單細胞蛋白及其在食品工業中的應用

郭小鵬 劉濤 徐慧 劉鑫 徐海濤

單細胞蛋白（Single cell protein 簡稱SCP）是指從酵母或細菌等微生物中獲取的蛋白質。酵母菌體中單細胞蛋白質含量占細胞干物質的45 %～55 %；細菌蛋白質占干物質的60%～80 %；單細胞藻類如小球藻等蛋白質占干物質的55 %～60 %；霉菌菌絲體蛋白質占干物質的30 %～50 %。此外，微生物細胞中含有豐富的碳水化合物及脂類、維生素、礦物質等營養物質，所以微生物菌體可以作為食品和飼料的原料。

單細胞蛋白的種類和特點

真菌蛋白。（1）酵母蛋白。①菌種：酵母屬中絕大多數菌種都能夠用來生產SCP，主要包括：酵母屬、假絲酵母屬、球擬酵母屬、紅酵母屬、圓酵母屬等。②特點：酵母屬的特點是營養豐富。如粗蛋白質45%～60%含有幾乎所有的必需氨基酸，尤其是賴氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸等含量高，其中賴氨酸5%～7%，蛋氨酸+胱氨酸2%～3%，還含有豐富的VB1、Vnz、Ve6、VB12和泛酸、煙酸、糖類等。（2）其他真菌蛋白。①菌種：地霉屬、根霉屬、木霉屬、曲霉屬、鐮刀菌屬和傘菌目的霉菌等。②特點：營養價值接近酵母蛋白，但沒有酵母蛋白口感好和安全性高，大規模生產受到限制。

藻類蛋白。（1）藻類種類：主要有小球藻屬、柵列藻屬和螺旋藻屬等。其中研究、利用最多的是螺旋藻。（2）特點：小球藻為綠藻門自養型單細胞藻類，是第一種人工培養的微藻。小球藻富含蛋白質、脂質、多糖、食用纖維、維生素、微量元素和活性代謝產物，具有很好的保健和藥理作用。

細菌蛋白。（1）菌種：常見的有甲烷極毛桿菌屬、氫極毛桿菌屬以及放線菌屬中的分枝桿菌、小球菌、甲基極毛桿菌等非病原性細菌和光合細菌。目前，生產細菌蛋白的菌種主要以光合細菌為主，包括似真細菌的紅螺細菌、綠硫細菌、著色細菌及似藻的藍細菌。（2）特點：光合細菌能進行光合作用，營養豐富，含有60%以上的蛋白質以及多種維生素，特別是維生素B2、葉酸、生物素的含量是酵母的幾十倍。此外，含有生物活性物質，如輔酸Q10、抗病毒物質及促生長因子等。

單細胞蛋白的生物特性

營養豐富。與黃豆粉相比，蛋白質含量高達15%，而可利用氮比大豆高20%，如添加蛋氨酸則可利用氮達95% 以上。

原料廉價廣泛。利用原料廣可就地取材，廉價大量地解決原料問題。生產單細胞蛋白的原料來源極為廣泛，一般分為四類：一是糖質原料，如淀粉或纖維素的水解液、亞硫酸紙漿廢液、制糖的廢蜜等；二是石油原料，如柴油、正烷烴、天然氣等；三是石油化工產品，如醋酸、甲醇、乙醇等；四是氫氣和碳酸氣。最有前途的原料是可再生的植物資源，如農林加工產品的下腳料、食品工廠的廢水下腳料等。

生產效率高。一般蛋白質生產速度同豬、牛、羊等體重的倍增時間成正比。微生物的倍增時間比牛、豬、雞等快千萬倍，如細菌、酵母菌的倍增時間為20～120h，霉菌和綠藻類為2～6h，植物1～2周，牛1～2個月，豬4～6周。

勞動生產率高。生產不受季節氣候的制約，易于人工控制，同時由于在大型發酵罐中立體式培養占地面積少。如年產10萬t SCP工廠，以酵母計，按含蛋白質45%計算，一年所產蛋白質為45000t。一畝大豆按畝產200kg計，含蛋白質40%，則一年為80kg蛋白質。所以，一個SCP工廠所產蛋白質相當于562500畝土地所產的大豆。

安全性與營養性評價

SCP作為飼料蛋白，已被廣泛應用。但作為人類食品，其安全性與營養性必需進行嚴格評價。首先是安全性的問題，聯合國蛋白質咨詢組對SCP的安全性評價作出一系列的規定：生產用的菌株不是病源菌、不產生毒素；生產原料的要求，石油原料中多環芳香族烴含量低；農產品來源的原料中重金屬與農藥的殘留進行測定，含量較少，不能超過要求；培養條件及產品處理中，無污染，無溶劑殘留和熱損害；最終產品中應無病原菌，無活細胞，無原料和溶劑殘留。最終產品必須進行白鼠的毒性試驗和兩年的致癌試驗；還要進行遺傳、哺乳、致畸及變異效應試驗。這些試驗通過以后，還要作人的臨床試驗，測定SCP對人的可接受性和耐受性。

第二個SCP評價即營養評價。從SCP的化學成分，特別是從氨基酸組成，可以得到營養價值的信息。從其氨基酸組成看，在微生物蛋白質中除含硫氨基酸不足，如蛋氨酸低以外，能基本保持平衡，賴氨酸等含量較多。

對SCP的營養價值，除根據化學分析數據外，最終評價取決于生物測定。生物測定有兩種評價方法，即生長法和氮平衡法。生長法是測定蛋白質效率比（PER） 。其定義是，生長中動物每攝入一單位重量的蛋白質所獲得的體重。以酪蛋白蛋白質效率為2.5作對照。氮平衡法是確定蛋白質的生物價（BV）。生物價是指被生物吸收的蛋白質，與留在動物體內供生長和維持生命部分的比例。BV值高反映蛋白質質量高。SCP的維生素B2、B6、β-胡蘿卜素、麥角甾葸醇含量豐富。磷和鉀含量豐富，鈣較少。補充蛋氨酸，營養價值顯著提高。酵母蛋白中賴氨酸較多，用食用酵母作補充物，可將面粉、玉米谷物蛋白質的生物價提高。J .arguin報告，在面粉中補充圓酵母10 %，可使蛋白質效率比值從0.82 提高到2.31。

SCP作為人類食品核酸含量高是有害的。細菌細胞中核酸含10 %～18 %；酵母（干基） 約6 %～11 %，與其相比，肉只有2 %。人從飲食中攝入核酸多，造成血液中尿酸含量上升。由于尿酸在生理PH條件下是微溶的，它會在關節上沉淀或析出晶體，造成痛風或風濕性關節炎。由于在尿中含量大于溶解度，會在泌尿系統中沉積成結石。人從食品攝入的核酸含量安全水準為每日2g。所以SCP 作為人類食品的蛋白質源，必須降低核酸的含量。

在食品加工中的用途

大批量的SCP是以全細胞形式消費的，而且是用作飼料蛋白源。作為人的食品消費的SCP，限于酵母菌和假絲酵母菌。SCP以全細胞形式供人類消費的幾個方面：

提高植物蛋白的生物價或蛋白質功能。用補充含賴氨酸高的SCP可提高植物蛋白的生物價或蛋白質功能?？扇我膺x擇使用醇酒酵母，脆壁酵母、產脘假絲酵母這三種食用酵母，加到各類面包中，用量為面粉重量的2 % ，黑面包中假絲酵母用量已達到5 %。在早餐用谷物產品、罐裝嬰兒食品和老人食品中，通常實用酵母用量為2 %。也有一些商品添加2 %～3%的干酵母。

提高維生素和礦物質含量。已用于補充許多食物（包括通心粉、面條） 中所需全部或部分維生素和礦物質。每磅的限量是硫胺素4～5mg，核黃素1.7～2.2mg，尼克酸27～ 34mg，維生素D250～1000USP單位，鐵13.0～16. 5mg，鈣500～625mg。

提高物理性能。SCP細胞還可用于改進食品的物理性能。例如：把活性干酵母加入意大利烘餅中提高其延薄性能，把食用酵母以1 %～3 %比例加入肉類加工制品中以提高肉、水、脂肪的結合性能。Lindblom曾說明，破碎的酵母細胞持水容量為每g細胞3.0 ～3.5ml。在細胞壁碎片除去后，SCP濃縮物的持水容量降至1.5ml/ g。因此，可以設想細胞壁部分在使食品膨脹方面起重要作用。

可作為食品添加劑。酵母的濃縮蛋白質比未經處理的SCP細胞，具有顯著的鮮味，已被廣泛作為湯料、肉汁等食品的增鮮劑。酵母菌質壁分離物已作焙烤食品的增香劑。組織化濃縮蛋白是經過組織化處理，產物具有咀嚼性、松脆性，在水中無分散性。據Akin報告組織化處理為：酵母的細胞首先用表面活性劑（如硫酸月桂酸鈉）處理，促進細胞成分的部分滲出，殘余的細胞碎片用膠凝劑（如氫氧化鈉） 處理，然后用鹽酸或其它酸使蛋白質沉淀，導致組織形成。組織化面包酵母以30%的量加入牛肉餡餅中，以15 %的量加入牛肉香腸中，以3 %～10%的比例用于制特種面包、餅干、牛奶軟糖、巧克力餅干中，提高食品的風味。

前景展望

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，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，用著動物飼料和食品，從而緩解食物危機。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。可以預見，SCP的生產有著廣闊和誘人的發展前景。

但作為食品用SCP，因對其生產原料、菌種、生產過程生產后處理及安全性和營養性都有嚴格要求，目前主要局限于酵母蛋白。因此，大力研究開發應用SCP，對原料進行適當處理，選育優良菌種，生產過程進行優化設計及采取適當措施處理SCP而使其符合安全性與食用性標準是當前食品行業科技工作者所面臨的重大課題。

基金項目：本文系基金課題：高風險產品境外企業認證認可符合性評價與風險防范關鍵技術研究課題，課題編號：2016YFF0203903