发酵工程应用实例 单细胞蛋白生产

单细胞蛋白生产单细胞蛋白(SCP)指适用于食品和动物饲料应用的微生物细胞，包括酵母菌、细菌、霉菌和高等真菌。这些微生物大多数是富含蛋白质的单细胞生物，可以认为是单细胞蛋白质的重要来源。（1）细胞蛋白质含量高达50%以上，含有多种氨基酸、维生素、矿物质、粗脂肪等营养成分，易于消化吸收。（2）微生物生长繁殖快，短时间可获得大量产品。应用微生物生产单细胞蛋白的优点：利用微生物发酵技术生产单细胞蛋白具有较高的生产率。因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积，其富集蛋白质的能力要比动、植物快得多。猪和牛的体重倍增时间分别为4～6周、1—2个月，植物体重倍增时间为l一2周，而细菌、酵母等微生物仅需20～120min。1头500kg的母牛每天能产蛋白质约0.4kg。500kg酵母每天至少生产5000kg蛋白质。在实际的工业发酵罐中，酵母能够生产出数吨蛋白质，生产率高达2-4kg／(h.m3培养液)。

（3）微生物对营养要求适应性强，可利用多种廉价原料进行生产。（4）微生物的生长条件可人为控制，可工厂化生产。生产单细胞蛋白的主要原料（1）工农业生产的废弃物和下脚料。（2）碳水化合物类（3）碳氢化合物类（4）石油产品类（5）无机气体类各种化学成分的含量因微生物的种类、菌龄、培养基组成、培养条件等不同而有较大差异。例如，啤酒酵母除含丰富的优质蛋白外，还含有较丰富的维生素D和B族维生素及Ca、Fe、Zn、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可视为一种理想的蛋白质资源。一般工业上生产单细胞蛋白的微生物是酵母，主要有酿酒酵母、产朊假丝酵母(或称圆酵母)和脆壁克鲁维酵母(或称乳清酵母)。（一）利用酵母菌生产单细胞蛋白SCP生产的概略流程图烷烃类原料生产SCPZobell(1946年)提出酵母菌利用碳氢化合物有四个特点：1、脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用；2、长链脂肪族化合物与短链脂肪族化合物相比更易于降解；3、不饱和烷烃比饱和烷烃易于降解；4、支链烷烃较直链烷烃更易被酵母菌利用和同化。微生物同化烷烃的步骤是细胞吸收外源烷烃，然后将其转运到细胞内，烷烃进行初始氧化。

主要有两条代谢烷烃的途径，即末端氧化和亚末端氧化途径。前者，烷烃的末端甲基(1个或者2个)被氧化，最后形成相应的脂肪酸。酵母菌主要以单末端氧化途径。单末端氧化途径可简单示意如下：

R-CH3→R-CH2OH→R-CHO→R-COOH↓β-氧化作用以淀粉质原料生产SCP

以淀粉质原料生产SCP主要有三条途径：①在化学分解或酶解底物基础上培养SCP生产酵母菌；②将对淀粉分解活力高的霉菌与快速生长的酵母菌混合培养；③单独培养能够同化淀粉的生产菌株。

以木薯为原料采用深层发酵法生产SCP的流程图

在SCP生产中，发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖、生长。可以通过发酵罐内部的冷却表面散发培养液的热量，当然也可以在罐外通过热交换器来降低培养液的温度。

以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50％，即2t原料可生产出1t多蛋白含量超过50％的产物。每升发酵液中生物量约为37～40g。瑞典糖业有限公司在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料SCP。糖蜜原料生产SCP糖蜜是制糖工业的主要副产品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分，是综合利用发酵生产酵母、酒精、核苷酸等产品的宝贵资源，而且特别适用于SCP生产。以糖蜜为原料生产SCP多采用液体深层发酵法。发酵前，应先采用化学、机械或两者结合的方法对糖蜜进行澄清和灭菌处理。向糖蜜中添加新鲜石灰乳和磷酸，形成磷酸钙，静置后过滤或离心除去这些沉淀即有澄清效果。也可先用H2SO4调节糖蜜pH，再依次加入NH3、铝盐、果胶和锌盐进行澄清。过滤材料可选择石棉砂和纤维素等。经机械离心获得的澄清糖蜜，可以加热至130-140℃杀菌。经过预处理的糖蜜用于酵母发酵生产，可以提高产量以及酵母产品的纯度，同时热交换器等设备表面盐类物质沉积量减少，有利于降低生产成本。纤维素类原料生产SCP有三条路线：一是预处理-酶解二是酸解三是混合发酵法生产SCP时必须采用适当工艺对原料进行预处理。纤维素酶分解天然纤维的先决条件是酶与纤维素相互接触，形成复合物，但天然纤维的纤维素和其它主要成分不溶于水，并且在细胞壁中排列成紧密的复合结构，因此，必须设法使纤维素酶分子扩散到细胞壁内，纤维素分子的表面才能使之相互接触并进行反应。结晶度越高，纤维表面积越小，酶解越困难。另外，纤维素原料中的木质素会阻碍酶与纤维素接触，是影响酶反应敏感性的另一重要因素。采用球磨、高压蒸煮、电子射线照射、γ-射线照射、膨化处理等方法，使高结晶度纤维素软化，破坏纤维结构，以利于酶解，