餐厨垃圾制备单细胞蛋白研究进展

2023-01-10张士成

复旦学报（自然科学版） 2022年2期

杨瑞，罗刚，张士成，刘燕

(复旦大学环境科学与工程系，上海 200438)

随着城市人口的增长和餐饮业的快速发展，过去的3年里我国城市生活垃圾的产量以年均5.34%的增长率迅速增加[1-2]，餐厨垃圾作为重要组成部分占比达60.2%。至2025年，仅亚洲国家的城市餐厨垃圾产量预计达4.16亿吨[3]。餐厨垃圾具有高盐分、高水分、高有机质含量的理化特性，且所含油脂远高于其他生活垃圾[4]。餐厨垃圾富含大量有机质，且含有多种微量元素[5-6]，如氮、磷、钾等。由于地理条件影响，餐厨垃圾的组分存在地域差异性，如亚洲餐厨垃圾中碳水化合物含量占比多于欧美等国家，而欧美等国家餐厨垃圾蛋白质含量高于亚洲国家[7]。餐厨垃圾长期积放易产生黄曲霉素等致癌物质，其中的微生物也易大量繁殖，如果不被妥善处理，将会引起诸多环境安全问题。目前，我国餐厨垃圾处理方式中，厌氧消化工艺处理约占87.5%，其余为固液分离协同焚烧、堆肥和饲养昆虫等。虽然厌氧消化工艺得到广泛应用，但依旧存在附加值低、工艺不稳定的问题。

近年来畜牧业的快速发展使得蛋白饲料的需求日益增加，很多国家面临蛋白饲料短缺的问题。目前，我国畜牧业所需的蛋白饲料大量来自于国外，2020年全年累计进口大豆约10 032.82万吨，同比增幅11.7%。随着中美贸易战情势的日渐严峻，蛋白饲料更是处于紧缺状态，严重阻碍了我国畜牧业发展[8-9]，探寻新的蛋白饲，料资源现已是畜牧业急需解决的问题。伴随着人们对食物安全性的重视，饲料也逐渐向着低农药、低风险的趋势发展，而单细胞蛋白则展现出作为饲料的优良特性。国内外有诸多研究者通过餐厨垃圾喂养昆虫，如粉虫、家蝇、蟋蟀、黑水虻等来获取蛋白饲料[10]，但这些昆虫类相较于微生物生长速度缓慢、且会产生大量粪便，相较于生长更加快速的微生物显现出劣势[11-15]。

“十四五”规划有史以来第一次将碳达峰和碳中和目标写入正在编制的经济和社会发展五年规划中[16]。在全球碳中和的大背景下，探索新的餐厨垃圾高值化资源再处理工艺的研究是极其重要的[17]。利用微生物将餐厨垃圾转化成高附加值的单细胞蛋白，更是紧密贴合国家“十四五”环境规划的目标和规划内容，是具有发展潜力的“负碳技术”。

1 单细胞蛋白概述

1.1 单细胞蛋白特点

单细胞蛋白(Single Cell Protein， SCP)，又称微生物蛋白，是利用有机基质来培养单细胞微生物，然后经过干燥及提纯制成。单细胞蛋白是包含碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、活性物质、矿物质等一些生长因子的菌体细胞质团[18]，具有极高的营养价值。单细胞蛋白中含有丰富的氨基酸，包括生物生长所必需的色氨酸、赖氨酸等多种氨基酸，且所含蛋白质量相较于豆粉高出10%～20%，优于传统的豆粕饲料[19]；可被利用消化的氮元素也高于大豆、鱼、肉等蛋白物质；生产环境易于控制，不易受到外界季节气候与地区环境的影响；微生物生长繁殖速度快，能在短期内积累大量单细胞蛋白[20]。这些优点使得单细胞蛋白近年来在饲料业备受关注。

SCP除了这些优点外，也存在一些不足之处。SCP中存在一些高浓度的核酸，而核酸含量高会增加血清中的尿酸，从而导致肾结石的形成[21]。部分微生物在环境的刺激下产生菌内毒素，具有较高的污染风险。这些都是其得到广泛应用主要的限制因素。因此，在单细胞蛋白的生产中选择合适的微生物进行发酵是极为重要的。

1.2 可发酵产单细胞蛋白的原料

可用来生产单细胞蛋白的原料种类众多，如工业副产物(淀粉类副产物、各类废水、药渣等)、农作物下脚料(秸秆、柑橘皮、麸皮等)以及一些含有机物的原料(天然气、石油等)均可作底物来发酵生产蛋白饲料[22]。这些用来制备单细胞蛋白的底物虽各异，但都富含有满足微生物生长需求的物质。餐厨垃圾属于高能量、有机物丰富的物质(如表1所示，餐厨垃圾取自上海老港生活垃圾处置公司)，其化学需氧量(Chemical Oxygen Demand， COD)可达100 g/L，其中可溶性碳水化合物、挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid， VFA)占比约为COD总量的20%，总氮含量约为2.5 g/L。丰富的有机物含量使得餐厨垃圾完全可以作为产单细胞蛋白的底物。

表1 餐厨垃圾理化性质

近年来，研究人员使用各种各样的废弃原料进行试验，都取得了很好的成果。如Yan等[23]曾利用一株Y.lipolytica菌株发酵低成本的氯化铵工业废液(甘蔗糖蜜、废油和生物柴油生产的粗甘油)生产单细胞蛋白；Xu等[24]曾利用废水和沼气氧化菌生产单细胞蛋白；Putra等[25]通过酿酒酵母发酵枣提取物，从而获得高浓度的单细胞蛋白；Hülsen等[26]则用紫色光养菌(PPB)发酵肉加工废水制取单细胞蛋白；Mensah等[27]用酵母以菠萝渣提取液为底物进行微生物蛋白的生产；Anwar等[28]通过回收利用的橄榄果渣来生产单细胞蛋白；Bonan等[29]用Shasporapassalidarum处理甘蔗渣糖来生产单细胞蛋白。微生物利用自身代谢来降解废弃物中含有的有机质，生产富含各种氨基酸种类的单细胞蛋白，这不仅为资源再利用拓展了新的途径，还增加了单细胞蛋白的产量，为提高单细胞蛋白储量增加了更多的可能性。

1.3 可发酵单细胞蛋白菌种

菌种在发酵产单细胞蛋白工艺中至关重要，它的选用决定了发酵所产饲料品质的优劣，也是畜禽和人类食用安全的关键。截止到2021年3月《饲料添加剂品种目录》中规定了29种可直接饲喂动物或允许在饲料中使用的微生物，主要划分为酵母菌、霉菌、乳酸菌和芽孢杆菌4大类，具体菌种见表2[30]。

酵母菌耐酸能力强，适宜在低pH环境下培养[31]，且不易被污染，蛋白质含量高，适应能力强，代谢产物多，综合利用广；酵母菌合成蛋白常以易降解的单糖、二糖等作为营养源[32]；常用于工业生产单细胞蛋白的酵母菌主要有产朊假丝酵母、啤酒酵母、热带假丝酵母、皮状皮孢酵母等。霉菌因其可分泌多种水解酶类，如淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等[33]，可加快底物降解成小分子化合物，供给微生物生长，所以很多研究者使用霉菌与其他菌种混合，通过菌种间的协同作用提高单细胞蛋白的产量。但霉菌在生产单细胞蛋白时，如若条件控制不当，容易出现污染现象，霉菌污染饲料后会使饲料使用价值降低，从而带来经济损失。主要被应用到饲料生产的霉菌有黑曲霉、绿色木霉、白地霉、黄曲霉和毛霉等[34]。乳酸菌是一群革兰氏阳性菌的统称，可代谢碳水化合物产乳酸[35]，作为营养物质的同时又可以降低肠道的pH，促进蛋白质吸收，增强机体免疫力，促进动物生长；广泛应用于食品、医药和饲料领域[36]。芽孢杆菌是能产生特殊抗力内生孢子的革兰氏阳性菌，耐酸碱，可在胃酸环境中保持活性；同时能产生细菌素，抑制病原菌，耐热性强，具有极强的抗逆性[37]；也能够产生多种酶类，如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等，所以具有较强的分解能力，对动物生长有很好的促进作用[38]。放线菌，特别是高温放线菌具有很高的分解木质素、纤维素的能力，且菌体含有高浓度的色氨酸、赖氨酸，营养价值极高[39]。

用于发酵的微生物必须满足安全、具有良好同化吸收发酵底物、繁殖快且性能稳定的条件[40]。发酵过程中菌种的选择应该结合处理工艺、原料的性质、微生物生长的需求及其菌种的特性功能等多方面进行综合考虑。如当底物呈酸性时，可以选择酵母菌来发酵；当底物存在大量难降解物质时，可以选择霉菌或放线菌来分解大分子难降解物质来发酵。

表2 可直接饲喂动物或允许在饲料中使用的微生物

2 发酵餐厨垃圾产单细胞蛋白饲料工艺

目前，餐厨垃圾发酵工艺包括单菌发酵工艺及混菌发酵工艺。当底物富含大分子、难以降解的物质时多选择混菌发酵[41]，且较多采用固态发酵。当餐厨垃圾中有机质容易溶出至液体中时，较多使用单一菌种发酵。

当底物中存在富含纤维素、木质素等难以降解的蔬菜、瓜果下脚料时[42]，可使用混菌发酵，充分利用不同菌种的优势[43]。2014至今，众多研究者使用混菌固态发酵的方式对餐厨垃圾进行单细胞蛋白的生产。如肖云[44]向餐厨垃圾中分别添加黑曲霉，啤酒酵母，枯草芽孢杆菌3种菌剂，实验结果表明，添加混合菌剂可极大提高餐厨垃圾微生物的发酵效果。在添加1.5%的尿素为氮源、含水量60%、pH为6、混合菌种接种量1.5%、于34 ℃发酵48 h后，所得生物饲料中粗蛋白的含量达28.35%。研究证明自制混合菌剂更适合餐厨垃圾的发酵。梁静波等[45]也通过不同菌种组合发酵试验，使用解淀粉芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、热带假丝酵母和解脂假丝酵母进行组合，采用正交试验优化发酵工艺，确定菌种最佳配比为2∶2∶1∶1，在此条件下发酵产物中粗蛋白含量最高达到23.8%，较发酵前提高41.7%。Aggelopoulos等[46]使用酿酒酵母、马克思克鲁维酵母和开菲尔粒(Kefir grain)混合，固态发酵餐厨垃圾，产物的蛋白含量达23.6%～38.5%。蔡静等[47]采用酵母菌、黑曲霉和枯草芽孢杆菌作为混合发酵菌剂进行固态发酵，确定了菌种最佳配比为1∶1∶2，接种量1.0%、尿素添加量1.0%、30 ℃发酵48 h、基质含水量60%，在此条件下发酵产物中粗蛋白含量提高了58.7%；氨基酸总含量增加了1.08倍，其中必需氨基酸含量提高了95.9%。通过不同菌种间相互协同，极大地提高了餐厨垃圾再利用率。

混菌发酵也存在一些弊端，如肖云、蔡静等[44,47]在发酵中使用霉菌，而霉菌极易感染杂菌，会使得发酵过程中出现污染现象，所以有研究者也使用单一菌种来进行发酵。Gervasia等[48]利用酿酒酵母发酵餐厨垃圾产单细胞蛋白，在25 L的大型发酵罐中进行发酵，蛋白产率达到39.8%。吴永杰等[49]采用产朊假丝酵母发酵餐厨垃圾制取单细胞蛋白，使粗蛋白含量明显提高。Putri等[50]使用小球藻单细胞来处理不同类型食品废弃物，对其进行液态发酵，发现餐厨垃圾尤其是豆腐废渣是小球藻单细胞生长的理想培养基，其蛋白产率可达52%。

在发酵餐厨垃圾产蛋白饲料工艺中，研究者们根据具体的处理情况来决定菌种的选择。若包含难降解物质、大分子化合物时，则通过菌种混合发酵；若餐厨垃圾经过前期的预处理或者积存时间较久，其中大分子化合物已经降解，则使用单一菌种进行发酵，确保发酵过程不被污染。目前，使用更多的是固态混菌发酵的方法，但是无论是单一菌种还是多种菌属配合，目的都是提高发酵效率和增加产物粗蛋白含量。

3 单细胞蛋白饲料的现实应用

单细胞蛋白作为饲料在家禽喂养、水产养殖中得到了广泛应用[51]。据统计，在水产养殖方面，氨棒状杆菌生产的微生物蛋白的利用率可达10%～20%[52]，而甲基杆菌生产的微生物蛋白能够完全替代虾饲料中的鱼粉[53]。截止2016年，在虾饲料中已经使用了高达30%的生物类饲料[54]。

为了探究单细胞蛋白对食用生物生长产生的影响，诸多研究者对畜禽类(奶牛、猪、鸡)，水产养殖类(鱼、虾、鲑鱼)进行了实验。研究者使用单细胞蛋白作为饲料直接饲喂或在饲料中以一定比例添加单细胞蛋白(表3)。实验结果均表明，单细胞蛋白不仅可以改善被饲喂动物的生长性能，还可以调节动物肠道菌群平衡、改善免疫功能，使得家禽、鱼虾有更好的生长。单细胞蛋白除了自身含有丰富的有机质外，还能帮助被饲喂的动物将大分子物质和营养物质分解转化为易消化、吸收和利用的小分子物质、小肽等，有效降解抗营养因子，提高了蛋白饲料的营养水平和利用效率，也间接增加了优质蛋白供给，缓解了蛋白饲料原料的供应不足，提高动物的生产性能[55]。在SCP产业化进程中，由于技术配套的设备需要投资大量资金，而企业不愿增加经费，致使SCP生产水平维持在较低的水平；且企业一线员工忽视发酵原理，不了解发酵本质也是单细胞蛋白产业化推进过程的阻碍。

表3 单细胞蛋白作为饲料在相关产业的应用

4 讨论

利用微生物发酵餐厨垃圾产单细胞蛋白，具有明显的资源利用优势，充分实现了餐厨垃圾高附加值再利用。这种资源化技术在处理餐厨垃圾的同时，填补了我国蛋白饲料的空缺，是一项具有现实意义的餐厨垃圾处理技术。在碳中和掀起的绿色革命下，富含丰富有机质的餐厨垃圾高效循环利用也成为一个具有研究价值的课题。

但是，就目前的研究以及应用工程来看，利用餐厨垃圾制备蛋白饲料的工艺还需从各个方面进行提升，包括原料预处理、菌种选择及其影响因素探究等，尤其是对餐厨垃圾发酵菌种的选择，以及混菌发酵比例及污染现象的控制是现阶段的研究重点。

4.1 前端预处理

餐厨垃圾复杂的特性导致在工艺开始前端必须对其进行预处理。其高浓度的有机质、盐分都会抑制微生物的生长，如Zhao等[64]发现在高盐高油的餐厨垃圾厌氧消化产甲烷中，水解、酸化和产甲烷化关键酶的活性均受到严重抑制，高盐、高油降低了Bacteroides，Clostridium和Bacillus菌属的相对丰度，严重抑制短链脂肪酸的积累，然而，有关高盐分的餐厨垃圾对发酵产单细胞蛋白的研究鲜见报道；餐厨垃圾含有丰富的蛋白质，而蛋白质是具有一定空间结构的高分子复杂有机物，可以在蛋白质水解酶的作用下生成多种氨基酸，若无预处理的前提下，难以实现完全降解；部分地区餐厨垃圾缺少一些微生物生长的营养物质，可以通过添加其他的辅料，如尿素、豆渣等来保证微生物的生长需求，陈园等[66]选用豆渣和秸秆作为辅料固体发酵餐厨垃圾制取单细胞蛋白，发酵完成后发现秸秆作为辅料的培养基,微生物对其发酵后蛋白质的提高量是最大的,而豆渣作为添加辅料，发酵所产单细胞蛋白包含更加丰富的氨基酸，更有利于饲料品质提高；对于选择产朊假丝酵母、啤酒酵母等酵母菌种的工艺，在微生物发酵之前则需要将餐厨垃圾降解为单糖、二糖、有机酸等小分子营养物质，以便更好地发酵。Martins等[66]发现，对餐厨垃圾进行微波处理可提高餐厨垃圾溶解性化学需氧量，提高蛋白质、糖类等在液相中的溶解性；王宇卓等[66]研究了餐厨垃圾湿热预处理的方式对其生物可降解性的影响，Lai[68]发现湿热处理技术可显著影响蛋白质、碳水化合物及油脂的物理化学性质，这些预处理技术均可将餐厨垃圾中复杂的大分子转换为更易被微生物代谢的小分子，提高餐厨垃圾的可降解性。当餐厨垃圾可降解性提高后，在菌种的使用上就有了更大的选择性。

4.2 菌种选择

发酵工艺中的微生物需严格筛选。很多研究者考虑到餐厨垃圾中含有大量淀粉、纤维素等难降解物质，通常会选择具有产生水解酶的霉菌或者放线菌与酵母菌相互配合。可分解水解酶的菌种分解淀粉、纤维素等多糖为还原糖，而酵母菌可快速利用还原糖，菌种间互惠共生加强发酵，达到微生物生长繁殖、提高饲料蛋白含量的目的。但是霉菌的存在使得发酵体系更易被污染，导致所产饲料饲用价值降低。而使用单一菌种发酵并配合相应的预处理也可达到提高蛋白饲料产量及品质的目的。为了保证微生物的生长，需在工艺中将温度、底物pH、基质含水量及溶氧量等影响因素控制到菌种适宜生长的范围内。

4.3 工艺安全性

整个发酵体系安全性包括微生物选择和发酵流程。在混菌发酵体系中，由于微生物涉及菌种较多则易引起杂菌而发生污染，这就要求对参与的微生物进行实时监控，从根本上做好微生物的安全控制。在整个发酵过程中控制好微生物的生长环境。可以借助先进的工业技术，严格控制发酵过程的温度、辅料添加用量、酸碱环境、时间等参数。确保优质菌种的数量及微生物的生长繁殖，防止其在环境的刺激下产生菌内毒素引发安全性问题。同时，在底物进料前进行高温灭菌操作，确保不会引入有害菌群。只有考虑到这些实际操作中方方面面的问题并对其提出积极有效的应对措施，才能最终使餐厨垃圾无害化、饲料化得以实现。利用餐厨垃圾产单细胞蛋白有望缓解我国日益紧张的饲料供应形势，并在改善生态环境和资源循环利用等方面有重要意义。