本文发表在《畜禽业》权威杂志1999年第3期上
宜春强微高新技术专利产品开发中心       钟启平

 

    世界蛋白质年产量在9000万吨左右，由于人口达到50多亿，相当于每人每天只有45克，远低于世界粮农组织（FAO）规定的标准68克/天，而且消费差异很大，在欧洲为人均100克/天，在日本为人均80克/天，中国为36~46克/天，而在发展中国家则有更低的，因粮食不足是成为婴幼儿发育不全，死亡率高的一个重要原因。到21世纪初，世界人口将达到60多亿人，要确保充足的蛋白质供应将是一个相当严重的问题。

 

   在我国，随着耕地的不断减少，农业增产的余地与潜力越来越少，种植结构的调整也面临着来自人口的压力，而我国饲料工业对蛋白质原料的需求将达到近2000万吨，届时缺口将越来越大，除了用外贸来弥补外，行业内的节流开源是一条重要出路，如充分利用油料种子等非常规饲料，轻工业下脚料，鱼类加工下脚料，绿叶等。另外，微生物蛋白质Single Cell Protein(SCP)将是一个令人瞩目的开发途径。

 

一、微生物细胞的营养

 

    如表一所述列出了常用作食品和饲料的四类微生物的组成成分：  
  表一：微生物细胞的化学成分（干物质中的含量）单位%

微生物品种	碳水化合物	蛋白质	核酸	脂类	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
细菌	15~30	40~80	15~25	5~30	5~10
藻类	10~25	40~60	1~5	10~30	4~8

      各种成分随微生物的种类、培养基组成、培养条件、生长时间的不同而有变化。

  
    可见，酵母、细菌、藻类的蛋白质含量较高，适于作蛋白饲料。另外，微生物菌体的另一特点是核酸含量较高，尤其又以对数生长期的菌体核酸含量最高。同时，微生物的脂肪含量也较高。

 

    表二列出了作为微生物蛋白而现已开发的数种微生物的粗蛋白和氨基酸组成。

    表二：鱼粉、豆粕、及菌体中的粗蛋白和氨基酸组成（%、g16N）  

蛋白质	粗蛋白	Ile	Leu	Phe	Thr	Try	Del	Arg	Lys	Met	Cys	His	含SAA
FAO标准		3.0	6.5		4.0	1.0	4.0		5.5				2.5
鱼粉	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
豆饼	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（正烷烃）	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（纸浆废液）	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
扣囊拟内 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
氢细菌	75.2	5.3	9.5	5.1	5.3	1.0	6.7	4.9	6.7	2.8	---	2.8	---
细菌 （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
产黄青霉	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
担子菌	58.2	4.2	6.6	2.2	4.1	---	5.9	5.8	7.7	0.9	---	痕	---
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：“---”表示数据不祥

 

    从表中可以看出，一般除含硫氨基酸不足之外，均能保持良好的平衡，赖氨酸含量较高，从氨基酸的构成来看，单细胞蛋白（SCP）比鱼粉稍差而优于豆粕；与鱼粉相比，SCP的维生素中含有丰富的B族维生素和β-胡萝卜素、麦角甾醇等，营养价值较高，但B12稍嫌不足，（一般植物原料中不含B12），另外，磷、钾都较丰富，但钙含量较少，因此若补充以蛋氨酸、VB12和钙等，可获得与鱼粉同样的营养试验效果。

 

    当然在实际应用中，往往得到的是微生物菌体和培养基残基的混合物，所以并非纯菌体，在实际应用中要引起注意。例如固态发酵蛋白饲料得到的就是由70%左右的培养基残基和30%的菌体组成的混合物，但它也有它的优点，如活性物质含量比较丰富，投资少，工艺简单等。这就要求我们在实践中根据不同的资源环境和市场需求，以确定不同的工艺方案，并采取诸如浓缩提纯、复配、酶化（自溶）、膨化等后序处理工艺加以补充，以达到一定的市场目的。

 

二、微生物菌体蛋白饲料的生产原料

 

    就目前来看，饲料工业中应用微生物的实例主要有，菌体蛋白饲料、微生态制剂、饲用酶制剂、微贮饲料等。其中微生态制剂和酶制剂的生产原料都是精料，如麦夫、鱼粉、豆粕、玉米等。而生产菌体蛋白饲料和微贮饲料的原料则多种多样，大多为农副产物和工业下脚料。本文也将重点介绍这些原料，各地可以根据当地的具体条件和资源情况，选定最有利的微生物种类和原料组合，创造社会财富。

 

    微生物的繁殖培养所需的元素主要有碳、氢、氧、氮、磷、硫等，而钾、镁、铁等只需少量补充即可，即以盐的形式溶于水中的量即足够（一般农副产物中已足够，无须额外补充）。氧和氢可以从空气中的氧和水中提供，或有机物中摄取，没有必要特别用作原料。至于氮，若能将空气中的氮固定下来当然最好，有些微生物具有固定氮的能力，但有效地利用它们则是仍有待将来解决的难题，而一般的微生物都能很好地利用氨、铵盐、硝酸盐、和尿素等来获得氮源，与碳源相比，氮源需求量甚少，且它们均是工业品，所以供应不成问题。接下来是磷，可用无机磷，用量极少，同样也不成问题。实际上，以上的元素在一般的农副产物中均很丰富，在用农副产品作原料时，可不需考虑添加，现在的问题是如何去获得大量的廉价的碳源的问题，不仅是因为碳源在菌体细胞干物质的组成中占了60%~70%，而且因为它是众多工农林牧业的下脚料的主要组成部分。

 

    根据碳源利用形式的不同可将微生物区分为两大类，一类是利用有机物中的碳源而生长的异养微生物，一类是能利用二氧化碳中的碳源而生长的自养微生物。见表三。

 

表三：利用不由碳源的微生物种类  

原料	微生物种类
有机原料： 碳水化合物及工农 林牧业下脚料 烃类及石油化工品 正烷烃 甲烷 甲醇 乙醇 醋酸	霉菌  酵母菌 细菌  放线菌  担子菌 酵母菌  细菌 细菌 酵母菌  细菌 酵母菌  细菌  担子菌 霉菌 酵母菌 藻类 细菌
无机资源（二氧化碳）： 利用光能 利用化能	藻类  光合细菌 细菌（化能自养微生物）

 

2、1  用农林牧渔业资源生产菌体蛋白

 

      第一次世界大战期间，德国以酸水解木屑生产食用酵母，制造人造肉，成为微生物用作食品与饲料的开端。林产工业中的造纸纸浆废液也被广泛用来生产酵母，从而不仅得到了菌体蛋白，而且还保护了环境。

 

    表四：以农林牧渔业资源生产的微生物蛋白

原料	微生物种类
废糖蜜 亚硫酸纸浆废液   淀粉渣，废糖蜜 淀粉废水 甘蔗渣  甜菜粕   咖啡废水 柑桔加工废液 饲料腐烂废物 木薯渣 棉籽饼 菜籽饼 次粉  玉米蛋白粉等 干酪乳清	假丝酵母属Candida 酵母属Saccharomyces 产朊假丝酵母Candida Vtilis 拟青霉属Paecilomyces 禾本科镰孢霉Fusarium graminearum 扣囊拟内孢霉Endomyces fibuligera 绿色木霉Trichoderma viride 溜曲霉Aspergiuus ramarii kita 米曲霉Asper oryzae 黑曲霉Asper niger 高温放线菌 黑曲霉Asper niger 白地霉Geotrium 扣囊拟内孢霉 黑曲霉 米曲霉 白地霉 酵母菌 乳酸菌 光合细菌 等 乳酸菌 脆壁克鲁维酵母

 

     表中仅列出一些已开发成功的例子，这样的例子仍有很多，举几例典型介绍如下：

 

2.1.1  在日本，已进行了从稻草、煮大豆汁、黄浆水、鱼类加工废液、贻贝液、锯木屑、稻壳等资源中开发微生物蛋白的研究，对资源日益贫乏的日本来说尤为重要。

 

     热带地方的蛋白质资源也日益紧张，所以一些东南亚国家都利用丰富的木薯、糖蜜、棕榈油等生产菌体蛋白，如大量的棕榈油被用来培养白球拟内酵母Torulopsis Candida，另外，大量开发海藻、螺旋藻等作为食品和鱼类饵料。

 

2.1.2  纤维素是人类最大的一项废弃资源，利用它开发出人类需要的蛋白质是一个世界课题。70年代后期，以纤维素类物质为原料生产SCP的工作日渐兴起，1965年，Crawfod.D.L和Dunlap.C.E等人探索纤维素液态发酵的直接转化法，终因效率低，能耗高而不适用；Bames等人利用纤维素原料进行固态发酵，认为很有生命力，优点在于投资少，能耗低，效率高。

 

    1985年，加拿大的Bajon.A.M等人开始了甜菜粕、甘蔗渣的半固体发酵研究；1988年法国的Durand.A和波兰人Grajek.W等几乎同时发表了甜菜粕的固体发酵研究，Durand利用绿色木霉变异株Trichoderma vivide T.S发酵，产品粗蛋白达20%以上；美国陆军Natick实验室用Trichoderma ReeseiQM9419发酵甜菜粕后粗蛋白为13%；美国菌株储藏委员会的Thielavil terrestris ATCC38088发酵甜菜粕产品粗蛋白质为13%以上；另外加拿大制浆和造纸研究所的Sprotrichum thermphileNo89发酵甜菜粕产品粗蛋白为14.6%；中国科学院化工冶金研究所研究的“甜菜粕固态发酵技术成果”用溜曲霉No827Aspergillus tamarii发酵甜菜粕粗蛋白达25~27%，产品收率达70%，发酵时间为3~4天，已在内蒙古自治区赤峰市糖厂建厂运行。

 

    湖南省郴州微生物研究所研究出用稻壳水解、液体深层发酵生产酵母蛋白，每3吨稻壳可得到1吨酵母、0.3吨多孔二氧化硅、40公斤糠醛、50公斤石膏。

 

    宜春高新技术专利产品开发中心开发的活力99生酵剂，可发酵各种农作物秸杆，甘蔗叶、秧藤类等，代替部分全价饲料喂猪，经济效益较好。

 

    纤维素资源中，如植物秸杆、壳类、木屑、糖渣等农林废弃物，一般含有40~50%的纤维素，15~35%的半纤维素，和20~30%的木质素，用水解的方法可将其转变为还原糖，然后发酵生产饲料酵母。50年代末，如黑龙江南岔木材水解厂，采用稀酸加压渗滤法，以木材水解生产SCP，积累了丰富的经验。

 

2.1.3  吉林石岘造纸厂等利用造纸废水生产饲料酵母，年生产能力达到1200吨，产品粗蛋白含量达到40%以上。

 

2.1.4  关于固态发酵饲料，尤其是酵母饲料是近年来发展最为迅速的产业之一，它能充分利用各种工业下脚料和农副产品，对我国的饲料工业的节流开源带来的深远的影响。

 

    如广东省微生物研究所的郭维烈先生以4320协生双菌发酵木薯渣和果渣等，生产4320菌体蛋白饲料，已在全国多个地方推广。广州中山大学的钟英长教授的霉菌发酵棉菜籽饼，既能脱毒，又能提高原料的生物效价。武汉粮食工业学院罗远洲的乳酸菌厌氧发酵法处理菜籽饼粕可大幅度提高产品的营养价值，脱毒率在95%以上。山东微生物所以废果渣为原料生产SCP。山西经作所、河北农科院等研究出各类农副产品加工生产SCP的方法。河北沧州厚德生物技术研究所从1982年以来，开创了我国固态发酵饲料酵母的先例，其技术转让的厂家生产能力总和达到20万吨以上。宜春高新技术专利产品开发中心钟启平先生发明的PBC技术处理菜籽粕，另外还开发有棉籽粕发酵，果渣、各类糠饼，轻工业下脚料、糟渣等生产酵母饲料技术。

 

    青贮饲料，微贮饲料等也属于厌氧固态发酵，菌株以乳酸菌为主，到90年代已发展到年产量达4000多吨。

 

    发酵血粉也具有广泛的发展前景，不仅因为原料广泛，而且因为产品性能极佳。将新鲜的畜血（可先用柠檬酸三钠保鲜贮藏）与麦夫按一定比例混合，接种米曲霉等，发酵烘干而得，产品粗蛋白可达45~60%，粗蛋白消化率可达到93~97%，相反，不经发酵处理的喷雾干燥血粉，虽然其粗蛋白含量达84%，但它的粗蛋白消化率却仅为16%，两者有天壤之别，且后者的血腥味浓，适口性不好。我国近年来实行定点屠宰，血源较为集中，据我国1998年统计，全国年出栏生猪5亿头，按每头猪产鲜血3公斤计，则一年可产鲜血150万吨，相当于纯血粉30多万吨（血中固形物含量为22%），若按30%的收集率计算，也可产血粉9万吨，可生产发酵血粉为40多万吨，年利税可达1亿元，目前50%CP的发酵血粉价格在3200~3800元/吨左右（1996年）。

 

2.1.5  鸡粪发酵饲料。美国俄亥俄州立大学在鸡粪中加入木屑粉、麦秸、稻壳等，用以作鸡粪发酵的碳源，在良好的通风条件下，微生物大量繁殖，发酵时鸡粪中的尿酸转化为氨，氨再被微生物利用制造菌体蛋白。襄樊市生化所研制的鸡粪发酵饲料可驱除臭味，增加特异香味，粗蛋白达29%，还原糖增加3.5%以上，饲养试验表明，以30%的比例喂猪，生长快，抗病力强，肉料比达1：3.4。天津东海饲料试验厂发明了充氧动态发酵机，可发酵鸡粪，效果良好。宜春高新技术专利产品开发中心的活力99生酵剂发酵鸡粪，效果也很好。

 

2.1.6  动物下脚料的处理，角质蛋白的物理与生物处理技术，如猪毛资源，有6万吨以上；蹄壳资源，有3万吨；制革下脚料（边角料，磨面，削边，兰皮边料）有30万吨；羽毛粉资源为近100万吨。它们的消化率很低，分别为羽毛粉32%，皮革蛋白粉48%，碲壳粉32%，若把它们加入到固态发酵基料中进行发酵处理，则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%，蹄壳蛋白粉消化率可提高到76%，若再结合事先热喷、膨化处理则效果更佳。

 

    也可用生物酶处理角质蛋白，特点是产品收得率高，产品中游离氨基酸含量高，易被动物消化吸收，加工工艺简单，投资少，技术要求不高等，生产工艺是首先制造酶液，或干脆先短时间固态发酵，（产生100u/g的蛋白酶即可），也可选用市售酶制剂，如猪胰蛋白酶，工艺为：角质蛋白粉→烧煮→湿磨粉碎→加酶（或加入50%的麦夫中，接种曲霉酵母等发酵18小时）→酶解→干燥→粉碎→成品。通过技术上的处理，以及补充营养素，复配等手段，可生产出CP50%以上的代鱼粉蛋白饲料，市场潜力和经济效益均很巨大，我们必须保证的是每一步都合理和科学。