中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1998年 第18卷 第3期 No.3 Vol.18 1998
科技期刊

食品工业废渣以发酵技术生产菌体蛋白饲料的研究*
周晓云　王飞雁　（浙江工业大学生物工程系，杭州 310014）
文　摘　为了将食品工业废渣中可被微生物利用的营养物质构成蛋白质的微生物菌体，采用以固态发酵法生产蛋白饲料。试验结果表明，通过组合菌株，在2t规模的发酵池里进行连续培养，较佳的控制工艺条件是：培养温度30℃，培养基初始水份65％，培养时间80h，产品的菌体蛋白达到了30％以上，粗纤维含量下降60％以下，废渣中灰分降低了30％以上，钙和磷分别提高了70％和2.5倍，并含有丰富的纤维素酶，提高了食品工业废渣的利用价值。
关键词　食品工业废渣　固体发酵　单细胞蛋白　饲料
Single cell protein feedstuff production from food industry wastes with fermentation technology. Zhou Xiaoyun，Wang Feiyan (Department of Bioengineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014).China Environmental Science.1998,18(3):223～226
Abstract―This experiment is to produce Single Cell Protein(SCP) from food industry wastes which consists of some useful materials by the solid state fermentation technology. The results show that better control conditions of continuous fermentation on 2-ton scale of the co-culture stains technology are culture temperature 30℃，initial moisture content of medium 65% and culture time 80h;the protein content of the product is more than 30%;the total cellulose content decreases 60% or less;ash content decreases more than 30%;Ca and P increase 70% and 2.5 times respectively;and it has abundant cellulase. The value of the food industry wastes is raised.
Key words:food industry wastes　solid state fermentation 　single cell protein　feedstuff
　　食品工业的许多废弃物，因数量大，BOD值高，如直接排放，对环境将造成很大的危害。由于这些超排放标准的废弃物往往可作为微生物生长繁殖的营养源〔1～4〕，若使之成为菌体蛋白，这对解决当前世界蛋白饲料严重短缺提供了重要途径。目前国内外对这方面的研究日趋活跃〔5〕，但由于食品工业废渣种类繁多，成分复杂，必须筛选优良菌株和进行各种菌株的组合以及采用优化的发酵条件，才能充分地利用废弃物中的有用营养源，提高其菌体蛋白含量及其它有效成份，这是微生物发酵的关键技术，本文着重对此进行了研究。
1　材料与方法
1.1　原料
　　酿造厂酱渣取自浙江省德清县酿造厂；柠檬酸渣取自杭州市柠檬酸厂。 
1.2　工业微生物菌株 
　　As777为黑曲霉；As788为米曲霉；E311系产朊假丝酵母；A1、A2、A3系热带假丝酵母。
1.3　测试 
　　粗蛋白测定：凯氏定氮法〔6〕；灰分测定：500℃灼烧法〔6〕；水分测定：100～105℃烘箱干燥法〔6〕； 纤维素测定：酸、碱处理法〔6〕；纤维素酶测定：滤纸崩溃法〔7〕。
1.4　工艺过程
　　废渣→配料→拌料→蒸煮→冷却→接种→固体发酵池→干燥→粉碎→包装→成品。
2　结果与讨论
2.1　工业微生物菌株筛选
　　由于菌株的生长繁殖速度和原料的营养状况不同，各种菌株的菌体蛋白含量亦不同，因此必须优选高产菌株。分别以酱渣和柠檬酸渣为原料，加入适当的辅料，对6株微生物进行固态发酵，比较它们菌体蛋白产量。
2.1.1　单菌株试验　分别以两个原料为主要培养基，在28℃培养3天，试验结果见表1。
表1　单菌株试验的菌体蛋白增加比较
Table 1　Comparison of protein enrichment with
different microorganisms

原料名称 SCP含量(%)
As777As788E311A1A2A3
酱渣　　14.511.97.310.86.47.3
柠檬酸渣13.612.27.010.55.46.7

　　表1试验表明，单菌试验以As777、As788与A1菌株产SCP（单细胞蛋白）量较高。
2.1.2　复合菌株试验　曲霉属菌株能分泌多种酶系，具有降解淀粉、纤维素的能力，使基质中的淀粉和纤维素转化为能被酵母菌利用的单糖或多糖，酵母以这些糖类为营养继续生长繁殖，由于霉菌和酵母的大量繁殖，因而增加了产物中蛋白质含量。试验结果见表2。
表2　复合菌株的菌体蛋白增加比较
Table 2　Comparison of protein enrichment with co-stains

愿料
名称发酵时间
(d)SCP含量(%)
1#2#3#4#5#6#
酱渣213.76.86.211.45.99.8
　318.511.29.715.19.913.3
柠檬213.57.05.510.37.07.8
酸渣317.410.99.014.410.111.4

　注:1#为A1+E311+As777；2#为A3+E311+As788；3#为A1+A2+A3 ；4#为E311+As777+As788； 5#为A2+A3+E311；6#为A2+E311+As788
　　采用6组菌株的复合试验，结果表明以1号的复合菌株，能较好地利用酱渣和柠檬酸渣，生物转化的菌体蛋白含量较高，以下的各种试验均以此复合菌株进行。
2.2　配比中水含量试验
　　表3是配比中初始水含量试验结果。试验表明，配比中初始水含量在65％左右，基质的菌体蛋白增加较多。 
　　对于固体发酵来说，基质中水含量是影响菌体蛋白增加的一个重要因素。含水量适合，使培养基有合适的疏松度，培养基的细小颗粒之间存在一定的空隙，有利于空气进入培养基的颗粒之间，并与固体颗粒表面接触而传送微生物繁殖所需要的氧，同时也有利于排出微生物菌体代谢所产生的CO2，促使微生物菌体生长；另外，菌体对营养的吸收，曲霉菌分泌的酶系等也要依赖颗粒之间的自由水扩散到基质表面并进一步掺入基质中去，促进菌体的繁殖并增加粗蛋白的含量，提高酶降解底物的能力，同时又能将所产生的单糖和低聚糖由基质传递到菌体，被其进一步利用。为了在固体连续培养时保证在培养期间基质保持一定的含水量，必须维持发酵池空间有合适的湿度，以免因不断通风而带走基质中的水份。
表3　配比中水含量对菌体蛋白含量的影响
Table 3　Influence of moisture content on protein enrichment

原料
名称发酵时间
(d)SCP含量(%)
ABCD
酱渣25.712.914.76.7
　39.016.418.910.4
柠檬25.112.513.76.8
酸渣38.515.017.610.2

　　注：A为45％水份；B为55％水份；C为65％水份；D为75％水份
2.3　通气量试验
　　所试验的6种微生物是好氧菌株，菌体生长繁殖阶段是一个耗氧过程，因此氧的供给和传递对基质菌体蛋白含量的影响很大。适宜的空气量能加速微生物菌体的繁殖，缩短发酵周期。空气量过少，菌体得不到充足的氧气，有氧呼吸转向厌氧呼吸，一部分基质被菌体生物转化为酒精或其它产物，减少了产物中菌体蛋白的含量。
　　试验中以500mL三角瓶包扎的纱布层数来控制通气量，分别以敞口(A)、2层纱布(B)、4层纱布（C)和6层纱布（D）包扎瓶口，试验结果见表4。
　　试验表明，敞口培养时，基质中菌体蛋白的增长很快，因此，通气量多少对菌体的生长繁殖和菌体蛋白的增长起了很大作用。
表4　通气量对菌体蛋白含量的影响
Table 4　Influence of aeration on protein enrichment

原料
名称发酵时间
(d)SCP含量(%)
ABCD
酱渣213.19.06.45.5
　318.415.211.09.4
柠檬212.78.46.05.0
酸渣317.013.910.58.8

2.4　培养温度试验
　　温度是影响微生物菌株生长繁殖的重要条件之一。各种微生物的最适温度不一样，例如酵母菌一般的最适宜温度为27～28℃，而霉菌一般的最适宜温度为35～37℃，由于采用多菌种培养，寻找适合于复合菌株共同生长的最佳温度是必要的。分别取24、28、30和33℃进行试验，结果见图1。

图1　培养温度对菌体蛋白含量的影响
Fig.1　Influence of cultivation temperature on protein enrichment
　　从图1可见，在33℃时，前期基质中菌体蛋白增加较快，可能是前期霉菌较适合该温度，大量利用基质中的淀粉、蛋白质及纤维素，菌体增加较快；但到了后期，霉菌降解后产生的一些糖类要被酵母所利用，由于该温度不是酵母生长的适宜温度，因此最终蛋白质含量不如28℃和30℃培养时高。在24℃培养时，由于该温度偏低，霉菌和酵母菌生长繁殖都较缓慢，故基质菌体蛋白的增加较少。最适温度以30℃较好。
2.5　固体发酵时基质的生化代谢特性
　　为了研究固体连续发酵的基质生化代谢特性，试验在厚层通气发酵池中进行。每8小时测定基质的水份和菌体蛋白含量。含水量在配制培养基时调节外，发酵期间不再添加水份，让其自然干燥。
　　从图2可看出，基质菌体蛋白在80h前增加较快，80h后增加逐渐缓慢，因为这时菌体已大量繁殖，营养料基本耗完，到96h基本停止生长。 

图2　固体发酵时基质生化代谢曲线
Fig.2　Biochemical metabolizationcurve of substrate with SSF
2.6　发酵前后主要组份的变化 
　　试验结果见表5。 柠檬酸渣酸性大，纤维素含量高，营养缺乏，经发酵后pH值接近中性,粗蛋白大幅度提高，粗纤维大大降低，纤维素酶从无到有，且酶活力相当可观。
表5　柠檬酸渣固体发酵前后成份对比
Table 5　Components of citric acid waste: comparison 
between before SSF and after SSF

项目　　　　　　　培养前培养后
pH值　2.7　6.5　
水份(%)73.58.52
粗蛋白(%)9.7532.48　
粗纤维(%)22.408.53
灰分(%)12.118.56
粗脂肪(%)14.774.81
纤维素酶(u/g)07.2　
Ca(%)0.831.40
P(%)0.261.46

3　结语
3.1　以固体发酵法利用食品工业废弃物生产菌体蛋白饲料是投资少，耗能低,见效快，操作简便的生物转换技术。
3.2　本技术筛选了高产蛋白菌体，并针对食品工业废渣的复杂成份,获得了较佳的复合菌株，在此基础上研究了优化的发酵工艺条件，对同类工业废弃物的综合利用有很好的参考价值。
3.3　该项技术采用的菌株是安全可靠的，加之食品工业废弃物中不含有毒物质及重金属离子，所以，产品作为饲料亦是安全可靠的。产物中含有大量的粗蛋白,还含有多种氨基酸和纤维素酶等，提高了产品的饲料价值。
参考文献
1　Kahlon S S, Dass S K. Biological conversion of paday straw into feed. Biological Wastes, 1987,12:11～21
2　陈陶声主编.发酵工业辞典.北京:轻工业出版社,1991.310
3　Yang Shangshyng. Protein enrichment of sweet potato residue with amylolytic yeast by solid state fermentation. Biotech. and Bioeng., 1988,32:886～890
4　Kahlos S S, Nikhet P. Protein enrichment of wheat straw with non toxic fungus plearotus ostreatus. J.Res.Punjab. Agric. Univ.,1983,20(3):327～330
5　章练红,李殿珍.利用生物技术开发饲料资源. 饲料研究,1996(1):32～34
6　天津轻工业学院,大连轻工业学院,无锡轻工业学院等. 工业发酵分析. 北京:轻工业出版社,1989.24～28
7　张树政主编.酶制剂工业(下册). 第2版.北京:科学出版社,1989.607～608
作者简介
周晓云　男，1942年6月生。现任浙江大学生物工程系主任、副教授。主要从事生物化工和生物环境方面的教学和科研工作。承担过国家科委项目“里杜霉素的研制”(获省科技大会奖和市科技成果一等奖)；轻工部项目“草浆碱法中段废水的生物处理研究”(获浙江省科技成果二等奖)；省科委项目“碱性脂肪酶的研制与应用”(获浙江省教委科技进步二等奖)；省科委项目“光合细菌处理合成脂肪酸工业废水研究”，通过省级鉴定，在国内处于领先水平。目前主持了省科委“发酵法生产甘油的研究”、国家环保局“柠檬酸发酵废渣以生物技术转化为蛋白饲料研究”、省自然科学基金“脂解酶在表面活性剂介质中的酶催化反应动力学研究”等项目。发表论文35篇。
收稿日期：1997-12-23
* 国家环境保护局科技发展项目
