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食品生產中應用單細胞蛋白的優缺點分析

來源:原創論文網 添加時間:2019-11-13

  摘    要: 分析了單細胞蛋白的種類、基本特性、培養方法等,探究了影響其產量、產率的原因以及單細胞蛋白應用于食品工業的安全性評價及應用過程中的優缺點,介紹了國內單細胞蛋白在食品行業的應用情況和前景,展望了單細胞蛋白的研究方向。

  關鍵詞: 單細胞蛋白; 菌蛋白; 微生物發酵; 食品工業;

  Abstract: The paper summaried the species,the characteristics,the culture methods of single cell protein,explored the factors affecting the yield and productivity of single ell protein,and explained the safety evaluation and the advantages and disadvantages in application of single cell protein in domestic food. The article introduced the application and prospect of single cell protein in food industry in China,and outlined a strategy for the future topic of single cell protein.

  Keyword: single cell protein; bacterial protein; microbial fermentation; food industry;

  單細胞蛋白(SCP)是利用真菌、霉菌、酵母菌或微藻在各種基質上大規模培養而獲得的微生物菌體[1],是由蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機物等混合組成的細胞質團[2]。SCP生長速度快,可以用簡單廉價的非蛋白原料轉換為蛋白質,這些優秀的特征可有效補充蛋白質來源的不足,對于食品工業的發展具有重要意義。

  1、 單細胞蛋白的種類

  選擇生產SCP的微生物主要從安全性、實用性、生產效率和培養條件等方面考慮,且需要味道好并易消化吸收,但最重要的是安全、無毒和不致病。用于生產SCP的微生物種類很多,目前用于生產SCP的微生物主要包括4大類群,即非致病和非產毒的酵母菌、細菌、真菌和微藻[1]。選擇不同微生物生產SCP時應具體分析:細菌:生長速度快、蛋白質含量高,但個體小、分離困難,分離的蛋白質不易消化。酵母菌:菌體大,易于分離回收,分離的蛋白質較細菌易于消化。目前生產上采用酵母菌較多。絲狀真菌:易于回收,質地良好,但生產速度較慢,蛋白質含量低。藻類:其纖維質的細胞壁不易被人體消化,可富集重金屬,作為食品需進行加工。

  2 、單細胞蛋白的生產工藝及其產量產率

  2.1、 生產單細胞蛋白的一般工藝

  菌種→菌種擴大培養→發酵罐培養→培養液→分離→菌體→洗滌或水解→干燥,SCP的生產工藝一般可概述為以下幾點[2]:(1)菌種擴大培養:先在無菌室內或超凈工作臺內接種原種菌,然后轉到斜面培養基上培養,再轉到三角瓶中培養,最后由小種子罐到大種子罐。培養基要求含碳源物質的單糖或多糖分子,氮源,硫、磷等礦物質微量元素,也可添加一些有利于菌體生長的生長素;(2)滅菌:所用的培養液以及所提供的空氣都必須滅菌。培養液多采用蒸氣加熱滅菌,空氣常用陶瓷多孔過濾器去除細菌;(3)培養:溫度和p H都應適宜,通風供氧,攪拌均勻;(4)分離過濾:冷卻后用高速離心機或濾布過濾。在生產中為了使培養液中的養分得到充分利用,可將部分營養液連續送入分離器中,分離后的上清液回到發酵罐中循環使用。對較難分離的菌種可加入絮凝劑以提高其凝聚力便于分離;(5)干燥:一般把離心機收集的菌種經洗滌后進行噴霧干燥或滾筒干燥。
 

食品生產中應用單細胞蛋白的優缺點分析
 

  2.2、 單細胞蛋白生產的產量與產率

  細胞產率是以每克基質的細胞生成量克數計,最普遍的是按碳源基質計算。一般1g葡萄糖約生成0.5g菌體。這樣的生成量是在其他基質不受限制時的產率。微生物的生長過程需要消耗碳源、氮源、氧等各種基質,如果因為某種基質濃度變化,徼生物的生長、其他基質的消耗、產物的生成等也都發生了變化,則這種基質名為限制性基質[2]。想要提高蛋白的產率,需要讓菌體在最適宜條件下持續發酵,并不斷補充營養物質。隨著發酵反應的進行,培養基中的營養物質的不斷消耗,細菌產物的持續積累,這些都會降低其產量和產率。及時補充培養基和分離收獲菌體蛋白在發酵過程中尤為重要[3]。

  3、 單細胞蛋白應用于食品的優缺點

  3.1、 單細胞蛋白的優點

  (1)營養價值高。SCP所含的營養物質極為豐富,其中蛋白質含量高達40%~80%;還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質以及豐富的酶類和生物活性物質,如輔酶、輔酶Q、谷胱甘肽、麥角固醇等;氨基酸的組成較為齊全,含有人體必需的8種氨基酸,尤其是谷物中含量較少的賴氨酸[4]。(2)原料來源廣泛。SCP有著較為廣泛的生產原料來源。大致分為以下幾類:工業廢物、廢水;石油、天然氣的相關產品;農業廢物和廢水。利用這些原料來生產SCP,不但變廢為寶,增加經濟效益,而且還凈化和保護了環境。(3)培育時間短。SCP與其他蛋白相比的一大優點就是其較短的細胞培育時間。菌體以分裂或芽殖方式繁殖按指數增長,例如,酵母菌繁殖一代的時間是13h、細菌是0.52h、藻類是2~6h。(4)生產效率高。SCP的生長速度比高等動、植物快得多,肉牛體重加倍周期為2個月,豆科牧草為2周,肉雞的加倍周期為10d,藻類的加倍周期是6h,酵母的加倍周期為1~3h,細菌只有0.5h左右,500kg的奶牛平均每天大約要生產0.5kg的蛋白質,而500kg酵母種一天可生產1 250kg蛋白質[5]。(5)SCP可以進行工業化生產。它不受地區、季節和氣候的限制,產量高、質量好。而且還只使用少量的勞動力。SCP進行工業化生產時,不占用其他農作物的土地,不受氣候的影響和約束,生產環境易控制,并能連續生產。微生物是在大型立體的發酵罐中培養,即使在小面積的土地上也可以生產大量菌體;不受季節及陽光的限制,且生產效率高,生產能力可達2~6kg/hm3。如200m3的培養罐,每日可以生產約10 000~30 000kg干酵母。每年工作按300d計,可產約3 000~8 000t的優質蛋白質[6]。

  3.2 、存在的不足

  SCP雖然營養豐富,是一種新型的蛋白質來源,但是也存在許多問題。主要表現為:

  (1)核酸含量過高,尤其是RNA的含量高。SCP并不是一種純蛋白,而是一種微生物菌體,是個含有多種物質的復合物[7]。在細菌蛋白中RNA含量為13~22g/100g,酵母菌中RNA含量為6~41g/100g。核酸在人體內消化后形成尿酸,因人體內缺乏有功能的尿酸酶,尿酸不能分解,隨血液循環在人體內的關節處沉淀或結晶,從而引起痛風癥或風濕性關節炎癥。同時由于形成尿酸過程中,肝臟中嘌呤的代謝率增高,容易導致代謝失衡和尿結石[8]。此種情況下,必須限制SCP在食品中的用量,不超過總蛋白補給量的15%,同時還應大力發展脫核酸技術,生產脫核酸技術SCP。(2)某些SCP還可能對動物具有毒性作用,尤其是細菌蛋白和培養基中含有石油衍生物時,如甲醇中芳香族化合物。因此,要慎重地選擇生產SCP的微生物基質。(3)消化率比常規蛋白質低10%~15%。SCP中的毒菌肽與其他蛋白質結合,阻礙蛋白質的消化;此外,SCP中還存在一些不能被消化的物質如甘露聚糖等,對消化起副作用。(4)氨基酸供應不平衡,含硫氨基酸偏少,如Cys、Met[9]。在SCP的加工過程中可添加適量的精氨酸,使之與賴氨酸的比率合理,同時還應添加適量蛋氨酸以彌補SCP中蛋氨酸含量的不足。

  4 、安全性評價

  4.1、 安全性評價

  安全是關系到SCP能否作為食品的首要問題。SCP的原材料是危及安全性的關鍵。比如,石油和石蠟中的致癌烴類、一些真菌產生的毒素物質、水解液中的有毒分解產物等。為了使SCP符合作為食物的要求,通常采用特定的后處理來提高這種產品的消化性和可接受性[10]。聯合國蛋白質咨詢組對其安全性評價作出規定:生產用菌株不能是病原菌,不產生毒素;對生產用資源也提出一定要求,例如農產品來源的原料中重金屬和農藥殘留含量,不能超過要求;在培養條件和產品處理中要求無污染、無溶劑殘留和熱損害,最終產品應無病菌、無活細胞、無原料和溶劑殘留。對最終產品還必須進行小動物毒性實驗(小白鼠和大白鼠)。美國食品藥物管理局同時規定,必須對致癌性多環芳香族化合物、重金屬、真菌毒素及菌的病源性、感染性、遺傳性等進行充分評估。

  4.2 、營養性評價

  SCP食品的營養性評價,除化學分析數據外,最終取決于生物測定。生物測定的方法有生長法和氮平衡法兩種。生長法是測定蛋白質效率,氮平衡法是測定蛋白質生物學價值,兩者值越高說明蛋白質質量越好。核酸是所有細胞的必需成分,并且在快速分裂的細胞中呈現出相對高的水平,如果攝入過多RNA就會導致人體尿酸含量高于安全標準,所以去除SCP產品中的核酸是關乎安全性的重要問題[11]。

  5 、單細胞蛋白在食品工業的應用前景展望

  5.1 、單細胞蛋白的應用前景

  (1)SCP含有豐富的蛋白質及多種維生素和無機鹽,是一種營養較為全面的理想蛋白質來源,把它摻和在餅干、飲料、奶制品中,能提高這些傳統食品的營養價值;(2)SCP除直接作為食品應用外,還可作為一種食品蛋白質組分添加到湯料或飲料中強化營養、增加食品的強度;(3)利用單細胞蛋白質的蛋白質組織形成性可用于制造“人造肉”等新食品;(4)SCP還常作為食品添加劑,用以補充蛋白質或維生素、礦物質等;(5)SCP運用于肉制品和焙烤食品的制作中,可保持食品水分、口感和風味等;(6)SCP能提高食品的某些物理性能,如意大利烘餅中加入活性酵母可提高餅的延薄性能,酵母濃縮鮮劑蛋白具有顯著的鮮味而廣泛用作食品的增鮮劑。

  5.2、 單細胞蛋白的生產現狀及前景展望

  我國SCP生產始于1922年,1986年4月10日,我國第一個SCP飼料廠在廣東省江門市建成并試產成功。1987年全國SCP(酵母)總產量1.55萬t,1990年SCP超過2萬t,1991年總產量6萬t,其中固體酵母達4.8萬t,1992年固體酵母達8萬t,1993年超過1萬t,到2000年發展到15萬t[12]。我國是農業大國,食物結構以植物蛋白為主,動物蛋白的攝入量與歐美各國相差懸殊,為了提高人民群眾的體質,SCP的開發與生產為解決人類食品和飼料問題開辟了新的途徑。當代世界的五大問題是人口、食物、資源、環境和能源問題,特別是食物和環境問題越來越引起社會的關注。生產SCP,一方面可以利用各種廢棄物、廢液、廢渣來作為原料來源,從而降低環境污染;另一方面,可以獲得大量的蛋白質、維生素等營養物質,用于動物飼料和食品,從而緩解食物危機。若以蛋白質含量計算,1kg SCP相當于1~1.5kg大豆,建立一座5個100t發酵罐的工廠,可以年產5 000t SCP,相當于0.3萬hm2耕地上種植大豆的產量[13]。SCP的生產越來越引起世界各國的重視,特別是在前蘇聯、美、英、德、法等國,SCP的產量都相當的高且技術也比較成熟。因此,SCP的開發和生產在我國更具有廣闊的前景。

  6、 結論

  SCP生長速度快,可以用簡單廉價的非蛋白原料轉換為蛋白質,關于單細胞蛋白的研究必將是一個長期的熱點科學問題。安全菌株的發掘和選育、SCP風味的改良、減少SCP核酸含量的方法和工藝以及培養基和培養過程的規范和優化等,這些都是需要聚焦研究的課題。SCP原料資源豐富、營養全面,同時能減少環境污染,能有效解決蛋白來源不足的困境,對食品工業的發展具有極強的推動作用。發展SCP的優勢,解決其存在的不足,降低其存在的風險,對解決我國甚至世界存在的人口、食品、環境、資源等問題都大有裨益。大力發展SCP產業適合我國的國情,具有廣闊的發展空間。

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