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

玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白飼料前景研究

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

基于實踐發(fā)現(xiàn)，利用玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白飼料具有很大的發(fā)展前景，筆者結(jié)合多年的實踐工作經(jīng)驗，首先對單細胞蛋白的相關理論進行介紹，然后結(jié)合單細胞蛋白的生物學特性，對玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白飼料進行了詳細的實驗分析，希望能夠為該種生物轉(zhuǎn)化手段的應用推廣提供借鑒。

玉米秸稈；發(fā)酵生產(chǎn)；單細胞蛋白；飼料；實驗

人類利用微生物生產(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)。而近代單細胞蛋白研究生產(chǎn)出現(xiàn)的最初目的是為了解決糧食問題，并通過對可再生資源的生物轉(zhuǎn)化利用，增加能夠作為基礎飼料蛋白的來源，在生態(tài)平衡的前提下解決糧食短缺以及環(huán)境污染等問題。秸稈資源在開發(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?，F(xiàn)階段的研究表明，目前國內(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，本文對相關內(nèi)容進行探討。

1 單細胞蛋白的理論概述

1.1 單細胞蛋白概述

單細胞蛋白 （簡稱SCP），主要指非致病性細菌、真菌及微藻通過在適宜條件的培養(yǎng)下，在其生命周期內(nèi)利用營養(yǎng)基質(zhì)，培養(yǎng)細胞或者絲狀微生物的個體從而獲得大量菌體蛋白的過程。單細胞蛋白作為飼料蛋白得到了全球的廣泛應用。

1.2 單細胞蛋白的用途

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

2 單細胞蛋白的生物學特性

通常情況下，單細胞蛋白生物學特性主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

2.1 營養(yǎng)豐富

單細胞蛋白的氨基酸組成與動物蛋白質(zhì)含量相當，比如酵母菌體蛋白具備較高價值的營養(yǎng)，富含人體必需的7種氨基酸 （除蛋氨酸外），因此，被譽為 “人造肉”的美譽。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)及脂類等營養(yǎng)物質(zhì)也是相當豐富的，因此，單細胞蛋白的營養(yǎng)價值有口皆碑。

2.2 原料來源廣

單細胞蛋白原料的生產(chǎn)來源十分普遍，可以分為4大類，第一類石油原料，比如天然氣、正烷烴及柴油；第二類石油化工產(chǎn)品，比如乙醇、醋酸、甲醇等；第三類碳酸氣及氫氣；第四類糖質(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)濟便利，最關鍵的是用后可以再生，循環(huán)使用實現(xiàn)環(huán)境保護。

2.3 可以實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)

地域、氣候、季節(jié)等因素不會干擾單細胞蛋白的生產(chǎn)，又可在不占地的在小設備上進行生產(chǎn)，不但可以實現(xiàn)量產(chǎn)且生產(chǎn)出來的蛋白質(zhì)量高，超越目前糧食品種的蛋白質(zhì)，比農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所投入的勞動力少1/3?，F(xiàn)在80%的國家單細胞蛋白的生產(chǎn)已頗具規(guī)模，取得了可喜的成績，僅前蘇聯(lián)的年產(chǎn)量已超百萬噸。利用單細胞高活性生物飼料代替魚粉在前蘇聯(lián)、美國、加拿大、德國等已經(jīng)被廣泛應用。

2.4 生產(chǎn)速率高

通常而言，蛋白質(zhì)生產(chǎn)速率與家禽、家畜的體重倍增時間成正比，但是微生物繁殖卻比家禽、家畜體重增長的速度要快千萬倍，例如，酵母菌、細菌的倍增時間是20～120h，綠藻類、霉菌是2～6h，植物是1～2周，豬是4～6周，而牛則是1～2個月。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)單細胞蛋白質(zhì)微生物的菌種還具有易于被品種改良的相關特性，例如，定向誘變育種可以借助物理、化學、生物學等方法，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)單細胞蛋白飼料的實驗分析

3.1 材料的選擇

在玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白飼料的實驗中，主要包括以下幾個方面的材料。

3.1.1 菌株

本實驗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菌株來源地為美國，GSICC 62002菌株來源地為中國。

3.1.2 原料

本文所用的玉米秸稈原料的營養(yǎng)成分表見表1。

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

3.1.3 培養(yǎng)基

培養(yǎng)基也是實驗開展的重要材料之一，在本實驗中，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

在選擇了合適的實驗材料之后，便是對實驗工藝以及流程進行確定，以下流程是本實驗中所采用的方式，如下圖所示。

實驗確定的工藝流程圖，見圖1。

圖1 工藝流程圖

在工程流程的展開過程中，采用飼料工業(yè)國家標準分析原料的組成部分，利用DNS的方法測定粗纖維，采用凱氏定氮法測定粗蛋白，利用索氏提取法測定粗脂肪。在工藝流程開展過程之后，針對所獲取的結(jié)果進行相關的數(shù)據(jù)分析。

3.3 結(jié)果與分析

本文實驗所獲取的數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

3.3.1 對菌株的篩選

將兩株菌擴大培養(yǎng)后分別在原材料上進行接種，通過通風培養(yǎng)24～240h，通過對菌體生長初期至生長衰退期，原料中的粗蛋白含量和纖維素含量連續(xù)測定，獲得粗蛋白含量最高點時，其纖維素含量對應關系表2所示。

通過上表中的結(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，進一步說明菌株GSICC 62002由于原產(chǎn)地為美國，需要進一步進行生產(chǎn)馴化，才能達到適應在國內(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養(yǎng)成分

表2 兩種類型菌株的發(fā)酵飼料的主要成分對比表

3.3.2 加水量

根據(jù)同類的工藝實踐經(jīng)驗可知，在發(fā)酵過程中，如何控制水分是非常重要的工作，如果水分過少、原料過于干燥，就會影響綠色木霉菌的生長速度，從而使得獲取的產(chǎn)品干枯、無香味。相反，如果原料中含有過多的水分，會對通氣帶來影響，也很容易造成原料的腐敗變質(zhì)。而基于本實驗的結(jié)果來考慮，將加水量控制在75%左右能夠獲得不錯的效果，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。而且通過相關的結(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，通過對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)酵時間

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

從上圖中的結(jié)果也能夠看出，影響微生物生長的溫度因素而言，其表現(xiàn)主要有兩個方面：第一，隨著溫度的不斷上升，細胞內(nèi)的生物化學反應以及生長速度也在上升。第二，對于溫度比較敏感的蛋白質(zhì)、核酸等機體重要組成部分，會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范圍之內(nèi)，機體正常代謝活動以及細胞的正常生長繁殖才能得到保障。溫度一旦上升到一定的范圍之后，便會對機體造成不良影響，甚至還會造成機體細胞的死亡。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。

實際上，對于發(fā)酵時間來說，和溫度這個因素有著類似的趨勢，在其恒定期之內(nèi)會出現(xiàn)一個高峰，而在這個高峰的前后能夠產(chǎn)生較高含量的蛋白質(zhì)，而在本實驗中，發(fā)酵時間在3d時會出現(xiàn)一個高峰，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

單細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)的應用發(fā)揮著十分重要的作用，正是因為單細胞蛋白的神奇能力，其有效生產(chǎn)對于推動我國糧食和飼料工業(yè)的發(fā)展具有深遠的意義。從我國的現(xiàn)實情況而言，單細胞蛋白每年產(chǎn)量僅數(shù)千噸，相較于發(fā)達國家而言，依然存在很大差距。隨著國家對該類項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，例如，上海酵母廠通過特異生物技術(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，我國是農(nóng)業(yè)大國，飲食結(jié)構(gòu)以植物蛋白為主，動物蛋白為輔，而歐美等國主要以動物蛋白為主，為了提高身體素質(zhì)，可通過開發(fā)和量產(chǎn)單細胞蛋白 （SCP）以解決食品和飼料問題，該研究值得在未來生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展中投入相關的資金和精力，以促進其快速的發(fā)展。

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甘肅省科學院青年基金 （2013QN-07)；甘肅省科學院產(chǎn)業(yè)化項目 （2015)；國家科技支撐計劃 （2012BAD14B10-4)；國家星火項目 （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。