一種高產量使用自溶工藝生產好氧型單細胞蛋白的方法
【專利說明】一種高產量使用自溶工藝生產好氧型單細胞蛋白的方法
[技術領域]
[0001] 本發明涉及單細胞蛋白加工技術領域，特別是涉及一種高產量使用自溶工藝生產 好氧型單細胞蛋白的方法。
[【背景技術】]
[0002] 單細胞蛋白（Singlecellprotein簡稱SCP)又稱微生物蛋白或菌體蛋白，是利 用工業廢水、廢氣、天然氣、石油烷烴類、農副加工產品以及有機廢棄物等作為培養基，培養 酵母、非病源性細菌、微型菌、真菌等單細胞生物體，然后經過凈化干燥處理后制成，是食品 工業和飼料工業重要的蛋白質來源。單細胞蛋白產品含有豐富的蛋白質，氨基酸的種類齊 全比例適當。單細胞蛋白還含有豐富的脂肪、碳水化合物、核酸、維生素和無機鹽，并含有 鈣、磷、鉀、鐵、鎂、鈉、錳等礦物質元素，還含有多種酶。酵母、酵母水解物在動物飼料中已成 功用于魚粉蛋白的替代、動物免疫增強、飼料口感的改善等。單細胞蛋白中核苷酸及其衍生 物具有非常重要的生理生化功能，主要的功能有：作為RNA和DNA合成的原料；作為代謝的 調節物質；作為輔酶的成分，如輔酶A;激活糖原和糖蛋白合成的重要中介物，也是磷脂合 成的中介物，活化中間產物；參與遺傳信息傳遞;ATP是生命過程的直接能；AMP調節平滑肌 的收縮性并可調節血流量；核苷酸還可以作為甲基的供體等。
[0003] 由于有害微生物、有害化學物質、重金屬等會對產品質量安全造成危害的考慮。目 前已經或正在進行產業化開發的單細胞蛋白產品的品種較少，主要集中于使用安全風險 低、來自于食品工業的產品或副產品作為原料進行單細胞蛋白的培養及生產。如啤酒酵母 及酶解啤酒酵母作為飼料原料在動物上的使用，啤酒在生產時需要達到嚴格的食品安全標 準，由其產生的有機質副產物和酵母蛋白的生物、化學、物理危害都達到最低，從而為飼料 工業的應用提供可靠的安全保證。
[0004] 發明專利W02009059163A1提供了一種培養單細胞蛋白的方法，培養出來的單細 胞蛋白可用作動物飼料中優質的蛋白源，該技術使用食品或飲料加工廠如啤酒廠產生的廢 水作為菌體培養的液體培養基。飲料廢水中具有豐富的有機質、氮磷等營養物質，且沒有有 害微生物、有毒化學品的污染，雖然對于飲料工廠來說這些廢水沒有價值，且處理含有機質 和氮磷的廢水會付出較大的成本，從微生物培養角度看，廢水中的營養物質可以成為營養 豐富的培養基，可以用來生產特定的單細胞蛋白。發明專利W02009059163A1通過調節廢水 中各種營養物質的比例、使用經基因改良的細菌可生產出蛋白含量較高、營養價值高的單 細胞蛋白產品，該單細胞蛋白是一種細菌的混合物，主要含有微球菌、芽孢桿菌、硝化細菌、 產堿桿菌屬等好氧型細菌。同時，飲料廢水在培養微生物后營養物質含量會降低，這降低了 水質污染的程度，該專利技術既可以實現高質量蛋白的生產又能將廢水中有機物濃度降低 至法定標準以下，從而具有經濟和環境保護的雙重價值，因此該技術具有非常良好的產業 化前景。由于細菌的生長周期短、養料利用效率高，單細胞蛋白培養的產量非常高，這為產 業化開發提供經濟上的保證，但是由于細菌生長的特點，培養時固形物的含量很低，一般會 低于4000mg/L。如果要將單細胞蛋白加工成產品，就需要考慮如何將單細胞蛋白從水中提 取出來并低成本的加工成低水分含量的干品。基于發明專利W02009059163A1中描述的單 細胞蛋白的特性，目前的加工技術具有以下缺陷：
[0005] 1)加工工藝只是將單細胞蛋白當作普通蛋白原料進行生產，只是集中于蛋白的脫 水、干燥、滅菌，是以生產蛋白為目標，未考慮到發明專利W02009059163A1中的細菌可通過 進一步的加工方法生產出高質量的產品；
[0006] 2)發明專利W02009059163A1技術培養出的單細胞蛋白經過研究發現含有大量內 源酶，具體包括核酸酶、蛋白酶及溶菌酶。這些酶可以分解大分子營養物質，因此使用自溶 技術細菌的內源酶可以酶解出多種的活性物質，如游離氨基酸、核苷酸、單糖等。但現有的 工藝在脫水后直接干燥及微波滅菌，這就破壞了大部分的內源酶，因此也就不會產生活性 物質；
[0007] 3)現有的加工工藝的蛋白質消化率仍然不高，仍有進一步提升的空間；
[0008] 4)單細胞蛋白具有較高含量的核酸，普通工藝干燥處理并未將核酸分解為核苷酸 且仍處于細胞內，而通過一定方法將核酸分解為核苷酸可以使單細胞蛋白應用于動物飼料 時具有誘食及免疫這兩個明顯的效果，現有工藝沒有考慮如何將核酸分解為高價值的核苷 酸。
[0009] 5)雖然培養的單細胞蛋白的產量非常高，但后續加工設備的產能仍然可以顯著高 于培養單細胞蛋白的產能，比如發明專利CN2014100556582的加工設備的產能受限于培養 產出的低產量而無法達到最高產能，甚至不能達到加工設備平均產能。這就導致了投資設 備的閑置及浪費。
[0010] 專利號為201410055658. 2的中國專利公開了一種利用生物泥制備單細胞蛋白粉 的方法，是利用生物泥來生產單細胞蛋白（SCP)的資源化回收方法，將生物養殖系統沉淀 排出的生物泥濃縮后，經過離心脫水、熱風瞬間烘干、氣流快速冷卻、微波滅菌后，即可獲得 單細胞粗蛋白粉。該專利為本司的在先申請，但由于缺少自溶工序，細胞蛋白利用效率較 低。自溶是指菌體利用自身的內源酶（蛋白酶、核酸酶、溶菌酶等）將菌體內的高分子物 質水解為氨基酸、核苷酸、當糖等小分子的過程。自溶過程是一個較復雜的過程，受多種因 素影響，包括細菌種類、水分含量、溫度、pH值、時間、內源酶種類等。更重要的是在自然條 件下，自溶并不是單一的過程，是生物體在死亡后腐敗的前一過程，大分子物質經自溶分解 為氨基酸、核苷酸等營養物質，這為腐敗微生物生長提供了重要的營養來源。因此，自溶的 結果也因微生物種類、自溶條件、目標產物等有較大差別，并且自溶失敗會導致腐敗產物如 氨、硫化氫、三甲胺等產生。
[0011] 專利號為2008800240991及2011102810796兩個中國專利公開了酵母使用自溶工 藝進行處理，生產酵母自溶物，用以提高產品風味。但這兩項專利并不適合本專利，該專利 申請采用的原料為厭氧菌，細菌特性與好氧菌差別較大，自溶的方式也有很大差別，比如厭 氧菌自溶的時間更長，需要外添加酶進行促進自溶，厭氧菌自溶對于反應容器、含水率、pH、 溫度等都有較多限制，并且產物難以控制，容易產生較高含量的腐敗產物。
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【發明內容】
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[0012] 本發明的目的在于彌補上述的制備單細胞蛋白的不足及缺陷，提供一種高質量、 富含活性成分的使用自溶工藝生產好氧型單細胞蛋白的方法。
[0013] 為了實現上述目的，設計一種高產量使用自溶工藝生產好氧型單細胞蛋白的方 法，包括若干個預加工單元和一個后加工單元，預加工單元包括沉淀濃縮步驟、離心脫水步 驟和運輸步驟，每個預加工單元中將離心脫水步驟后獲得的78%~85%含水率的物料，降 溫后運輸至后加工單元進行集中處理，所述的后加工單元包括自溶步驟、干燥步驟、滅菌步 驟和粉碎包裝步驟，所述的自溶步驟如下：
[0014]a)來自預加工單元的物料輸送至保溫料倉，然后輸送至自溶設備進行自溶處理；
[0015]b)自溶設備通過向雙螺桿空心槳葉供熱進行升溫，達到自溶的溫度要求，通過設 計及調節與進料速度配套的腔體容積，來達到自溶的時間要求；
[0016]c)所述自溶設備的雙螺桿空心槳葉前1/4至1/2分段為加熱段，目的是將物料加 熱至自溶所需溫度，剩余分段為保溫段，保持物料自溶溫度；
[0017]d)自溶的溫度要求為：加熱后的物料溫度保持在65%~95°C;
[0018]e)自溶的時間要求為：加熱段將物料升溫至目標溫度的時間應小于30分鐘，保溫 段的自溶時間應在30分鐘~360分鐘；
[0019] 所述自溶的物料水分要求為：自溶后物料水分含量應不低于70%;
[0020] 所述的滅菌步驟采用微波滅菌。
[0021] 所述的加熱后的物料溫度保持在65%~80°C，自溶時間為60~180分鐘。
[0022] 具體方法步驟如下：
[0023] (1)預加工單元：
[0024]a.沉淀濃縮：將生物反應器產生的菌體蛋白通過管道排入沉淀濃縮池，菌體蛋白 在錐形的濃縮池底部沉淀，底部物料含水率降低至97%以下，可進行后續脫水工序；
[0025] b.使用抽料栗將濃縮池底部物料輸送至離心脫水設備；
[0026]c.離心脫水：使用螺旋臥式離心設備進行固液分離，離心后物料含水率降低至 78%~85%，物料呈濕泥狀；所述的離心所脫去的水分為菌體蛋白的細胞外水分，胞內水 分仍存留在細胞內，這為細胞內的內源酶進行自溶創造了條件；所述的離心后78%~85% 含水率的物料能進行自溶作用；
[0027]d.運輸：離心后的物料降溫后運輸至后加工單元進行集中處理；所述降溫是在離 心后物料降溫至10°c以下；所述運輸是通過保溫貨車將預加工單元產出的濕泥狀物料裝 運至后加工單元進行后續加工；所述運輸的時間應在0~12小時內，物料到達后加工單元 的料溫不高于離開預加工單元時料溫的5°C;
[0028] (2)后加工單元：
[0029]a.自溶：來自預加工單元的物料輸送至保溫料倉，然后輸送至自溶設備進行自溶 處理；自溶設備通過向雙螺桿空心槳葉供熱進行升溫