單細胞蛋白(SCP)又稱微生物蛋白或菌體蛋白,一般指酵母、非病源性細菌、微型菌、真菌等單細胞生物體所含蛋白質，其粗蛋白含量高，而且各種氨在酸搭配合理維生素含量也十分豐富，是優良的飼料蛋白。開發利用微生物發酵農作物秸稈生產單細胞蛋白飼料，不僅可以緩解蛋白飼料嚴重不足，還可以促進我國畜牧業結構轉型，推動畜牧業進一步發展。本研究以谷草和高粱秸稈為原料，酶解后發酵生產單細胞蛋白。

1  材料與方法
1.1  原料  選擇收獲后露天貯存半年、無霉變的谷草和高粱秸稈（成分表1）,剪切后經植物微型粉碎機(F2102,河北黃科學儀器廠)破碎為30目試樣貯存備用。

表1   原料成分

 1.2  糖液  原料在優化條件下,經纖維素酶(酶活≥15000U/g,上海麗珠東風生物技術有限公司產品)降解得到。

1.3  酵母  釀酒酵母,自選。

1.4  發酵流程  原料—粉碎—配料—滅菌(手提式壓力蒸氣滅菌器,YXQ•SG41•280A,上海醫用核子儀器廠)一酶解一發酵(淺層液體發酵;調溫調濕器DL302-1型,上海吳淞五金廠)。

1.5  分析方法

1.5.1  原料組成分析   按飼料工業國家標準。

1.5.2  定糖   DNS法(紫外-可見分光光度計WFZ-800D3A,北京第二光學儀器廠)。

1.5.3  粗蛋白質的測定   福林—酚法；雙縮脲法；凱氏定氮法。

2   結果與討論

2.1   溫度的影響和發酵時間的確定   溫度是影響有機體存活與生長的重要因素之一。它對生物機體的影響，主要表現在兩個方面：一方面隨溫度上升細胞中的生物化學反應速率和生長速率加快；另一方面機體的重要組分，如蛋白質、核酸等對溫度都較敏感，若溫度升高，它們可能遭受不可逆的破壞。因此只有在一定溫度范圍內，機體代謝活動與生長繁殖才能隨溫度的上升而增加。當溫度上升到一定程度，開始對機體產生不利影響，如果溫度繼續升高，則細胞功能急劇下降或死亡。通過發酵試驗，可知溫度為30-32℃時,蛋白質濃度較高.溫度偏高(40℃)、偏低(25℃)都不利于酵母的繁殖和生長(見圖1)。

圖１  溫度與蛋白質產率

根據微生物群體生長規律，微生物的生長速率不是始終如一的，而是隨著時間的延長，而呈有規律變化。依據微生物生長速度不同，可將菌體生長劃分為4個時期,在恒定期亦稱穩定期或最高生長期在恒定期亦穩定期或最高生長期,菌量最多,即蛋白質含量最高。因此隨發酵時間增加必有一高峰出現，見圖2。本試驗在18h左右出現峰值。

圖2  穩定期的確定

2.2  pH值影響與選擇   環境的pH值,對微生物生命活動的影響很大,主要作用于引起細胞膜電位的變化,從而影響微生物對營養物質的吸收;改變生長環境中營養物質的可利用率以及有害物質的毒性。每種微生物都有其最適宜pH值和一定的pH值范圍。低于最低或超過最高pH值時,微生物適宜在微酸性條件下發育,所以選擇pH值4.4至7.0范圍為本試驗pH區間,試驗結果見圖3, 圖3表明pH值5.0左右時最終產物蛋白質含量最高。

圖3   pH值與蛋白質產率

2.3  原料預處理   為了考察底冰凍預處理,對酶解糖化過程的影響,取4組平行樣：1：底物在滅菌之前，經過冰凍預處理，滅菌后酶與酵母一并加入，酶解發酵同時進行；2:預處理類似1，但行酶解糖化后再發酵酶解發酵分步進行；3:類似1，但不進行冰凍預處理；4：類似2，不進行冰預處理。試驗結果見表2。

2與1、4與3比較說明，發酵前進行酶解的作用。由于發酵前底物已經部分酶解糖化，其產物糖類能為酵母菌的生長繁殖創造較好的營養環境使蛋白質產率提高約0.5%。1與3、2與4比較說明,底物冰凍預處理對酶解的影響。試驗發現,冰凍預處理有利于酶解反應。這可能是由于秸稈所含水分結冰體積膨脹在一定程度上使纖維素結晶狀態發生變化,微孔變大,比表面增加，提高了纖維素酶的可及性和酶解糖化的程度，所以最終能提高蛋白質產率。在我國大部分地區，冬季有數月冰凍期，利用自然冰凍期進行底物預處理不失為一種經濟有效的工藝流程。

表2   預處理的影響

2.4  控制水料比    微生物對水分活性的要求是不同的,為了測定液量對整個反應的影響,變動水料比,測定糖化發酵產物產率,結果見表3。

表3   水料比的影響

表3說明,增加水量,蛋白質產率增大。雖然水量增加有利于物料擴散，促進反應進行，但水量過大，將增加反續處理和能量消耗。

2.5  優化氮磷比   氮和磷在微生物生長與繁殖過程中起著重要作用。氮源的生理功能，主要是合成細胞原生質、生理活性物質和細胞結構物質；而磷既是核酸、核蛋白、磷脂的重要元素，又是酶與輔酶的重要組成元素。氮磷比對發酵過程的作用十分明顯。表4表明了試驗控制含磷1%,改變氮含量的試驗結果。表5是維持含氮1%,調整用量的試驗結果。

表4   氮磷比的影響                %

表5   磷氮比的影響                %

表4、5表明，在一定范圍內蛋白質產率，隨氮、磷含量增加而變大；但當氮、磷濃度太大時，可能導致細胞滲透壓過高，從而使細胞發生質壁分離，影響細胞的生長。

2.6添加營養無機鹽     無機鹽是微生物生長不可缺少的營養物質。無機鹽為機體生長提供必需金屬元素，維持了細胞的穩定性能調節和保持細胞的滲透平衡，可以控制細胞的氧化還原電位，提高生物活性。我們在試驗中選定溶液濃度分別為1‰硫酸鎂、1‰硫酸鋅、5‰氯化鈉,作了試驗,結果見表6。

表6           無機鹽的作用               %

由表6不難看出,增加酵母用量有利于在相同條件下提高蛋白質產率,試驗結果見表7。

表7    酵母用量選擇

綜合考慮酵母成本若存在有利的投入產出比，適當增加酵母用量是可取的。另外酵母的適當活化，能顯著提高蛋白質產率。

3  結論

3.1   原料應進行適當的預處理，利用自然條件實施冰凍預處理，是一種經濟有效的方法。另外發酵前底物適當酶解糖化十分必要。

3.2   本工藝過程最適宜pH值為5.0左右，然酸堿度也是實用性的處理。發酵溫度以30-32℃為宜,發酵時間18h左右較好。

3.3   控制適宜的氮磷比，本反應系統氮、磷含量皆控制在1%；適當使用激活劑無機鹽，濃度控制在硫酸鎂1‰、硫酸鋅1‰、氯化鈉5‰為宜。

3.4   酵母原料比選定4‰，注意減少水的用量。

3,5   不同原料，由于組成與結構不同，處理方法和蛋白質產率不同。

(參考文獻略)