单细胞蛋白SCP的生产课件

1、小组成员：小组成员：卢志平 欧士考 舒本水 唐嘉颐单细胞蛋白（单细胞蛋白（SCPSCP）的生产）的生产主要内容n概述nSCP生产的主要参数n生产SCP 的微生物种类n生产SCP 的原料n生产SCP 的一般工艺n石油蛋白的生产nSCP的应用前景1、概述n单细胞蛋白SCP的概念n开发SCP的意义nSCP 的特征nSCP营养评价1.1 单细胞蛋白n单细胞蛋白( Single cell protein, 简称SCP) , 亦称微生物蛋白或菌体蛋白, 主要是指酵母、细菌、真菌和某些低等藻类生物等微生物, 在其生长过程中利用各种基质在适宜条件下, 培养单细胞或丝状微生物的个体而获得的菌体蛋白( Micro

2、bial protein)。n不论是分离出的细胞蛋白还是全部细胞物质都称为SCP。1.2 开发SCP的意义n动物和植物是人类食物的主要来源，由于当今世界人口增加及生活水平的提高，社会对蛋白质食品的需求越来越大。n我国动物蛋白的生产量很低，甚至不及日本。要提高动物蛋白水平，关键是饲料。然而可利用的常规饲料资源日渐减少，尤其是蛋白质资源更为匮乏。因此，人们不得不寻找非常规蛋白质饲料，在保证充分发挥家畜最大生产性能的前提下，尽量降低饲料成本，节约资源。1.3 SCP 的特征n1.3.1营养价值高 单细胞蛋白所含的营养物质极为丰富, 其中蛋白质含量高达40% 80% , 比大豆高10% 20%, 比肉

3、、鱼、奶酪高20% 以上; 还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质以及丰富的酶类和生物活性物质,如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等; 氨基酸的组成较为齐全, 含有人体必需的8 种氨基酸, 尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。单细胞生物体与传统食品的各种营养成分含量比较水分水分组组蛋白蛋白粗粗脂肪脂肪可消化碳可消化碳水化合物水化合物粗粗纤维纤维灰分灰分BPBP正烷酵母正烷酵母4.54.554.154.17.87.823.923.93.63.67.17.1BPBP石油酵母石油酵母4.54.568.568.51.51.515.015.02.12.17.97.9ESSOESSO细菌细菌62-7362

4、-7310-1510-1510106-126-12纸浆酵母纸浆酵母6.06.046.046.02.32.335.435.44.64.65.75.7螺旋藻螺旋藻62-6862-682-32-318-2018-20大米大米13.713.78.138.131.291.2975.575.50.880.881.061.06小麦小麦13.413.49.69.61.21.272.872.80.90.92.12.1大豆大豆11.1911.1936.9936.9917.7617.7624.8524.854.74.74.64.6各种单细胞蛋白的氨基酸组成及含量异亮氨异亮氨酸酸亮氨亮氨酸酸苯丙氨苯丙氨酸酸苏氨苏氨酸

5、酸色氨酸色氨酸精氨酸精氨酸组氨酸组氨酸赖氨酸赖氨酸蛋氨蛋氨酸酸FAO参考参考4.07.04.02.5大豆粉大豆粉2.53.42.21.70.63.21.12.90.6鱼粉鱼粉2.43.72.12.41.33.91.54.31.2酵母酵母（正烷烃）（正烷烃）2.73.92.42.00.72.71.33.80.8酵母酵母（甲醇）（甲醇）2.63.72.32.40.83.31.13.60.9细菌细菌（甲醇）（甲醇）3.65.62.93.80.73.71.54.92.0霉菌霉菌（乙酸）（乙酸）5.58.24.34.95.51.8小球藻小球藻（光合成）（光合成）4.28.15.13.61.55.81.8

6、7.71.31.3 SCP 的特征n1.3.2原料来源广泛 农业副产品（糖渣、果渣、淀粉渣、饼粕）、工业废液（酿酒工业、淀粉工业、味精工业、柠檬酸工业副产品）、微型藻类（螺旋藻、小球藻）等都可作为生产原料，利用这些原料来生产SCP，不但变废为宝，增加经济效益，而且还净化和保护了环境。1.3 SCP 的特征n1.3.3培育时间短n 单细胞蛋白与其它蛋白相比的一大优点就是其较短的细胞培育时间。菌体以分裂或芽殖方式繁殖按指数增长。例如，酵母菌繁殖一代的时间是13 h；细菌是0.52 h；藻类是26 h。1.3 SCP 的特征n1.3.4收率高 微生物有机体蛋白产品的收率比其它传统蛋白产率要高。如果蛋

7、白培育没有其它任何限制, SCP 与传统蛋白相比具有不受环境和气候的影响、原料易得、可连续生产、易于控制、污染小等优势。1.3 SCP 的特征n1.3.5不受季节和气候等条件影响 单细胞蛋白的生产不受季节、气候、土壤和自然灾害的影响，利用大型发酵罐立式培养，占地面积少，与传统的农业生产方式相比，过程易于控制，可以节省耕地、人力和能源。年产10万t的单细胞蛋白的工厂，1年可产蛋白质45000 t。1.4 单细胞蛋白营养评价n评价单细胞蛋白的营养价值, 主要考虑其营养成份、氨基酸、维生素、核酸含量以及美味、口感、肠胃影响等因素, 且长期使用SCP 还应考虑其毒性和致癌作用。n细菌蛋白与鱼粉蛋白相似

8、, 酵母蛋白类似于大豆蛋白, 真菌蛋白稍低于酵母蛋白。当然, 微生物蛋白在硫磺氨基胱氨酸和蛋氨酸方面存在不足需补充,且赖氨酸比例较高。2、SCP生产的主要参数nSCP的生产是以菌体本身作为产物，因此提高菌体生长速度，使单位时间内生产量得到增加，从而提高设备利用率，减少管理费用。n与细胞生长有关的参数，主要有生长速度、比增殖速度，在连续培养过程中，还有稀释率、限制性基质浓度等。直接由这些参数导出的生产能力、收率，另外能耗和产品质量等也作为重要的参数指标影响SCP的生产。2.1生长速度和比增殖速度n2.1.1生长速度n微生物生长速度因菌种、培养条件而异。细菌、酵母等的生长特征，是以倍增时间来计算的

9、。n微生物的生长速度生长速度与菌体浓度和基质有关，它是指一定时间内单位菌体的增殖量。2.1生长速度和比增殖速度n2.1.2比增殖速度n比增殖速度比增殖速度是指t时间内，微生物生长速度除以菌浓度，表明单位时间菌体的增殖比率。n由于微生物的整个生长期增殖速度并不恒定，比增殖速度在诱导期及稳定期为0，对数生长期最大，加速期和减速期一般依时间而变动，而仅在对数生长期内有较长时间的恒定。2.2稀释率n当连续培养时，培养槽内连续地一面进入培养基，一面排出同量的培养液，槽内培养液的容量、组成、温度等保持恒定状态。n稀释率稀释率是针对连续培养而言的。它是指单位时间内更换的培养液所占总体积的百分比。2.3细胞产

10、率与限制性基质n细胞产率细胞产率：以每克基质的细胞生成量克数计。最普遍的是按碳源基质计算。例如：1g葡萄糖约生成0.5g菌体。这样的生成量是在其他基质不受限制时的产率。n微生物的生长过程需要消耗碳源、氮源、氧等各种基质，如果因为某种基质浓度变化，微生物的生长、其它基质的消耗、产物的生成等也都发生了变化，则这种基质名为限制性基质限制性基质。2.4能耗和产品质量n能耗能耗即获得1t的SCP所消耗的电能和煤量。SCP生产中，空气供给、发酵罐及提取是能耗的主要部分，所以在这些方面的工艺改革和设备改进做的最多。n产品质量产品质量包括蛋白质含量、氨基酸组成、配制，特别是必需氨基酸的组分情况，还有维生素种类

11、和数量等。3、生产SCP 的微生物种类n选择生产SCP 的微生物主要从安全性、实用性、生产效率和培养条件等方面考虑, 且需要味道好并易消化吸收, 但最重要的是安全、无毒和不致病。用于生产SCP 的微生物种类很多, 包括四大类群, 即非致病和非产毒的酵母、细菌、霉菌及藻类, 其中以酵母菌最受重视。1 1 生产生产SCPSCP微生物的种类微生物的种类根据原料的不同选择生产SCP微生物的种类（1）利用糖质原料生产SCP. 酿酒酵母：利用葡萄糖、蔗糖为碳源。 假丝酵母：利用戊糖为碳源。 木糖、青霉：利用纤维素为碳源。（2）利用石油原料生产SCP。 假丝酵母属的酵母菌。（3）利用甲醇原料生产SCP。以细

12、菌为主。 甲烷单胞菌属、甲基球菌属：甲烷专性营养。 假单胞菌：甲醇兼性营养。（4）利用甲烷原料生产SCP。以细菌为主。 甲烷假单胞菌 嗜甲烷单胞菌（5）利用乙醇原料生产SCP。以酵母菌为主，其次细菌霉菌 以假丝酵母属的Candida boidinil最多。 霉菌的曲霉属。（6）利用CO2为碳源、氢为能源。 氢单胞菌（Hydrogenomonas).（7）利用太阳光能生产SCP。 单细胞藻类的小球藻、螺旋藻属 光合细菌。选择不同微生物生产选择不同微生物生产SCPSCP时应具体分析时应具体分析: :细菌细菌：生长快、蛋白质含量高。但个体小、分离困难，分离生长快、蛋白质含量高。但个体小、分离困难，分

13、离的蛋白质不易消化。的蛋白质不易消化。酵母菌：酵母菌：菌体大，易于分离回收，分离的蛋白质较细菌易于菌体大，易于分离回收，分离的蛋白质较细菌易于消化。目前生产上采用酵母菌较多。消化。目前生产上采用酵母菌较多。丝状真菌：丝状真菌：易于回收，质地良好。但生产速度较慢，蛋白质易于回收，质地良好。但生产速度较慢，蛋白质含量低。含量低。藻类：藻类：其纤维质的细胞壁不易被人体消化。可富集重金属，其纤维质的细胞壁不易被人体消化。可富集重金属，作为食品需进行加工作为食品需进行加工。4、生产SCP的原料n20 世纪80 年代中期, 全世界的SCP 年产量已达200 万t , 生产SCP 已为全世界所关注, 地球上

14、的不可再生的和可再生的资源都可以作为生产SCP的原料，它对于解决人类面临的粮食短缺问题有着很重要的意义。4.1 非再生资源生产SCPn细菌和酵母菌均可利用甲醇、乙醇、甲烷和多链烷烃生产SCP。n由于甲烷蕴藏量大、价格低、不含致癌的稠环芳烃等杂质, 曾被作为第二代石油蛋白的原料加以研究, 但由于存在太多的技术困难而不能开发利用。n用乙醇作为原料生产的SCP, 可直接作为人们的食物, 以蛋白质含量计算, 其价格比牛肉便宜, B 族维生素含量多, 营养丰富。n以石油为原料生产SCP, 从长远观点看, 其资源有限, 而且石油价格不断上升, 所以人们开始重视利用可再生资源来生产SCP。4.2 可再生资源

15、生产SCPn地球上每年可再生的资源主要是碳水化合物, 包括纤维素、淀粉和糖类。n在人类的生产活动中, 这些资源一部分被加工利用, 另一部分成为废物被抛弃,这些废料, 比如稻秸、蔗渣、柠檬酸废料、果核、糖浆及其他污物等, 数量巨大, 会给环境造成极大的污染。因此, 利用这些废料来生产SCP 可谓一举两得, 既减少了环境污染, 又可得到食用蛋白和动物蛋白。目前, 废弃物的再生资源化成为人们关注的课题。4.3 糖蜜原料生产SCPn糖蜜是甜菜制糖、甘蔗制糖的主要副产品, 甜菜、甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分, 其干物质含量在80% 90%之间, 其中糖类物质占50% 左右, 是综合利用发酵生产酵母、酒精

16、、核苷酸等副产品的宝贵资源, 而且特别适用于生产SCP。n以糖蜜为原料生产SCP, 一般采用酵母菌, 如热带假丝酵母、酿酒酵母等, 但也有些单位采用绿色木霉菌和尖孢镰刀霉菌。4.4 淀粉质原料生产SCPn淀粉类物质是生产SCP 的一种传统原料, 甘薯、木薯以及马铃薯等淀粉质原料的最大特点是产量高,但蛋白质含量很低。n我国目前薯类原料产量约为1. 57 亿t , 若能通过微生物发酵将其中的一部分淀粉转化为SCP, 将在很大程度上缓解人类蛋白食品的不足。据估计,1hm2 马铃薯转化成的SCP 可以相当于3 hm2 土地生产的大豆蛋白质。4.5 纤维素类原料生产SCPn纤维素是地球上最丰富的天然物质

17、, 是SCP 发酵生产的潜在资源。大多数食品、发酵工业废渣中, 除含淀粉外, 都含有大量的纤维素或半纤维素, 这些废渣也已成为一种生产SCP 的原料来源。n这些废渣蛋白质含量较低, 消化性和适口性很差, 不适宜直接用来饲喂动物, 若能利用微生物将其中的纤维素类物质转化为菌体蛋白, 便可改善其消化性, 这样不仅可获得高蛋白含量的饲料, 缓解蛋白质资源不足的矛盾, 而且还可以解决食品、发酵工业大量排放废渣所造成的环境污染问题。4.6 发酵废液生产SCPn造纸厂、酒精厂、味精厂、豆腐厂、酱油厂等每天都排出大量废液, 一些废液的排放已造成严重的环境污染。n仅以酒精工业为例, 我国酒精产量为150 万t

18、 ,而废液量高达1 510 万t , 约为酒精产量的10 倍。如果将这些废液加以利用, 每年可制造出数万t 酵母,如不加利用, 将成为一宗巨大的污染源。n因此, 从经济、技术和环保角度看, 利用含糖质和淀粉质的废液为原料生产SCP 是近期SCP 工业的主要发展方向。4.7 利用微藻生产SCPn螺旋藻、鱼腥藻、小球、盐藻等微型藻类能利用太阳能, 通过光合作用制造有机物质, 作为人畜直接或间接的食物。微藻系自养有机体, 可利用无机碳源( 如CO2、碳酸氢盐) 作为养料生产SCP。5 5 SCPSCP生产的工艺技术生产的工艺技术单细胞蛋白生产的一般工艺过程：斜面种子种子扩大培养水、基质、营养物质发酵

19、罐培养培养液分离菌体动物饲料干燥洗涤干燥水解分离蛋白质抽提纯化食品5.1 液体深层发酵法n液体深层发酵法是将糟液分离得到的废糟水，添加营养盐和适当玉米浆，调节pH至4.4，接种假丝酵母等多株菌种混合发酵，再经分离、干燥得到成品。n液体深层发酵法产量大、机械化程度高、易于监控，适合于工业化生产，但投资大、生产成本较高。5.2 固体发酵法n固体发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程。固态的湿培养基一般含水量在30%70%，而无游离水流出，此培养基通常是“手握成团，落地能散”。n一般只在麦麸、棉菜粕、次粉、玉米蛋白粉及其他非常规饲料中加适量废渣水，适度灭菌后，接种假丝酵母、

20、黑曲霉、米曲霉等进行发酵，烘干后制成。6、石油蛋白的生产n由石油烃作为酵母及细菌等微生物的碳源进行发酵所得的菌体蛋白。 n原料石油烃主要是饱和正构烷烃，如气态烃（甲烷等）、液态正构烷烃（煤油、柴油）、固体石蜡等。可采用直馏粗柴油进行微生物脱腊，再将正构石蜡发酵以制取石油蛋白。 n石油蛋白含粗蛋白质40%80%及丰富的氨基酸和维生素。可用作饵料和饲料。但目前尚处于研究和试验阶段。 6.1 利用链状烃的微生物n细菌：假单胞菌属。其中最具特征的菌种是甲烷假单胞菌、能利用庚烷的假单胞菌、食油假单胞菌等。n酵母：以假丝酵母属最多。n霉菌：某些曲霉、头孢霉、镰刀霉等可利用正烷烃进行生长，总的来说数量较少。

21、6.2 基质的选择n酵母类一般较容易同化C12C18的正烷烃，碳原子数越多越易同化。n细菌对基质的同化性相当广泛，但一般亦喜欢碳素较多的正烷烃，细菌还能同化甲烷到戊烷的气态烃。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.1 培养基的组成n氮源常使用硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、氨水及尿素、硝酸类氮源一般菌种难以使用。作为无机离子，比较大量需要的有PO43-,Mg2+,K+,Fe2+。常需要加入作为生长因子的酵母膏、麦芽汁、玉米浆。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.2 温度n一般25-30范围。在细菌中有在50以上的温度中也能生长的高温菌或耐热菌，它对冷却发酵和防止污染有利。 6.3 菌体生产的培养条件n6

22、.3.3 pHn酵母最适宜pH为4.5-7，细菌为7左右，一般培养基中pH下降时应予调整。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.4 搅拌强度n主要由于基质烃的难溶性造成基质分散程度差，对菌体的所需烃不能充分供给。因此小规模实验中采用加快搅拌速度进行培养。但在工业上因尽量减慢搅拌速度以降低成本。另外选择乳化力强的菌株，或在培养基里添加表面活性剂以加强基质的分散。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.5 基质烃的供给n气态烃是先溶于水而后被菌利用，其溶解度因碳原子个数不同而不同，一般在10-3 g/L以下，比氧的溶解度小得多。所以由气相到液相的移动速度成为基质供给的限制因子。n液态烃更复杂，因为只有在

23、水中溶解并均一的分散才被菌体利用。当前通过改善烃在溶液中的分散，尽量提高两者接触面来提供烃对菌的供给。n固态烃作为原料直接供给培养基，其大分子状态分散性差，难以被微生物同化。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.6 发热问题nGuenther比较了以碳水化合物和烃作基质的发热量，前者为1602J/100g菌体，正烷烃为3263J/100g菌体，甲烷为7782J/100g菌体。因此冷却设备和费用要加大。n克服办法:提高单位基质的菌体数量；使用高温菌种；使用好的冷却设备。6.3 菌体生产的培养条件n6.3.7 混合培养n烃同化菌各有其对基质的选择性。当用碳数不同的烃的混合物和煤油、汽油等石油馏分作原料时，采取对培养基选择性不同的两种或两种以上的菌种，进行混合培养，可以使其对原料的收率得到增加。但混合培养的菌株都不能是产酸菌株，也不能分泌对其他菌生长不利的物质。6.4 制造工艺的要点n各国和各公司都设计了一些工艺流程，归纳起来有以下六点。n1.原料的处理、进料和贮藏n2.培养基的调整n3.散热冷却