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      利用微生物菌體開發蛋白飼料資源(一)

      2007/6/16 17:59:01   文章來源:宜春強微高新技術專利產品開發中心   作者:鐘啟平   瀏覽次數:22270
      【字號:  
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      本文發表在《畜禽業》權威雜志1999年第3期上
      宜春強微高新技術專利產品開發中心       鐘啟平
       
          世界蛋白質年產量在9000萬噸左右,由于人口達到50多億,相當于每人每天只有45克,遠低于世界糧農組織(FAO)規定的標準68克/天,而且消費差異很大,在歐洲為人均100克/天,在日本為人均80克/天,中國為36~46克/天,而在發展中國家則有更低的,因糧食不足是成為嬰幼兒發育不全,死亡率高的一個重要原因。到21世紀初,世界人口將達到60多億人,要確保充足的蛋白質供應將是一個相當嚴重的問題。
       
         在我國,隨著耕地的不斷減少,農業增產的余地與潛力越來越少,種植結構的調整也面臨著來自人口的壓力,而我國飼料工業對蛋白質原料的需求將達到近2000萬噸,屆時缺口將越來越大,除了用外貿來彌補外,行業內的節流開源是一條重要出路,如充分利用油料種子等非常規飼料,輕工業下腳料,魚類加工下腳料,綠葉等。另外,微生物蛋白質Single Cell Protein(SCP)將是一個令人矚目的開發途徑。
       
      一、微生物細胞的營養
       
          如表一所述列出了常用作食品和飼料的四類微生物的組成成分:  
        表一:微生物細胞的化學成分(干物質中的含量)單位%
      微生物品種
      碳水化合物
      蛋白質
      核酸
      脂類
      灰分
      酵母菌
      25~40
      35~60
      5~10
      2~50
      3~9
      霉菌
      30~60
      15~50
      1~3
      2~50
      3~7
      細菌
      15~30
      40~80
      15~25
      5~30
      5~10
      藻類
      10~25
      40~60
      1~5
      10~30
      4~8
            各種成分隨微生物的種類、培養基組成、培養條件、生長時間的不同而有變化。
        
          可見,酵母、細菌、藻類的蛋白質含量較高,適于作蛋白飼料。另外,微生物菌體的另一特點是核酸含量較高,尤其又以對數生長期的菌體核酸含量最高。同時,微生物的脂肪含量也較高。
       
          表二列出了作為微生物蛋白而現已開發的數種微生物的粗蛋白和氨基酸組成。
          表二:魚粉、豆粕、及菌體中的粗蛋白和氨基酸組成(%、g16N)  
      蛋白質
      粗蛋白
      Ile
      Leu
      Phe
      Thr
      Try
      Del
      Arg
      Lys
      Met
      Cys
      His
      含SAA
      FAO標準
       
      3.0
      6.5
       
      4.0
      1.0
      4.0
       
      5.5
       
       
       
      2.5
      魚粉
      66.2
      4.7
      7.6
      4.2
      4.3
      1.2
      5.3
      5.8
      7.7
      3.0
      0.9
      2.4
      3.9
      豆餅
      45.0
      5.4
      7.7
      5.1
      4.0
      1.5
      5.0
      7.7
      6.5
      1.4
      1.4
      2.4
      2.8
      酵母(正烷烴)
      60.5
      4.9
      7.3
      4.5
      5.0
      1.2
      6.0
      5.2
      7.1
      1.6
      1.3
      2.0
      2.9
      酵母(紙漿廢液)
      46.0
      5.2
      6.2
      4.6
      3.8
      1.1
      6.2
      5.0
      4.3
      1.1
      1.3
      2.0
      2.4
      扣囊擬內 孢霉菌
      53.2
      4.4
      7.3
      4.0
      5.4
      1.2
      5.5
      5.3
      6.4
      1.4
      0.5
      1.8
      1.9
      白地霉
      58.5
      4.6
      7.0
      3.9
      4.4
      1.2
      5.6
      7.2
      7.4
      1.6
      1.0
      2.6
      2.6
      氫細菌
      75.2
      5.3
      9.5
      5.1
      5.3
      1.0
      6.7
      4.9
      6.7
      2.8
      ---
      2.8
      ---
      細菌 (甲醇)
      75
      4.8
      7.9
      3.6
      4.6
      1.0
      8.1
      8.0
      6.4
      2.5
      0.7
      1.6
      3.4
      產黃青霉
      57
      4.5
      8.1
      5.5
      4.1
      ---
      5.1
      ---
      6.4
      1.6
      ---
      1.6
      ---
      曲霉
      58.4
      4.3
      6.9
      3.7
      4.6
      ---
      5.8
      7.2
      7.3
      1.5
      1.1
      ---
      2.6
      擔子菌
      58.2
      4.2
      6.6
      2.2
      4.1
      ---
      5.9
      5.8
      7.7
      0.9
      ---
      ---
      小球藻
      58.2
      4.2
      8.1
      5.1
      3.6
      1.0
      5.1
      5.9
      7.7
      1.3
      ---
      1.8
      ---
          注:“---”表示數據不祥
       
          從表中可以看出,一般除含硫氨基酸不足之外,均能保持良好的平衡,賴氨酸含量較高,從氨基酸的構成來看,單細胞蛋白(SCP)比魚粉稍差而優于豆粕;與魚粉相比,SCP的維生素中含有豐富的B族維生素和β-胡蘿卜素、麥角甾醇等,營養價值較高,但B12稍嫌不足,(一般植物原料中不含B12),另外,磷、鉀都較豐富,但鈣含量較少,因此若補充以蛋氨酸、VB12和鈣等,可獲得與魚粉同樣的營養試驗效果。
       
          當然在實際應用中,往往得到的是微生物菌體和培養基殘基的混合物,所以并非純菌體,在實際應用中要引起注意。例如固態發酵蛋白飼料得到的就是由70%左右的培養基殘基和30%的菌體組成的混合物,但它也有它的優點,如活性物質含量比較豐富,投資少,工藝簡單等。這就要求我們在實踐中根據不同的資源環境和市場需求,以確定不同的工藝方案,并采取諸如濃縮提純、復配、酶化(自溶)、膨化等后序處理工藝加以補充,以達到一定的市場目的。
       
      二、微生物菌體蛋白飼料的生產原料
       
          就目前來看,飼料工業中應用微生物的實例主要有,菌體蛋白飼料、微生態制劑、飼用酶制劑、微貯飼料等。其中微生態制劑和酶制劑的生產原料都是精料,如麥夫、魚粉、豆粕、玉米等。而生產菌體蛋白飼料和微貯飼料的原料則多種多樣,大多為農副產物和工業下腳料。本文也將重點介紹這些原料,各地可以根據當地的具體條件和資源情況,選定最有利的微生物種類和原料組合,創造社會財富。
       
          微生物的繁殖培養所需的元素主要有碳、氫、氧、氮、磷、硫等,而鉀、鎂、鐵等只需少量補充即可,即以鹽的形式溶于水中的量即足夠(一般農副產物中已足夠,無須額外補充)。氧和氫可以從空氣中的氧和水中提供,或有機物中攝取,沒有必要特別用作原料。至于氮,若能將空氣中的氮固定下來當然最好,有些微生物具有固定氮的能力,但有效地利用它們則是仍有待將來解決的難題,而一般的微生物都能很好地利用氨、銨鹽、硝酸鹽、和尿素等來獲得氮源,與碳源相比,氮源需求量甚少,且它們均是工業品,所以供應不成問題。接下來是磷,可用無機磷,用量極少,同樣也不成問題。實際上,以上的元素在一般的農副產物中均很豐富,在用農副產品作原料時,可不需考慮添加,現在的問題是如何去獲得大量的廉價的碳源的問題,不僅是因為碳源在菌體細胞干物質的組成中占了60%~70%,而且因為它是眾多工農林牧業的下腳料的主要組成部分。
       
          根據碳源利用形式的不同可將微生物區分為兩大類,一類是利用有機物中的碳源而生長的異養微生物,一類是能利用二氧化碳中的碳源而生長的自養微生物。見表三。
       
      表三:利用不由碳源的微生物種類  
      原料
      微生物種類
      有機原料:
      碳水化合物及工農
      林牧業下腳料
      烴類及石油化工品
      正烷烴
      甲烷
      甲醇
      乙醇
      醋酸
      霉菌  酵母菌
      細菌  放線菌  擔子菌
      酵母菌  細菌
      細菌
      酵母菌  細菌
      酵母菌  細菌  擔子菌
      霉菌 酵母菌 藻類 細菌
      無機資源(二氧化碳):
      利用光能
      利用化能
       
      藻類  光合細菌
      細菌(化能自養微生物)
       
      2、1  用農林牧漁業資源生產菌體蛋白
       
            第一次世界大戰期間,德國以酸水解木屑生產食用酵母,制造人造肉,成為微生物用作食品與飼料的開端。林產工業中的造紙紙漿廢液也被廣泛用來生產酵母,從而不僅得到了菌體蛋白,而且還保護了環境。
       
          表四:以農林牧漁業資源生產的微生物蛋白
      原料
      微生物種類
      廢糖蜜
      亞硫酸紙漿廢液
       
      淀粉渣,廢糖蜜
      淀粉廢水
      甘蔗渣  甜菜粕
       
      咖啡廢水
      柑桔加工廢液
      飼料腐爛廢物
      木薯渣
      棉籽餅 菜籽餅
      次粉  玉米蛋白粉等
      干酪乳清
      假絲酵母屬Candida 酵母屬Saccharomyces
      產朊假絲酵母Candida Vtilis
      擬青霉屬Paecilomyces
      禾本科鐮孢霉Fusarium graminearum
      扣囊擬內孢霉Endomyces fibuligera
      綠色木霉Trichoderma viride
      溜曲霉Aspergiuus ramarii kita
      米曲霉Asper oryzae
      黑曲霉Asper niger
      高溫放線菌
      黑曲霉Asper niger 白地霉Geotrium
      扣囊擬內孢霉 黑曲霉 米曲霉 白地霉
      酵母菌 乳酸菌 光合細菌 等
      乳酸菌 脆壁克魯維酵母
       
           表中僅列出一些已開發成功的例子,這樣的例子仍有很多,舉幾例典型介紹如下:
       
      2.1.1  在日本,已進行了從稻草、煮大豆汁、黃漿水、魚類加工廢液、貽貝液、鋸木屑、稻殼等資源中開發微生物蛋白的研究,對資源日益貧乏的日本來說尤為重要。
       
           熱帶地方的蛋白質資源也日益緊張,所以一些東南亞國家都利用豐富的木薯、糖蜜、棕櫚油等生產菌體蛋白,如大量的棕櫚油被用來培養白球擬內酵母Torulopsis Candida,另外,大量開發海藻、螺旋藻等作為食品和魚類餌料。
       
      2.1.2  纖維素是人類最大的一項廢棄資源,利用它開發出人類需要的蛋白質是一個世界課題。70年代后期,以纖維素類物質為原料生產SCP的工作日漸興起,1965年,Crawfod.D.L和Dunlap.C.E等人探索纖維素液態發酵的直接轉化法,終因效率低,能耗高而不適用;Bames等人利用纖維素原料進行固態發酵,認為很有生命力,優點在于投資少,能耗低,效率高。
       
          1985年,加拿大的Bajon.A.M等人開始了甜菜粕、甘蔗渣的半固體發酵研究;1988年法國的Durand.A和波蘭人Grajek.W等幾乎同時發表了甜菜粕的固體發酵研究,Durand利用綠色木霉變異株Trichoderma vivide T.S發酵,產品粗蛋白達20%以上;美國陸軍Natick實驗室用Trichoderma ReeseiQM9419發酵甜菜粕后粗蛋白為13%;美國菌株儲藏委員會的Thielavil terrestris ATCC38088發酵甜菜粕產品粗蛋白質為13%以上;另外加拿大制漿和造紙研究所的Sprotrichum thermphileNo89發酵甜菜粕產品粗蛋白為14.6%;中國科學院化工冶金研究所研究的“甜菜粕固態發酵技術成果”用溜曲霉No827Aspergillus tamarii發酵甜菜粕粗蛋白達25~27%,產品收率達70%,發酵時間為3~4天,已在內蒙古自治區赤峰市糖廠建廠運行。
       
          湖南省郴州微生物研究所研究出用稻殼水解、液體深層發酵生產酵母蛋白,每3噸稻殼可得到1噸酵母、0.3噸多孔二氧化硅、40公斤糠醛、50公斤石膏。
       
          宜春高新技術專利產品開發中心開發的活力99生酵劑,可發酵各種農作物秸桿,甘蔗葉、秧藤類等,代替部分全價飼料喂豬,經濟效益較好。
       
          纖維素資源中,如植物秸桿、殼類、木屑、糖渣等農林廢棄物,一般含有40~50%的纖維素,15~35%的半纖維素,和20~30%的木質素,用水解的方法可將其轉變為還原糖,然后發酵生產飼料酵母。50年代末,如黑龍江南岔木材水解廠,采用稀酸加壓滲濾法,以木材水解生產SCP,積累了豐富的經驗。
       
      2.1.3  吉林石峴造紙廠等利用造紙廢水生產飼料酵母,年生產能力達到1200噸,產品粗蛋白含量達到40%以上。
       
      2.1.4  關于固態發酵飼料,尤其是酵母飼料是近年來發展最為迅速的產業之一,它能充分利用各種工業下腳料和農副產品,對我國的飼料工業的節流開源帶來的深遠的影響。
       
          如廣東省微生物研究所的郭維烈先生以4320協生雙菌發酵木薯渣和果渣等,生產4320菌體蛋白飼料,已在全國多個地方推廣。廣州中山大學的鐘英長教授的霉菌發酵棉菜籽餅,既能脫毒,又能提高原料的生物效價。武漢糧食工業學院羅遠洲的乳酸菌厭氧發酵法處理菜籽餅粕可大幅度提高產品的營養價值,脫毒率在95%以上。山東微生物所以廢果渣為原料生產SCP。山西經作所、河北農科院等研究出各類農副產品加工生產SCP的方法。河北滄州厚德生物技術研究所從1982年以來,開創了我國固態發酵飼料酵母的先例,其技術轉讓的廠家生產能力總和達到20萬噸以上。宜春高新技術專利產品開發中心鐘啟平先生發明的PBC技術處理菜籽粕,另外還開發有棉籽粕發酵,果渣、各類糠餅,輕工業下腳料、糟渣等生產酵母飼料技術。
       
          青貯飼料,微貯飼料等也屬于厭氧固態發酵,菌株以乳酸菌為主,到90年代已發展到年產量達4000多噸。
       
          發酵血粉也具有廣泛的發展前景,不僅因為原料廣泛,而且因為產品性能極佳。將新鮮的畜血(可先用檸檬酸三鈉保鮮貯藏)與麥夫按一定比例混合,接種米曲霉等,發酵烘干而得,產品粗蛋白可達45~60%,粗蛋白消化率可達到93~97%,相反,不經發酵處理的噴霧干燥血粉,雖然其粗蛋白含量達84%,但它的粗蛋白消化率卻僅為16%,兩者有天壤之別,且后者的血腥味濃,適口性不好。我國近年來實行定點屠宰,血源較為集中,據我國1998年統計,全國年出欄生豬5億頭,按每頭豬產鮮血3公斤計,則一年可產鮮血150萬噸,相當于純血粉30多萬噸(血中固形物含量為22%),若按30%的收集率計算,也可產血粉9萬噸,可生產發酵血粉為40多萬噸,年利稅可達1億元,目前50%CP的發酵血粉價格在3200~3800元/噸左右(1996年)。
       
      2.1.5  雞糞發酵飼料。美國俄亥俄州立大學在雞糞中加入木屑粉、麥秸、稻殼等,用以作雞糞發酵的碳源,在良好的通風條件下,微生物大量繁殖,發酵時雞糞中的尿酸轉化為氨,氨再被微生物利用制造菌體蛋白。襄樊市生化所研制的雞糞發酵飼料可驅除臭味,增加特異香味,粗蛋白達29%,還原糖增加3.5%以上,飼養試驗表明,以30%的比例喂豬,生長快,抗病力強,肉料比達1:3.4。天津東海飼料試驗廠發明了充氧動態發酵機,可發酵雞糞,效果良好。宜春高新技術專利產品開發中心的活力99生酵劑發酵雞糞,效果也很好。
       
      2.1.6  動物下腳料的處理,角質蛋白的物理與生物處理技術,如豬毛資源,有6萬噸以上;蹄殼資源,有3萬噸;制革下腳料(邊角料,磨面,削邊,蘭皮邊料)有30萬噸;羽毛粉資源為近100萬噸。它們的消化率很低,分別為羽毛粉32%,皮革蛋白粉48%,碲殼粉32%,若把它們加入到固態發酵基料中進行發酵處理,則血粉的消化率可提高到95%以上,羽毛粉蛋白消化率可提高到80%,皮革蛋白消化率可提高到90%,蹄殼蛋白粉消化率可提高到76%,若再結合事先熱噴、膨化處理則效果更佳。
       
          也可用生物酶處理角質蛋白,特點是產品收得率高,產品中游離氨基酸含量高,易被動物消化吸收,加工工藝簡單,投資少,技術要求不高等,生產工藝是首先制造酶液,或干脆先短時間固態發酵,(產生100u/g的蛋白酶即可),也可選用市售酶制劑,如豬胰蛋白酶,工藝為:角質蛋白粉→燒煮→濕磨粉碎→加酶(或加入50%的麥夫中,接種曲霉酵母等發酵18小時)→酶解→干燥→粉碎→成品。通過技術上的處理,以及補充營養素,復配等手段,可生產出CP50%以上的代魚粉蛋白飼料,市場潛力和經濟效益均很巨大,我們必須保證的是每一步都合理和科學。

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