乳酸菌菌體蛋白的開發與應用

康素花

（天水師范學院，甘肅 天水 741300）

蛋白質是維持機體生命的基本物質，是人類正常生長所必需的成分。隨著經濟的發展、人民生活水平的提高，人類對蛋白質尤其是優質蛋白質的需求越來越多。而僅僅依靠傳統的動植物蛋白來源已經無法滿足人類的需求。菌體蛋白又稱微生物蛋白，是真菌、細菌、微型藻等單細胞生物和具有簡單結構的多細胞生物在適宜的條件下，吸收利用各種機質和養分培養得到的，是一種重要的蛋白質資源。乳酸菌菌體蛋白因具有生產周期短，不受氣候條件限制，氨基酸種類齊全，生產原料來源廣泛且利用率高于常規蛋白源等諸多優點而備受人們的關注。同時，天然防腐劑乳酸鏈球菌素、西北特色酸菜以及工業乳酸等乳酸發酵產品的工業化大規模生產逐年增加的同時，產生了巨大的乳酸菌廢料。充分利用這些下腳料不僅可以達到變廢為寶的目的，而且可減少環境污染。目前利用食品發酵行業排放的有機廢液、非食用資源和廢棄資源（如農副產品下腳料和工業廢棄物等）開發微生物菌體蛋白，已經成為補充傳統動、植物蛋白來源不足的一條重要途徑，意義十分重大[1]。科學研究表明，用菌體蛋白代替畜禽飼養中一定比例的植物蛋白對畜禽生長性能并無明顯的影響，因此菌體蛋白日益受到人們的青睞[2-5]。

1 菌體蛋白的發展歷史和研究現狀

菌體蛋白的生產已有了近百年的歷史，在第一次世界大戰期間，德國的科學家就提出了大量培養微生物來補充人和動物的蛋白來源以解決食物短缺問題，并付諸實踐。他們研制成功了大規模培養酵母以生產蛋白質的方法，創造出了營養豐富、味道鮮美的“人造肉”，開創了利用微生物生產蛋白質造福于人類的先例。1966年，在麻省理工學院召開的一次會議上，專家學者第一次提出了菌體蛋白的概念[6]。從20世紀60～70年代開始，許多國家都開始生產菌體蛋白。1968年英國開始生產菌體蛋白，20世紀80年代初期，美國、日本、加拿大、法國等國家陸續開始了菌體蛋白生產的研究。20世紀80年代中期，全世界菌體蛋白的年產量已達到2.0×106t，并廣泛用于食品加工和飼料中[7-8]。隨著畜牧水產業的發展，飼料中所需要的蛋白質越來越缺乏，因此，世界上許多國家都已建立了菌體蛋白產業。據統計，我國養殖業在最近30年以來的增率均＞9%，飼料蛋白資源短缺問題越來越嚴重[9]。目前，全世界菌體蛋白的總產量約250萬t，我國僅有50多個生產廠家，且生產規模都較小，最大生產企業的年產量也僅1.2萬t，全國總產量3萬t[10]，并均用于飼料蛋白。

我國耕地少、人口多，糧食供應緊張，菌體蛋白因其原料大多為可再生的植物資源，資源數量多，因此很有前途。同時，菌體蛋白的生產不會污染環境，不受土地氣候的限制，全年均可生產。我國豐富的農作物秸稈等纖維素資源也為開發菌體蛋白提供了廣泛的原料來源。因此，我國菌體蛋白具有巨大的發展潛力。

我國菌體蛋白的開發還處于起步階段，目前尚需解決的問題還很多，如高效菌種的選育、研究深度、可靠的技術指導和菌體蛋白產品質量檢測標準及食用效果等都有待進一步研究。

2 乳酸菌菌體蛋白的特點

人們最早用于生產菌體蛋白的微生物是酵母菌。相對于乳酸菌而言，酵母菌的生長相對比較緩慢，其蛋白質含量亦不如乳酸菌菌體細胞中的蛋白質含量高，產品也不易被公眾所接受。同時，生產出的菌體蛋白主要用于飼料的粗蛋白，一些常規的分離提純技術不能滿足人們對其安全性的需要。近年來，各國專家開始致力于利用乳酸菌來生產菌體蛋白，由乳酸菌生產的菌體蛋白，其氨基酸利用率高于常規蛋白源[11]。乳酸菌具有快速的繁殖率和穩定的菌種性能，幾十分鐘就可繁殖一代，菌株合成蛋白能力強，其合成蛋白的速度比植物快500多倍，比動物快2 500多倍，可以獲得大量菌體蛋白。乳酸菌生產的菌體粗蛋白＞80%，富含多種營養物質，除賴氨酸、蘇氨酸、亮氨酸等人體必需氨基酸含量高之外，其含硫氨基酸的含量也較高，并且無毒無致病性。乳酸菌發酵過程中產生的乳酸可以增加產品的適口性，且耐酸性較好，在pH 3.0的酸性環境中也能生長繁殖，還能夠以營養成分復雜的農副產品廢渣和工業廢料作為營養源[12]。乳酸菌是厭氧性微生物，在生產菌體蛋白的工藝流程中減少了無菌空氣的制備環節，從而降低了生產成本，因此研究乳酸菌菌體蛋白已成為目前研究菌體蛋白的一大亮點。

3 乳酸菌菌體蛋白的營養價值及其存在的主要問題

據統計，我國蛋白質資源已嚴重缺乏，缺口已達1 500萬t左右，每年從美國進口大量的大豆粕、大豆及魚粉等，花費巨大，使飼料行業的成本升高[12-13]。菌體蛋白氨基酸組成齊全，含有動物機體所必需的各種氨基酸，其中除了組氨酸是其限制性氨基酸，精氨酸、蛋氨酸含量不足之外，植物飼料中缺乏的賴氨酸等人體必需氨基酸含量比較高。因此，可以作為營養強化劑添加到食品中，補充許多食品中所需的蛋白質，以提高各種食品的蛋白質生物價。而以乳酸菌菌體蛋白來說，乳酸菌本身具有增進細胞活性、促進血液循環、強心活血，提高人體抵抗力和免疫力等多種作用。其菌體蛋白更是含有較高的蛋氨酸和外源性消化酶，以及一些未知的生長因子，可以促進動物和人體的消化吸收功能，提高機體免疫功能[14]。研究發現，畜禽飼養中菌體蛋白替代一定比例的豆粕或魚粉對畜禽生產性能、飼料利用率、肉質均無影響[3，15]。趙葉[16]通過菌體蛋白在生長肥育豬上的應用效果，研究了菌體蛋白的安全性以及營養價值。結果表明，菌體蛋白飼料適口性好、安全、無毒副作用，是一種接近于全效價的優質蛋白質飼料，可以廣泛應用于配制畜禽的配合飼料。沈沾紅等[17]研究了菌體蛋白對肉雞生長性能、腸道生理的影響，結果表明，菌體蛋白與豆粕和魚粉相比，對肉雞的生長性能無顯著影響，因此可以很好的代替豆粕和魚粉，作為肉雞的飼料蛋白源。

然而任何一種新型食品原料的問世，都會產生可接受性、安全性等問題。乳酸菌菌體蛋白也不例外。乳酸菌在發酵過程中會產生非蛋白氮，不利于動物消化吸收。同時，菌體蛋白中含有核酸，而人體和大多數動物均無法直接分解核酸。其次，為了培育出高產乳酸菌的菌株，轉基因技術有時會被用于乳酸菌菌株的培育，而轉基因飼料的安全與否目前還沒有得到證實。最后，重金屬污染、有害微生物以及氫氰酸也是乳酸菌菌體蛋白的一大安全隱患。為此有以下幾點需要注意：第一，為保證產品的安全性，關鍵是要做好對菌種的監控和蛋白基質的選擇[14]。防止生產過程中有害微生物的殘留，可以在其生產環節引入HACCP體系進行監控。如果是轉基因技術培育的菌株，更要進一步研究其安全性，避免其潛在危害。第二，菌體蛋白中的非蛋白氮影響動物營養物質的吸收，對動物的健康產生不利影響。同時，非蛋白氮還會引起腸道氨濃度升高，導致腸道酸度降低，加快腸道黏膜更新速度，增加需氧量等一系列不良變化，甚至引起腹水癥，導致動物肝臟腫大而最終死亡[18-19]。第三，隨著菌體蛋白攝入量的增多，體內核酸含量會逐漸增加，從而增加了動物尿液尿囊素和尿酸，以及黃嘌呤的排泄量。第四，微生物的細胞壁也會對動物消化酶有一定的影響。如細胞中有難于消化的類脂—細胞膜以及一些不能被消化的物質（如甘露糖等），會直接影響蛋白質等營養物質的消化吸收；乳酸菌菌體蛋白的核酸含量為10%～18%，核酸對魚類影響不大，因為大多數魚類機體內含有高含量的肝臟核酸酶，其可以催化核酸代謝的有毒產物降解為二氧化碳和尿素。然而，人體內核酸酶很低，大多數動物和人分解代謝核酸的能力有限，核酸的大量攝入會抑制動物和人的生長、引起痛風等疾病。食用過多的核酸還會使血漿和尿液中尿酸含量過高，尿酸積累在關節和軟組織中會形成結石。因此，要解決這些問題，就要對菌體蛋白做進一步的分離純化處理，消除其安全隱患，使其能夠滿足不同的需求，具有更廣泛的應用范圍。

4 乳酸菌菌體蛋白的提取與純化

目前常用的提取菌體蛋白的方法有高速離心分離法、超濾膜法、加熱沉淀法、絮凝沉淀法和氣泡捕集法等[20-24]。但以上方法均需要一些比較復雜的設備，投入較大，且烘干過程中能源消耗也較大，因此，需要研究更有效的分離技術和更為節能的干燥方法，尋找出一條低投入高產出的技術方案，在降低成本，節約能源的同時進一步拓大應用領域[25]。

乳酸菌菌體易于收獲，收獲的方法主要是離心分離，再經洗滌除去培養基就可獲得。目前大多數的菌體蛋白均是通過離心收集菌體，再經過洗滌、干燥后，以全細胞形式作為飼料蛋白源來銷售的。從發酵廢液中提取菌體蛋白，普遍是在發酵液中加入絮凝劑，將pH值調至等電點而提取出單細胞蛋白。這種菌體蛋白不是一種單一的蛋白質，是由蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、礦物質、維生素等多種混合物組成的細胞質團[26-29]，僅可用于替代部分的畜禽飼料，而作為人類食品消費的菌體蛋白需要將細胞中的蛋白分離出來，并進行純化，以除去核酸等對人體有害的成分。因此，有企業通過進一步的純化分離來開發更高價值的副產品。同時，菌體中含有的大量細胞壁和細胞膜將營養物質包裹著，動物淀粉酶也不能分解細胞壁肽聚糖，降低了營養物的消化吸收，使得氮的消化率下降[16，30]。這就需要破碎其細胞壁，將細胞壁溶解為蛋白質和核酸等物質，再經分離純化獲得更為安全的純蛋白質供人們食用。破壁處理除了使細胞壁破裂外，還可以增大內膜膜孔徑，從而使細胞的通透性增強，提高蛋白質的提取率[31]。生產中常將幾種破壁方法聯用以提高破壁率，進而提高蛋白提取率。

現在企業水解菌體蛋白的方法主要是化學法和酶水解法。化學法是利用酸堿水解蛋白質，此法雖然簡單方便，但反應條件和污染均劇烈，因而不能廣泛的應用。酶水解法則是利用蛋白酶可特異性水解蛋白質而水解菌體蛋白，此法反應條件溫和且易控制，破壞性小，能耗低，副反應少，能對菌體蛋白的附加值實現較大的提升[32]。趙春燕等[33]以乳酸菌菌體蛋白為原料，經稀酸預處理，采用酶水解獲得了復合菌體蛋白水解液。并采用響應面試驗確定最佳酶解條件為酶解pH 7.7、溫度52 ℃、加酶量3%、水解1.7 h，此條件下的菌體蛋白得率約為50%。為開發菌體蛋白，用于食品生產，提供了依據。

5 菌體蛋白的開發前景及應用

當今世界，由于經濟的快速發展，人民生活水平的提高，加快了畜禽及水產養殖業的發展，促使蛋白質資源變得越來越緊張。據有關專家分析，在未來十年間，我國飼料蛋白質資源需要量將增至0.72億t，而資源供給量僅0.24億t，缺口達0.48億t[34]。因此，開發非常規蛋白資源，尋找飼料蛋白資源替代品成了緩解蛋白飼料資源不足，降低畜禽飼養成本，提高經濟效益的一條重要途徑，而菌體蛋白就可以作為非常規蛋白資源的重要來源來開發利用。劉壘等[35-37]分別探討了菌體蛋白替代大豆粕作為蛋白原料對于豬的影響，以及日糧中添加菌體蛋白對奶牛生產性能和雞代謝能力的影響，結果表明，用菌體蛋白喂養的豬與大豆粕喂養的豬飼養效果一樣。在奶牛和雞日糧中添加菌體蛋白對牛奶的品質和雞的代謝能力影響不大。因此，菌體蛋白不僅可以降低飼料成本，又可以緩解當前飼料蛋白質資源短缺。菌體蛋白的生產不受季節氣候的制約；原料來源廣泛，生產周期短、效率高。我國是食物結構以植物蛋白為主的農業大國，攝入動物蛋白的數量與歐美國家相差懸殊，而純化后的菌體蛋白與肉類食品一樣具有人體必需的8種氨基酸，因此，作為一種高質量的優質蛋白質，其的開發與生產改善了人們的食品結構，滿足了人們對飲食既要追求飽又追求好的要求，提高了人民的體質，為解決人類食品問題開辟了新的途徑，因此菌體蛋白的研究開發具有十分重要的意義[38-39]。

菌體蛋白作為一種比較尖端的科技產品，尤其在我國還不成熟，發展前景更為廣闊[11]。采用特定的蛋白酶和方法提取純化菌體蛋白，獲得高附加值的產品，不僅可以服務人類還可以降低環境污染。

菌體蛋白具有十分廣泛的應用，作為動物飼料，可以提高肉、蛋、奶產量；含賴氨酸高的少量菌體蛋白加入到各類面食制品中，可以提高植物蛋白的生物價；添加到飲料中可以強化蛋白質營養，增加飲品強度；菌體蛋白具有抗氧化能力，可以延緩食物氧化變質，因而常用于嬰幼兒奶粉中。此外，除了提供蛋白外，菌體蛋白還可改善食品的一些物理特性，如加入烘餅中提高餅的延展性；未除去細胞壁的全細胞菌體蛋白具有良好的持水力，其細胞壁部分在使食品膨脹方面具有重要作用[40]。更為重要的是，科學研究表明，細菌蛋白具有對抗癌癥細胞的作用，這為細菌蛋白的開發利用提供了一條新途徑[25]。其中乳酸菌因其快速的繁殖率、穩定的菌種性能、高蛋白合成率、適口性、繁殖不需氧，節約了生產成本，以及其無毒無致病性等顯著優點而受到人們的青睞，成為研究細菌菌體蛋白的重要菌種，為生產新一代菌體蛋白開辟了新的途徑。

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