單細胞蛋白（SCP）的生產(chǎn).ppt

1、,單細胞蛋白（SCP）的生產(chǎn),主要內(nèi)容,概述 SCP生產(chǎn)的主要參數(shù) 生產(chǎn)SCP 的微生物種類 生產(chǎn)SCP 的原料 生產(chǎn)SCP 的一般工藝 石油蛋白的生產(chǎn) SCP的應用前景,1、概述,單細胞蛋白SCP的概念 開發(fā)SCP的意義 SCP 的特征 SCP營養(yǎng)評價,1.1 單細胞蛋白,單細胞蛋白( Single cell protein, 簡稱SCP) , 亦稱微生物蛋白或菌體蛋白, 主要是指酵母、細菌、真菌和某些低等藻類生物等微生物, 在其生長過程中利用各種基質(zhì)在適宜條件下, 培養(yǎng)單細胞或絲狀微生物的個體而獲得的菌體蛋白( Microbial protein)。 不論是分離出的細胞蛋白還是全部細胞物質(zhì)

2、都稱為SCP。,1.2 開發(fā)SCP的意義,動物和植物是人類食物的主要來源，由于當今世界人口增加及生活水平的提高，社會對蛋白質(zhì)食品的需求越來越大。 我國動物蛋白的生產(chǎn)量很低，甚至不及日本。要提高動物蛋白水平，關(guān)鍵是飼料。然而可利用的常規(guī)飼料資源日漸減少，尤其是蛋白質(zhì)資源更為匱乏。因此，人們不得不尋找非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料，在保證充分發(fā)揮家畜最大生產(chǎn)性能的前提下，盡量降低飼料成本，節(jié)約資源。,1.3 SCP 的特征,1.3.1營養(yǎng)價值高 單細胞蛋白所含的營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富, 其中蛋白質(zhì)含量高達40% 80% , 比大豆高10% 20%, 比肉、魚、奶酪高20% 以上; 還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、

3、礦物質(zhì)以及豐富的酶類和生物活性物質(zhì),如輔酶A、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。,單細胞生物體與傳統(tǒng)食品的各種營養(yǎng)成分含量比較,各種單細胞蛋白的氨基酸組成及含量,1.3 SCP 的特征,1.3.2原料來源廣泛 農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品（糖渣、果渣、淀粉渣、餅粕）、工業(yè)廢液（釀酒工業(yè)、淀粉工業(yè)、味精工業(yè)、檸檬酸工業(yè)副產(chǎn)品）、微型藻類（螺旋藻、小球藻）等都可作為生產(chǎn)原料，利用這些原料來生產(chǎn)SCP，不但變廢為寶，增加經(jīng)濟效益，而且還凈化和保護了環(huán)境。,1.3 SCP 的特征,1.3.3培育時間短 單細胞蛋白與其它蛋白相比的一大優(yōu)點就

4、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(shù)增長。例如，酵母菌繁殖一代的時間是13 h；細菌是0.52 h；藻類是26 h。,1.3 SCP 的特征,1.3.4收率高 微生物有機體蛋白產(chǎn)品的收率比其它傳統(tǒng)蛋白產(chǎn)率要高。如果蛋白培育沒有其它任何限制, SCP 與傳統(tǒng)蛋白相比具有不受環(huán)境和氣候的影響、原料易得、可連續(xù)生產(chǎn)、易于控制、污染小等優(yōu)勢。,1.3 SCP 的特征,1.3.5不受季節(jié)和氣候等條件影響 單細胞蛋白的生產(chǎn)不受季節(jié)、氣候、土壤和自然災害的影響，利用大型發(fā)酵罐立式培養(yǎng)，占地面積少，與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式相比，過程易于控制，可以節(jié)省耕地、人力和能源。年產(chǎn)10萬t的單細胞蛋白的工

5、廠，1年可產(chǎn)蛋白質(zhì)45000 t。,1.4 單細胞蛋白營養(yǎng)評價,評價單細胞蛋白的營養(yǎng)價值, 主要考慮其營養(yǎng)成份、氨基酸、維生素、核酸含量以及美味、口感、腸胃影響等因素, 且長期使用SCP 還應考慮其毒性和致癌作用。 細菌蛋白與魚粉蛋白相似, 酵母蛋白類似于大豆蛋白, 真菌蛋白稍低于酵母蛋白。當然, 微生物蛋白在硫磺氨基胱氨酸和蛋氨酸方面存在不足需補充,且賴氨酸比例較高。,2、SCP生產(chǎn)的主要參數(shù),SCP的生產(chǎn)是以菌體本身作為產(chǎn)物，因此提高菌體生長速度，使單位時間內(nèi)生產(chǎn)量得到增加，從而提高設(shè)備利用率，減少管理費用。 與細胞生長有關(guān)的參數(shù)，主要有生長速度、比增殖速度，在連續(xù)培養(yǎng)過程中，還有稀釋率、

6、限制性基質(zhì)濃度等。直接由這些參數(shù)導出的生產(chǎn)能力、收率，另外能耗和產(chǎn)品質(zhì)量等也作為重要的參數(shù)指標影響SCP的生產(chǎn)。,2.1生長速度和比增殖速度,2.1.1生長速度 微生物生長速度因菌種、培養(yǎng)條件而異。細菌、酵母等的生長特征，是以倍增時間來計算的。 微生物的生長速度與菌體濃度和基質(zhì)有關(guān)，它是指一定時間內(nèi)單位菌體的增殖量。,2.1生長速度和比增殖速度,2.1.2比增殖速度 比增殖速度是指t時間內(nèi)，微生物生長速度除以菌濃度，表明單位時間菌體的增殖比率。 由于微生物的整個生長期增殖速度并不恒定，比增殖速度在誘導期及穩(wěn)定期為0，對數(shù)生長期最大，加速期和減速期一般依時間而變動，而僅在對數(shù)生長期內(nèi)有較長時間的

7、恒定。,2.2稀釋率,當連續(xù)培養(yǎng)時，培養(yǎng)槽內(nèi)連續(xù)地一面進入培養(yǎng)基，一面排出同量的培養(yǎng)液，槽內(nèi)培養(yǎng)液的容量、組成、溫度等保持恒定狀態(tài)。 稀釋率是針對連續(xù)培養(yǎng)而言的。它是指單位時間內(nèi)更換的培養(yǎng)液所占總體積的百分比。,2.3細胞產(chǎn)率與限制性基質(zhì),細胞產(chǎn)率：以每克基質(zhì)的細胞生成量克數(shù)計。最普遍的是按碳源基質(zhì)計算。例如：1g葡萄糖約生成0.5g菌體。這樣的生成量是在其他基質(zhì)不受限制時的產(chǎn)率。 微生物的生長過程需要消耗碳源、氮源、氧等各種基質(zhì)，如果因為某種基質(zhì)濃度變化，微生物的生長、其它基質(zhì)的消耗、產(chǎn)物的生成等也都發(fā)生了變化，則這種基質(zhì)名為限制性基質(zhì)。,2.4能耗和產(chǎn)品質(zhì)量,能耗即獲得1t的SCP所消耗的

8、電能和煤量。SCP生產(chǎn)中，空氣供給、發(fā)酵罐及提取是能耗的主要部分，所以在這些方面的工藝改革和設(shè)備改進做的最多。 產(chǎn)品質(zhì)量包括蛋白質(zhì)含量、氨基酸組成、配制，特別是必需氨基酸的組分情況，還有維生素種類和數(shù)量等。,3、生產(chǎn)SCP 的微生物種類,選擇生產(chǎn)SCP 的微生物主要從安全性、實用性、生產(chǎn)效率和培養(yǎng)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(chǎn)SCP 的微生物種類很多, 包括四大類群, 即非致病和非產(chǎn)毒的酵母、細菌、霉菌及藻類, 其中以酵母菌最受重視。,1 生產(chǎn)SCP微生物的種類,根據(jù)原料的不同選擇生產(chǎn)SCP微生物的種類,（1）利用糖質(zhì)原料生產(chǎn)SCP. 釀

9、酒酵母：利用葡萄糖、蔗糖為碳源。 假絲酵母：利用戊糖為碳源。 木糖、青霉：利用纖維素為碳源。 （2）利用石油原料生產(chǎn)SCP。 假絲酵母屬的酵母菌。 （3）利用甲醇原料生產(chǎn)SCP。以細菌為主。 甲烷單胞菌屬、甲基球菌屬：甲烷專性營養(yǎng)。 假單胞菌：甲醇兼性營養(yǎng)。,（4）利用甲烷原料生產(chǎn)SCP。以細菌為主。 甲烷假單胞菌 嗜甲烷單胞菌 （5）利用乙醇原料生產(chǎn)SCP。以酵母菌為主，其次細菌霉菌 以假絲酵母屬的Candida boidinil最多。 霉菌的曲霉屬。 （6）利用CO2為碳源、氫為能源。 氫單胞菌（Hydrogenomonas). （7）利用太陽光能生產(chǎn)SCP。 單細胞藻類的小球藻、螺旋藻屬

10、 光合細菌。,選擇不同微生物生產(chǎn)SCP時應具體分析: 細菌：生長快、蛋白質(zhì)含量高。但個體小、分離困難，分離的蛋白質(zhì)不易消化。 酵母菌：菌體大，易于分離回收，分離的蛋白質(zhì)較細菌易于消化。目前生產(chǎn)上采用酵母菌較多。 絲狀真菌：易于回收，質(zhì)地良好。但生產(chǎn)速度較慢，蛋白質(zhì)含量低。 藻類：其纖維質(zhì)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。,4、生產(chǎn)SCP的原料,20 世紀80 年代中期, 全世界的SCP 年產(chǎn)量已達200 萬t , 生產(chǎn)SCP 已為全世界所關(guān)注, 地球上的不可再生的和可再生的資源都可以作為生產(chǎn)SCP的原料，它對于解決人類面臨的糧食短缺問題有著很重要的意義。,4.1 非再生

11、資源生產(chǎn)SCP,細菌和酵母菌均可利用甲醇、乙醇、甲烷和多鏈烷烴生產(chǎn)SCP。 由于甲烷蘊藏量大、價格低、不含致癌的稠環(huán)芳烴等雜質(zhì), 曾被作為第二代石油蛋白的原料加以研究, 但由于存在太多的技術(shù)困難而不能開發(fā)利用。 用乙醇作為原料生產(chǎn)的SCP, 可直接作為人們的食物, 以蛋白質(zhì)含量計算, 其價格比牛肉便宜, B 族維生素含量多, 營養(yǎng)豐富。 以石油為原料生產(chǎn)SCP, 從長遠觀點看, 其資源有限, 而且石油價格不斷上升, 所以人們開始重視利用可再生資源來生產(chǎn)SCP。,4.2 可再生資源生產(chǎn)SCP,地球上每年可再生的資源主要是碳水化合物, 包括纖維素、淀粉和糖類。 在人類的生產(chǎn)活動中, 這些資源一部分

12、被加工利用, 另一部分成為廢物被拋棄,這些廢料, 比如稻秸、蔗渣、檸檬酸廢料、果核、糖漿及其他污物等, 數(shù)量巨大, 會給環(huán)境造成極大的污染。因此, 利用這些廢料來生產(chǎn)SCP 可謂一舉兩得, 既減少了環(huán)境污染, 又可得到食用蛋白和動物蛋白。目前, 廢棄物的再生資源化成為人們關(guān)注的課題。,4.3 糖蜜原料生產(chǎn)SCP,糖蜜是甜菜制糖、甘蔗制糖的主要副產(chǎn)品, 甜菜、甘蔗糖蜜中含有多種可利用成分, 其干物質(zhì)含量在80% 90%之間, 其中糖類物質(zhì)占50% 左右, 是綜合利用發(fā)酵生產(chǎn)酵母、酒精、核苷酸等副產(chǎn)品的寶貴資源, 而且特別適用于生產(chǎn)SCP。 以糖蜜為原料生產(chǎn)SCP, 一般采用酵母菌, 如熱帶假絲酵

13、母、釀酒酵母等, 但也有些單位采用綠色木霉菌和尖孢鐮刀霉菌。,4.4 淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP,淀粉類物質(zhì)是生產(chǎn)SCP 的一種傳統(tǒng)原料, 甘薯、木薯以及馬鈴薯等淀粉質(zhì)原料的最大特點是產(chǎn)量高,但蛋白質(zhì)含量很低。 我國目前薯類原料產(chǎn)量約為1. 57 億t , 若能通過微生物發(fā)酵將其中的一部分淀粉轉(zhuǎn)化為SCP, 將在很大程度上緩解人類蛋白食品的不足。據(jù)估計,1hm2 馬鈴薯轉(zhuǎn)化成的SCP 可以相當于3 hm2 土地生產(chǎn)的大豆蛋白質(zhì)。,4.5 纖維素類原料生產(chǎn)SCP,纖維素是地球上最豐富的天然物質(zhì), 是SCP 發(fā)酵生產(chǎn)的潛在資源。大多數(shù)食品、發(fā)酵工業(yè)廢渣中, 除含淀粉外, 都含有大量的纖維素或半纖維素,

14、這些廢渣也已成為一種生產(chǎn)SCP 的原料來源。 這些廢渣蛋白質(zhì)含量較低, 消化性和適口性很差, 不適宜直接用來飼喂動物, 若能利用微生物將其中的纖維素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為菌體蛋白, 便可改善其消化性, 這樣不僅可獲得高蛋白含量的飼料, 緩解蛋白質(zhì)資源不足的矛盾, 而且還可以解決食品、發(fā)酵工業(yè)大量排放廢渣所造成的環(huán)境污染問題。,4.6 發(fā)酵廢液生產(chǎn)SCP,造紙廠、酒精廠、味精廠、豆腐廠、醬油廠等每天都排出大量廢液, 一些廢液的排放已造成嚴重的環(huán)境污染。 僅以酒精工業(yè)為例, 我國酒精產(chǎn)量為150 萬t ,而廢液量高達1 510 萬t , 約為酒精產(chǎn)量的10 倍。如果將這些廢液加以利用, 每年可制造出數(shù)萬t

15、酵母,如不加利用, 將成為一宗巨大的污染源。 因此, 從經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)保角度看, 利用含糖質(zhì)和淀粉質(zhì)的廢液為原料生產(chǎn)SCP 是近期SCP 工業(yè)的主要發(fā)展方向。,4.7 利用微藻生產(chǎn)SCP,螺旋藻、魚腥藻、小球、鹽藻等微型藻類能利用太陽能, 通過光合作用制造有機物質(zhì), 作為人畜直接或間接的食物。微藻系自養(yǎng)有機體, 可利用無機碳源( 如CO2、碳酸氫鹽) 作為養(yǎng)料生產(chǎn)SCP。,5 SCP生產(chǎn)的工藝技術(shù),單細胞蛋白生產(chǎn)的一般工藝過程：,斜面種子,種子擴大培養(yǎng),水、基質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì),發(fā)酵罐培養(yǎng),培養(yǎng)液分離,菌體,動物飼料,干燥,洗滌,干燥,水解 分離,蛋白質(zhì) 抽提,純 化,食品,5.1 液體深層發(fā)酵法,

16、液體深層發(fā)酵法是將糟液分離得到的廢糟水，添加營養(yǎng)鹽和適當玉米漿，調(diào)節(jié)pH至4.4，接種假絲酵母等多株菌種混合發(fā)酵，再經(jīng)分離、干燥得到成品。 液體深層發(fā)酵法產(chǎn)量大、機械化程度高、易于監(jiān)控，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，但投資大、生產(chǎn)成本較高。,5.2 固體發(fā)酵法,固體發(fā)酵是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的固態(tài)的濕培養(yǎng)基上的發(fā)酵過程。固態(tài)的濕培養(yǎng)基一般含水量在30%70%，而無游離水流出，此培養(yǎng)基通常是“手握成團，落地能散”。 一般只在麥麩、棉菜粕、次粉、玉米蛋白粉及其他非常規(guī)飼料中加適量廢渣水，適度滅菌后，接種假絲酵母、黑曲霉、米曲霉等進行發(fā)酵，烘干后制成。,6、石油蛋白的生產(chǎn),由石油烴作為酵母及細菌等微生

17、物的碳源進行發(fā)酵所得的菌體蛋白。 原料石油烴主要是飽和正構(gòu)烷烴，如氣態(tài)烴（甲烷等）、液態(tài)正構(gòu)烷烴（煤油、柴油）、固體石蠟等?？刹捎弥别s粗柴油進行微生物脫臘，再將正構(gòu)石蠟發(fā)酵以制取石油蛋白。 石油蛋白含粗蛋白質(zhì)40%80%及豐富的氨基酸和維生素?？捎米黟D料和飼料。但目前尚處于研究和試驗階段。,6.1 利用鏈狀烴的微生物,細菌：假單胞菌屬。其中最具特征的菌種是甲烷假單胞菌、能利用庚烷的假單胞菌、食油假單胞菌等。 酵母：以假絲酵母屬最多。 霉菌：某些曲霉、頭孢霉、鐮刀霉等可利用正烷烴進行生長，總的來說數(shù)量較少。,6.2 基質(zhì)的選擇,酵母類一般較容易同化C12C18的正烷烴，碳原子數(shù)越多越易同化。 細

18、菌對基質(zhì)的同化性相當廣泛，但一般亦喜歡碳素較多的正烷烴，細菌還能同化甲烷到戊烷的氣態(tài)烴。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.1 培養(yǎng)基的組成 氮源常使用硫酸銨、硝酸銨、氯化銨、氨水及尿素、硝酸類氮源一般菌種難以使用。作為無機離子，比較大量需要的有PO43-,Mg2+,K+,Fe2+。常需要加入作為生長因子的酵母膏、麥芽汁、玉米漿。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.2 溫度 一般25-30范圍。在細菌中有在50以上的溫度中也能生長的高溫菌或耐熱菌，它對冷卻發(fā)酵和防止污染有利。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.3 pH 酵母最適宜pH為4.5-7，細菌為7左右，一般培養(yǎng)基中pH下降時應予

19、調(diào)整。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.4 攪拌強度 主要由于基質(zhì)烴的難溶性造成基質(zhì)分散程度差，對菌體的所需烴不能充分供給。因此小規(guī)模實驗中采用加快攪拌速度進行培養(yǎng)。但在工業(yè)上因盡量減慢攪拌速度以降低成本。另外選擇乳化力強的菌株，或在培養(yǎng)基里添加表面活性劑以加強基質(zhì)的分散。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.5 基質(zhì)烴的供給 氣態(tài)烴是先溶于水而后被菌利用，其溶解度因碳原子個數(shù)不同而不同，一般在10-3 g/L以下，比氧的溶解度小得多。所以由氣相到液相的移動速度成為基質(zhì)供給的限制因子。 液態(tài)烴更復雜，因為只有在水中溶解并均一的分散才被菌體利用。當前通過改善烴在溶液中的分散，盡量提高兩者接觸

20、面來提供烴對菌的供給。 固態(tài)烴作為原料直接供給培養(yǎng)基，其大分子狀態(tài)分散性差，難以被微生物同化。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.6 發(fā)熱問題 Guenther比較了以碳水化合物和烴作基質(zhì)的發(fā)熱量，前者為1602J/100g菌體，正烷烴為3263J/100g菌體，甲烷為7782J/100g菌體。因此冷卻設(shè)備和費用要加大。 克服辦法:提高單位基質(zhì)的菌體數(shù)量；使用高溫菌種；使用好的冷卻設(shè)備。,6.3 菌體生產(chǎn)的培養(yǎng)條件,6.3.7 混合培養(yǎng) 烴同化菌各有其對基質(zhì)的選擇性。當用碳數(shù)不同的烴的混合物和煤油、汽油等石油餾分作原料時，采取對培養(yǎng)基選擇性不同的兩種或兩種以上的菌種，進行混合培養(yǎng)，可以使其對原料的收率得到增加。但混合培養(yǎng)的菌株都不能是產(chǎn)酸菌株，也不能分泌對其他菌生長不利的物質(zhì)。,6.4 制造工藝的要點,各國和各公司都設(shè)計了一些工藝流程，歸納起來有以下六點。 1.原料的處理、進料和貯藏 2.培養(yǎng)基的調(diào)整 3.散熱冷卻設(shè)備的改進 4.發(fā)酵罐的改進 5.通氣時把氨氣和空氣一起吹入 6、回收菌體,7、SCP的應用前景,7.1在食品方面的應用前景 SCP 含有豐富的蛋白質(zhì)及多種維生素和無機鹽, 是一種營養(yǎng)較為全面