述了国内外单细胞蛋白（SCP）开发利用和用农业废弃物生产SCP的发展与现状，重点介绍了利用纤维素原料和农副加工产品废弃物生产SCP的研究进展及面临的问题，并对农业废弃物生产SCP的产业化发展提出了建议。

单细胞蛋白质（SCP）；农业废弃物；纤维素

单细胞蛋白（single cell protein，简称SCP），亦称微生物蛋白或菌体蛋白。SCP所含的营养物质极为丰富，除含有大量蛋白质和人体必须的8种氨基酸以外，还含有多种维生素、碳水化合物、脂类等。目前人们公认SCP是最具前景的蛋白质新资源之一，对解决粮食中蛋白质不足和动物饲料等问题有重要作用[1]。与此同时，中国作为一个农业大国，每年都会产生大量的农业废弃物（其中包含着大量的糖质、纤维素、木质素等可再生生物资源），这些物质因得不到合理利用而被焚烧或填埋，这不仅使生物质资源白白浪费，同时还造成了环境污染。在这种背景下，利用微生物将这些物质转化为高酶活单细胞蛋白，就成为国际上令人瞩目的研究课题。不仅能够提高资源的利用效率，而且对消除环境污染，改善生态环境都具有重要意义。

1 国内外SCP开发利用概况

1.1国外SCP开发利用概况

1955年联合国农粮组织的蛋白质咨询组织（PAG）强调了SCP的重要性，制定了SCP的研究指导方针。随着石油价格的逐渐增高，而且其生产的SCP往往含有致癌物质，研究人员开始逐步转向其他的原料生产SCP。由于甲烷蕴藏量大、来源广泛、价格低、不含致癌的稠环芳烃等杂质，一度被作为第二代石油蛋白的原料加以研究。后来人们逐渐发现利用甲醇、乙醇等作为SCP的生产碳源，比甲烷、石蜡和其他烷烃更具有优势。

然而从长远来看，以石油、乙醇等原料生产SCP并不经济，因为其资源有限，而且价格在不断上涨，特别是石油中含有致癌烃类，使得其生产的SCP存在安全隐患。因此，世界各国的研究人员都逐渐转向了利用各种有机废弃物作为原料生产SCP的研究。在这一领域中，俄罗斯处于领先地位，他们主要利用食品工业废水和农产品下脚料，如酒精废液、玉米芯、棉籽壳等生产饲料酵母，年产50万t以上。保加利亚以木材水解液和部分酒精废液为原料，建成了两座年产2.5万t的SCP工厂。美国以麦秸为原料，经双菌株固态发酵，使麦秸的蛋白质含量增至16%～18%，纤维素分解率达31%。

1.2国内SCP开发利用概况

我国自20世纪50年代末期就已经开始利用有机废弃物生产SCP：黑龙江伊春南岔木材厂利用木材水解液生产酵母饲料，年产2 000 t。20世纪80年代中期，南方许多味精厂都筹建了年产千吨的饲料酵母车间。同时，以酒精废液为原料生产SCP也取得了一定的进展。生产酒精的原料有两类：一是用蜜糖做原料，二是用薯干淀粉等作原料。用蜜糖酒精废液生产SCP，国内外已有较成熟的经验，即用蒸馏的废液添补蜜糖的澄清液直接培养饲料。广西轻工厂与广西红河糖厂协作，建设了中间生产装置，产品的蛋白质含量达42%以上。

近年来利用植物纤维素为原料生产SCP也越来越受到重视。湖南石门县粮食局以稻壳、稻草、麦秸、玉米芯等为原料接种侧耳菌，使产品纤维素含量降低，蛋白质含量提高。四川资中糖厂用纤维素酶水解蔗渣所得糖液生产单细胞蛋白，5 t蔗渣可生产1 t单细胞蛋白。

2 农业废弃物生产SCP的发展现状

为了解决食品中蛋白质不足和动物饲料问题，近年来人们逐渐将注意力转向了利用农业废弃物生产SCP的研究上面，这其中主要以利用植物性废弃物和农副加工产品产生的废弃物生产SCP为主。

2.1利用木质纤维原料生产转化SCP

2.1.1木质纤维原料的化学组成

植物性废弃物中含有大量的木质纤维素，其是植物界中仅次于纤维素的最丰富和最重要的有机高聚物，其基本结构单元是苯基丙烷，靠多种共键连接形成一种不溶性的、异质的、无光学活性的、无规则的、如晶体的、高度分支的三维空间结构的高分子聚合物。木质素以一种物理屏障存在，包围纤维素，成为外围茎质，保护纤维素免遭微生物及酶的攻击，成为许多工业化过程中有效利用纤维素的一个障碍[2]。

2.1.2木质纤维原料生产转化SCP的工艺技术

利用木质生物质资源生产单细胞蛋白的方法有3种：第一种是先将原料经纤维素酶、半纤维素酶等糖化后，再用酵母等微生物生产SCP；第二种是直接利用纤维素和半纤维素分解菌和酵母菌同时糖化发酵菌体转化成SCP，包括液态发酵和固态发酵；第三种是利用纤维素半纤维素水解液生产单细胞蛋白。

陈彦等人[3]研究了不同无机酸水解玉米芯的还原糖得率和培养所得SCP量综合考虑催化活性、糖得率和水解糖的质量，最后选定稀H2SO4作为水解酸。酸解法条件剧烈，会生成糠醛等有毒的分解产物，而且成本高，对设备有腐蚀作用，所以不宜在发酵工业上使用。

Cara C等人比较了蒸汽爆裂法与碱处理法对木质纤维素的预处理能力，实验发现：氢氧化钠虽有较强的脱木质素和降低结晶度的能力，但在脱木质素的同时，半纤维素也被分解，致使损失太多，同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题。

在利用木质纤维素生产SCP时，除了预处理这一关键步骤以外，混合菌株的发酵也是关键。马旭光等人[4]利用经航天诱变筛选的高产纤维素酶活菌株黑曲霉ZM-8和高生物积累量的啤酒酵母YB-6，采用混菌固态发酵方式，研究了啤酒酵母YB-6的接种量、接种时间、黑曲霉ZM-8和啤酒酵母YB-6共生发酵时间等因素，在玉米秸秆为主要原料的培养基中对黑曲霉ZM-8产纤维素酶活和发酵产物中单细胞蛋白（SCP）含量的影响。

在利用植物性废弃物生产SCP时，国内主要集中在对秸秆的研究，而国外以稻草生产SCP的研究较多，但无论用哪种原料，当前人们面对的问题还是集中在原料的预处理与利用生物技术培养高效、高产的混合菌株两个主要方面，因此这两个方面也将是今后木质纤维素生产SCP的研究重点。

2.2利用农副产品加工剩余物生产转化SCP

我国是产橘大国，柑橘加工后废渣占果实质量的25%～50%，但我国对柑橘废渣利用较少，多作为废弃物处理。以柑橘废渣为原料，利用微生物发酵生产蛋白饲料，对解决我国蛋白饲料资源短缺、提高水果种植及加工效益、减少环境污染均有重要的意义。近年来，吴厚玖等[5]对柑橘废渣发酵饲料用菌种、化学成分、喂养效果等进行了初步研究；王伟军等[6]通过3，5-二硝基水杨酸法测定苹果渣中含3.02 g/100 g还原糖，直接称量法测定苹果渣中的水分含量为83.97%。对比分析酒精酵母、面包酵母、野生酵母等发酵菌种，确定相同条件下酒精酵母单细胞蛋白产量最多。

废糖蜜是糖厂的副产物，具有产量大、含糖量高的特点，其中含有大量酵母可以利用的可发酵性糖。因此，废糖蜜是一种可以被利用生产SCP的资源。Lee Bum-Kyu和Shojaosadati Seyed Abbas也分别对废糖蜜转化SCP进行了研究，前者通过不同的培养方式生产产阮假丝酵母，发现给料分批培养方式最好，得到的细胞产率和生产率分别为0.51 g/g底物和1.95 g/L·h-1，生产成本US$2.76/kg干细胞，低于商品酵母的售价，也低于藻类和光合细菌的生产成本。除利用果渣、废蜜糖生产转化SCP以外，也有研究人员对利用淀粉、奶酪副产物生产SCP进行了研究。Paul Deepen在乳制品副产物中添加0.8%磷酸氢二铵和10×10-6的吲哚-3-乙酸发酵生产脆皮酵母，产品粗蛋白含量达到37%，总核酸为48.2%，不在毒性范围。

3 农业废弃物生产SCP所面临的问题

近年来，尽管利用农业废弃物生产SCP取得了很大进展，很多国家也都相继投入了工业化生产，但该技术在大规模商业生产中仍存在一些关键性问题，主要分为以下3个方面。

（1）技术可行性。在实际应用中，由于植物材料中纤维素微晶结构的存在和半纤维素——木质素层对纤维素的包围与粘合作用，水分难以渗入，纤维素酶不能与基质充分接触，作用缓慢，影响了纤维素的酶解率和菌体蛋白转化率。秸秆利用研究中用以生产的单一菌种的酶系不全，活性低、降解效果不理想及易受降解产物阻遏的原因，使得此项技术还处于研究过程之中。提高菌种酶产量、活力和稳定性，改变纤维材料的结构，提高对酶的敏感性，设计合理的发酵工艺路线，是木质纤维原料生产转化SCP研究中的重点内容。

（2）SCP安全性。利用纤维质原料生产SCP时，若采用酸法水解，由于条件较剧烈，会产生糠醛等有毒物质，此外农副产品加工剩余物中也含有农药残余物以及有害病原菌，因此在利用农业废弃物生产食用蛋白质及动物饲料时，这是必须要注意的问题。

（3）经济性。尽管利用农业废弃物能够降低生产成本，特别是对于农副加工产品行业不仅能够提高产品附加值，而且有效地减少了环境污染，但是对于纤维质原料来说，其质轻、松散、占地大，给运输和贮存带来很大困难，因此必须全面地开发单细胞蛋白质服务中心，提供原料供应、产品生产、市场销售、饲喂形成网络化、一体化的服务，才能真正的节省成本。

[1]彭志英.食品生物技术[M].北京：中国轻工业出版社，2001．

[2]梁新红，常景玲.作物秸杆生产单细胞蛋白的研究概况[J].山西食品工业，2003(3)：5-7.

[3]陈彦，林晓艳，尹淑媛.制备单细胞蛋白的玉米芯原料酸水解催化剂选择与多目标优化[J].化学研究与应用，2004，16(5)：703-704.

[4]马旭光，张宗舟.混菌固态发酵玉米秸秆生产单细胞蛋白的研究[J].中国酿造，2010(214)：26-28.

[5]吴厚玖，孙志高，王华.试论我国柑桔加工业发展方向[J].食品与发酵工业，2006(4)：85-89.

[6]王伟军，李延华，张兰威，等.利用苹果渣生产单细胞蛋白的研究[J].中国酿造，2008(197)：55-57.

《中国城市生活垃圾管理状况评估报告》发布

我国城市生活垃圾清运量大且增长快速，从1979年的2 508万t增长至2012年的17 081万t，增加了6.8倍，已成为我国可持续发展的重要障碍。

《中国城市生活垃圾管理状况评估报告》(以下简称《报告》)日前发布。“2012年，我国城市生活垃圾无害化处理率(考虑市辖区的农村部分)仅为62.02%，城市人均生活垃圾日清运量为1.12 kg，生活垃圾简单填埋量为814.1万t，占垃圾清运量的6.59%……”《报告》中的这些数据表明，我国城市生活垃圾管理现状堪忧。

据悉，《报告》是由中国人民大学国家发展与战略研究院完成。利用2006—2012年公开的统计数据，结合案例调查，从无害化、减量化、资源化、无害化前提下的低成本化4个角度评估了全国地级及以上城市的生活垃圾管理效果，并提出改进城市生活垃圾管理要从源头分类抓起，同时要加快信息公开的步伐。

The progress of fermentation of single cell protein（SCP）by agricultural residue

CAI Wenting
（Patent Examination Center of Guangdong Province,Guangzhou 510530,China）

The application and development trend of producing single cell protein home and abroad were introduced. The importance of producing single cell protein from agricultural residue was discussed,which included the progress of fermentation of single cell protein(SCP)by cellulose material and agricultural by-products.It also discussed the problems existing in the production of SCP and the application prospect.

single cell protein;agricultural residue;cellulose

X712

A

1674-0912（2015）05-0038-03

2015-03-09）

蔡文婷（1986-），女，宁夏银川人，硕士研究生，研究实习员，专业方向：水处理研究。