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食品生产中应用单细胞蛋白的优缺点分析

来源:原创论文网 添加时间:2019-11-13

  摘    要: 分析了单细胞蛋白的种类、基本特性、培养方法等,探究了影响其产量、产率的原因以及单细胞蛋白应用于食品工业的安全性评价及应用过程中的优缺点,介绍了国内单细胞蛋白在食品行业的应用情况和前景,展望了单细胞蛋白的研究方向。

  关键词: 单细胞蛋白; 菌蛋白; 微生物发酵; 食品工业;

  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;

  单细胞蛋白(SCP)是利用真菌、霉菌、酵母菌或微藻在各种基质上大规模培养而获得的微生物菌体[1],是由蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等混合组成的细胞质团[2]。SCP生长速度快,可以用简单廉价的非蛋白原料转换为蛋白质,这些优秀的特征可有效补充蛋白质来源的不足,对于食品工业的发展具有重要意义。

  1、 单细胞蛋白的种类

  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,目前用于生产SCP的微生物主要包括4大类群,即非致病和非产毒的酵母菌、细菌、真菌和微藻[1]。选择不同微生物生产SCP时应具体分析:细菌:生长速度快、蛋白质含量高,但个体小、分离困难,分离的蛋白质不易消化。酵母菌: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。丝状真菌:易于回收,质地良好,但生产速度较慢,蛋白质含量低。藻类: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。

  2 、单细胞蛋白的生产工艺及其产量产率

  2.1、 生产单细胞蛋白的一般工艺

  菌种→菌种扩大培养→发酵罐培养→培养液→分离→菌体→洗涤或水解→干燥,SCP的生产工艺一般可概述为以下几点[2]:(1)菌种扩大培养:先在无菌室内或超净工作台内接种原种菌,然后转到斜面培养基上培养,再转到三角瓶中培养,最后由小种子罐到大种子罐。培养基要求含碳源物质的单糖或多糖分子,氮源,硫、磷等矿物质微量元素,也可添加一些有利于菌体生长的生长素;(2)灭菌:所用的培养液以及所提供的空气都必须灭菌。培养液多采用蒸气加热灭菌,空气常用陶瓷多孔过滤器去除细菌;(3)培养:温度和p H都应适宜,通风供氧,搅拌均匀;(4)分离过滤:冷却后用高速离心机或滤布过滤。在生产中为了使培养液中的养分得到充分利用,可将部分营养液连续送入分离器中,分离后的上清液回到发酵罐中循环使用。对较难分离的菌种可加入絮凝剂以提高其凝聚力便于分离;(5)干燥:一般把离心机收集的菌种经洗涤后进行喷雾干燥或滚筒干燥。
 

食品生产中应用单细胞蛋白的优缺点分析
 

  2.2、 单细胞蛋白生产的产量与产率

  细胞产率是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。一般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。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,徼生物的生长、其他基质的消耗、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[2]。想要提高蛋白的产率,需要让菌体在最适宜条件下持续发酵,并不断补充营养物质。随着发酵反应的进行,培养基中的营养物质的不断消耗,细菌产物的持续积累,这些都会降低其产量和产率。及时补充培养基和分离收获菌体蛋白在发酵过程中尤为重要[3]。

  3、 单细胞蛋白应用于食品的优缺点

  3.1、 单细胞蛋白的优点

  (1)营养价值高。SCP所含的营养物质极为丰富,其中蛋白质含量高达40%~80%;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、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[4]。(2)原料来源广泛。SCP有着较为广泛的生产原料来源。大致分为以下几类:工业废物、废水;石油、天然气的相关产品;农业废物和废水。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。(3)培育时间短。SCP与其他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13h、细菌是0.52h、藻类是2~6h。(4)生产效率高。SCP的生长速度比高等动、植物快得多,肉牛体重加倍周期为2个月,豆科牧草为2周,肉鸡的加倍周期为10d,藻类的加倍周期是6h,酵母的加倍周期为1~3h,细菌只有0.5h左右,500kg的奶牛平均每天大约要生产0.5kg的蛋白质,而500kg酵母种一天可生产1 250kg蛋白质[5]。(5)SCP可以进行工业化生产。它不受地区、季节和气候的限制,产量高、质量好。而且还只使用少量的劳动力。SCP进行工业化生产时,不占用其他农作物的土地,不受气候的影响和约束,生产环境易控制,并能连续生产。微生物是在大型立体的发酵罐中培养,即使在小面积的土地上也可以生产大量菌体;不受季节及阳光的限制,且生产效率高,生产能力可达2~6kg/hm3。如200m3的培养罐,每日可以生产约10 000~30 000kg干酵母。每年工作按300d计,可产约3 000~8 000t的优质蛋白质[6]。

  3.2 、存在的不足

  SCP虽然营养丰富,是一种新型的蛋白质来源,但是也存在许多问题。主要表现为:

  (1)核酸含量过高,尤其是RNA的含量高。SCP并不是一种纯蛋白,而是一种微生物菌体,是个含有多种物质的复合物[7]。在细菌蛋白中RNA含量为13~22g/100g,酵母菌中RNA含量为6~41g/100g。核酸在人体内消化后形成尿酸,因人体内缺乏有功能的尿酸酶,尿酸不能分解,随血液循环在人体内的关节处沉淀或结晶,从而引起痛风症或风湿性关节炎症。同时由于形成尿酸过程中,肝脏中嘌呤的代谢率增高,容易导致代谢失衡和尿结石[8]。此种情况下,必须限制SCP在食品中的用量,不超过总蛋白补给量的15%,同时还应大力发展脱核酸技术,生产脱核酸技术SCP。(2)某些SCP还可能对动物具有毒性作用,尤其是细菌蛋白和培养基中含有石油衍生物时,如甲醇中芳香族化合物。因此,要慎重地选择生产SCP的微生物基质。(3)消化率比常规蛋白质低10%~15%。SCP中的毒菌肽与其他蛋白质结合,阻碍蛋白质的消化;此外,SCP中还存在一些不能被消化的物质如甘露聚糖等,对消化起副作用。(4)氨基酸供应不平衡,含硫氨基酸偏少,如Cys、Met[9]。在SCP的加工过程中可添加适量的精氨酸,使之与赖氨酸的比率合理,同时还应添加适量蛋氨酸以弥补SCP中蛋氨酸含量的不足。

  4 、安全性评价

  4.1、 安全性评价

  安全是关系到SCP能否作为食品的首要问题。SCP的原材料是危及安全性的关键。比如,石油和石蜡中的致癌烃类、一些真菌产生的毒素物质、水解液中的有毒分解产物等。为了使SCP符合作为食物的要求,通常采用特定的后处理来提高这种产品的消化性和可接受性[10]。联合国蛋白质咨询组对其安全性评价作出规定:生产用菌株不能是病原菌,不产生毒素;对生产用资源也提出一定要求,例如农产品来源的原料中重金属和农药残留含量,不能超过要求;在培养条件和产品处理中要求无污染、无溶剂残留和热损害,最终产品应无病菌、无活细胞、无原料和溶剂残留。对最终产品还必须进行小动物毒性实验(小白鼠和大白鼠)。美国食品药物管理局同时规定,必须对致癌性多环芳香族化合物、重金属、真菌毒素及菌的病源性、感染性、遗传性等进行充分评估。

  4.2 、营养性评价

  SCP食品的营养性评价,除化学分析数据外,最终取决于生物测定。生物测定的方法有生长法和氮平衡法两种。生长法是测定蛋白质效率,氮平衡法是测定蛋白质生物学价值,两者值越高说明蛋白质质量越好。核酸是所有细胞的必需成分,并且在快速分裂的细胞中呈现出相对高的水平,如果摄入过多RNA就会导致人体尿酸含量高于安全标准,所以去除SCP产品中的核酸是关乎安全性的重要问题[11]。

  5 、单细胞蛋白在食品工业的应用前景展望

  5.1 、单细胞蛋白的应用前景

  (1)SCP含有丰富的蛋白质及多种维生素和无机盐,是一种营养较为全面的理想蛋白质来源,把它掺和在饼干、饮料、奶制品中,能提高这些传统食品的营养价值;(2)SCP除直接作为食品应用外,还可作为一种食品蛋白质组分添加到汤料或饮料中强化营养、增加食品的强度;(3)利用单细胞蛋白质的蛋白质组织形成性可用于制造“人造肉”等新食品;(4)SCP还常作为食品添加剂,用以补充蛋白质或维生素、矿物质等;(5)SCP运用于肉制品和焙烤食品的制作中,可保持食品水分、口感和风味等;(6)SCP能提高食品的某些物理性能,如意大利烘饼中加入活性酵母可提高饼的延薄性能,酵母浓缩鲜剂蛋白具有显着的鲜味而广泛用作食品的增鲜剂。

  5.2、 单细胞蛋白的生产现状及前景展望

  我国SCP生产始于1922年,1986年4月10日,我国第一个SCP饲料厂在广东省江门市建成并试产成功。1987年全国SCP(酵母)总产量1.55万t,1990年SCP超过2万t,1991年总产量6万t,其中固体酵母达4.8万t,1992年固体酵母达8万t,1993年超过1万t,到2000年发展到15万t[12]。我国是农业大国,食物结构以植物蛋白为主,动物蛋白的摄入量与欧美各国相差悬殊,为了提高人民群众的体质,SCP的开发与生产为解决人类食品和饲料问题开辟了新的途径。当代世界的五大问题是人口、食物、资源、环境和能源问题,特别是食物和环境问题越来越引起社会的关注。生产SCP,一方面可以利用各种废弃物、废液、废渣来作为原料来源,从而降低环境污染;另一方面,可以获得大量的蛋白质、维生素等营养物质,用于动物饲料和食品,从而缓解食物危机。若以蛋白质含量计算,1kg SCP相当于1~1.5kg大豆,建立一座5个100t发酵罐的工厂,可以年产5 000t SCP,相当于0.3万hm2耕地上种植大豆的产量[13]。SCP的生产越来越引起世界各国的重视,特别是在前苏联、美、英、德、法等国,SCP的产量都相当的高且技术也比较成熟。因此,SCP的开发和生产在我国更具有广阔的前景。

  6、 结论

  SCP生长速度快,可以用简单廉价的非蛋白原料转换为蛋白质,关于单细胞蛋白的研究必将是一个长期的热点科学问题。安全菌株的发掘和选育、SCP风味的改良、减少SCP核酸含量的方法和工艺以及培养基和培养过程的规范和优化等,这些都是需要聚焦研究的课题。SCP原料资源丰富、营养全面,同时能减少环境污染,能有效解决蛋白来源不足的困境,对食品工业的发展具有极强的推动作用。发展SCP的优势,解决其存在的不足,降低其存在的风险,对解决我国甚至世界存在的人口、食品、环境、资源等问题都大有裨益。大力发展SCP产业适合我国的国情,具有广阔的发展空间。

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