如何利用現代微生物技術將生物質資源轉化為蛋白質含量豐富、營養效價高的單細胞蛋白(SCP)飼料,解決資源緊缺和環境污染問題已經成為微生物領域的研究熱點之一，盡管微生物混合發酵生產SCP仍面臨很多問題,但作為一個生物混合體系,其中的微生物之間具有生長代謝協調作用,可以代替許多單菌發酵所不能進行的生產,因此微生物混合發酵應用將十分廣泛。
1  單細胞蛋白
    單細胞蛋白又稱微生物蛋白或菌體蛋白,是指酵母菌、非病源細菌、微型菌、真菌等單細胞生物體內所含的蛋白質。單細胞蛋白具有以下優點:蛋白豐富,營養效價高;生產原料來源廣泛,價格低廉;工藝簡單、穩定;生產周期短,效率高。
2  單細胞蛋白制取工藝
    國內外對SCP的制取主要集中于固態發酵工藝,即利用特定微生物對原材料纖維素、半纖維素、木質素等的降解能力,通過微生物的糖化發酵,達到產生大量菌體蛋白的目的。目前,在相關研究中,大多采用雙菌種混合發酵,該方法的核心是選取分解纖維素和半纖維素能力較強的霉菌和酵母菌同時糖化發酵。在發酵過程中,霉菌、酵母共生,霉菌通過對纖維素的糖化為酵母提供碳源,酵母通過消耗還原糖解除其對霉菌生長的產物抑制作用。
3  微生物混合發酵
    混合發酵(MixedFermentation)一般指2種或2種以上的微生物發酵,是純種發酵技術的新發展,也是一種不需要進行復雜的DNA體外重組,卻可取得類似效果的新型發酵技術。如最常見的利用纖維素進行發酵,其底物常采用自然界中存在的纖維素類物質,如玉米秸稈、糠類、酒糟等廢棄物,產物一般為飼料蛋白、食品和一些化合物。混合發酵中涉及到的微生物組成種類繁多,可以是細菌與細菌、細菌與真菌、真菌與真菌等幾種組合方式,這幾種組合方式的應用方向大致相同,主要是利用微生物降解環境污染物,從而生產單細胞蛋白。
3.1  微生物混合發酵的特點
3.1.1  酶系互補協作  某些微生物具有對某種底物的特異降解能力,但卻缺乏對其他某些物質的降解能力,若能根據具體情況,對已明確的微生物進行必要的組合,使其和諧共存、協同作用,則可大大提高工作效率。李海紅等利用從牛胃中分離到的真菌發酵玉米秸稈,發現在單菌種發酵中,綠色木霉的降解效果明顯好于白腐菌和曲霉的降解效果,但三者結合使用的降解效果比單純使用綠色木霉的高16%,原因是白腐菌能分解秸稈中的木質素成分,為木霉和曲霉對纖維素的降解提供了便利。
    Glancer研究發現,選用P.stipitis和T.penicillatum混合發酵可將玉米秸稈的稀酸水解物轉化為菌體蛋白,而選用P.tannophilus和T.fermentaus亦可產生類似的效果,在該體系中,P.stipitis和P.tannopHilus均可將木糖發酵成乙醇,而T.penicillatum和T.fermentaus則以乙醇為碳源。
3.1.2  降低酶的反饋抑制  在通常情況下, 混合發酵比單一純種培養發酵更快、更徹底。這其中的一個重要原因是在多菌發酵過程中,由于不同微生物對代謝途徑中不同物質的及時利用有效地降低了底物的反饋抑制作用。司美茹等通過研究假絲酵母對黑曲霉和煙曲霉固態發酵中纖維素酶及淀粉酶活性的影響,結果表明:接入少量假絲酵母可大幅度提高曲霉菌纖維素酶體系中濾紙酶(FPA)、羧甲基纖維素酶(CMCase)、微晶纖維素酶(AVI)及淀粉酶的活性,這可能是酵母菌利用了水解形成的纖維二糖等小分子還原糖,從而解除了纖維二糖對纖維素酶和淀粉酶合成的阻遏,進而提高發酵產物的酶活性。
3.1.3  菌種互利共生  蒲一濤等 將固氮菌(Azotobac tersp.)和纖維素分解菌(TrichodermapseudokoningiRifi)進行混合發酵,結果表明:這2種菌的生長和固氮菌的固氮作用均高于各自單獨培養,這與固氮菌在土壤中固氮能力比純培養條件下高的實際情況相吻合。其原因是固氮菌除了能固定大氣中的氮素外,還能形成維生素和異生長素,不僅能刺激農作物生長發育,而且能加強其它根際微生物的生命活動。
3.2  微生物混合發酵注意事項
3.2.1 菌種組合 混合發酵菌種組合常選擇包括纖維素分解菌、木質素分解菌、蛋白增加菌等。產纖維素酶菌株多選用木霉,也可用曲霉、煙曲霉、黑曲霉或宇佐美曲霉等;木質素分解菌主要有側孢霉、白腐菌等;常用酵母菌可提高蛋白含量,如產朊假絲酵母、熱帶假絲酵母、啤酒酵母等。菌種搭配時應注意菌株之間的相容性,盡量選用習性接近的微生物菌種。
3.2.2  發酵條件  發酵過程中的溫度、時間、水分、pH等因素及其交互作用對發酵影響顯著。對固態發酵而言,溫度是首要因素。因此,首先必須根據所采用的菌種組合及原料的特點調整好培養基的起始pH、含水量;其次,需根據微生物的最佳生長繁殖溫度設定好培養溫度;最后,需明確微生物產生目標代謝產物的最佳時間,并根據實際情況確定發酵時間。
3.2.3  發酵料處理  由于一般混合發酵采用的原料多為纖維素類生物質資源,因此,在發酵前有必要對原材料進行充分的物理、化學處理,從而達到將纖維素、半纖維素、木質素等分離,使后續的酶解反應更順利。通常采用的處理方法包括蒸煮法、酸/堿處理法、有機溶劑處理法、生物法和濕氧化法等。另外,秸稈材料中的營養成分并不能完全滿足微生物生長繁殖的需要,因此還要添加適當的碳源(如麩皮等)和氮源(如尿素等),以便提高產物的酶活力和蛋白含量。對于好氧性較強的微生物,添加適量的膨脹劑(如膨潤土等)也是必要的。
4  微生物混合發酵產SCP研究進展
    目前,對微生物混合發酵生產SCP的研究主要集中在高效菌種的篩選及改良、發酵工藝的優化改進以及尋找合適原材料方面。
4.1  高效菌種的篩選及改良  目前, 人類對于微生物的認識還十分有限,一方面是受限于有限的技術條件,另一方面是由于微生物資源種類繁多且分布廣泛。基于微生物資源的豐富性,研究者極有可能從自然界中篩選到適合發酵和生產SCP的高效微生物菌株。因此,大量針對合適菌株的篩選工作也隨之展開,并且取得了良好效果。
    Banat等從科威特分離篩選出一種嗜熱芽孢桿菌Ba cillussp.(KISRITMIA,NCIMB40040),該菌在實驗室中經過優化的工藝處理后,能使SCP產率達到5.06g/(L h)。
    Gustavo等介紹了一種通過基因工程技術改良了的酵母菌   Kluyveromycesmarxianus,該菌在生產 -半乳糖苷酶、 -葡萄糖苷酶、單細胞蛋白等活性物質方面具有潛在的優勢。國內在這方面也有相關的研究,涂璇等通過紫外線誘變選育出的纖維素酶高產突變株黑曲霉和煙曲霉(UA8Aspergillusfumigatus和UF2Asper gillusniger)與酵母菌混合發酵,在短時間內可大大提高纖維素酶組分的活性,這為進一步利用微生物發酵纖維素含量較高的秸稈類資源、農作物殼類資源生產SCP提供依據。
4.2  發酵工藝的優化與改進  由于通過現代生物技術篩選改良適合生產SCP的菌種的成本較高,不確定因素也較多,且篩選出的菌種性狀穩定性差。因此,目前對于利用微生物發酵生產SCP的研究更多集中于利用各種方法對其生產工藝的優化與改進。Gao等通過對培養基進行優化,經過56h的發酵,發現每1L培養基中可產生10.1g的marineyeastCryptococcusaureusG7a菌體細胞干重。Tipparat等在利用Schwanniomycescastellii發酵生產SCP時,通過改變發酵工藝,大大提高了該菌對淀粉的轉化能力。
4.3  尋找合適的原料  在具備優良菌株及良好工藝的條件下,還必須找到合適的原材料。原材料必須具備以下幾個首要條件,如價格低、取材易、數量多、糖類物質含量豐富等。目前,國內外對原材料的研究主要集中于玉米芯、水稻秸稈、工業廢水、廢渣等。這些材料一方面造成了資源的浪費,另一方面也給環境造成了嚴重的污染。
    Rajoka、Matilda、廖雪義、肖佐華等的相關研究已證明米糠、多年生草、小麥酒糟、玉米秸稈、水稻秸稈等是良好的SCP生產原材料。隨著生物技術特別是微生物技術的發展,將有更多的材料變廢為寶。