废渣固态发酵生产酵母蛋白质饲料及其产业化发展措施.doc

废渣固态发酵生产酵母蛋白质饲料及其产业化发展措施赵 建 国*赵建国（1941-）男，教授，发酵工程专业。江南大学生物工程学院 江苏.无锡214036摘 要 综述了近几年来采用废渣固态发酵技术生产酵母蛋白质饲料的研究进展，对其应用前景和产业化发展措施进行了探讨，并提出制订固态发酵产的酵母粉的质量评估指标与质量标准，以规范该产品的生产、品管和销售市场。关键词 废渣；固态发酵；酵母蛋白质饲料；质量标准1.饲料工业现状及其发展趋势浅折1.1 饲料工业现状我国饲料工业已建立起包括饲料原料生产、饲料加工工业、饲料添加剂工业和饲料机械工业在内的相对完整的产业体系，已成为我国国民经济中的一个重要产业。现有饲料企业15000家左右，2005年全国配合饲料产量达1.03亿吨，总产值突破2400亿元，居世界第二位，但喜忧掺半。当前，我国饲料工业已进入竞争激烈的微利时代，存在着饲料资源短缺，饲料原料利用率低、饲料成本上升以及整体经济效益下滑的瓶颈问题，生物饲料添加剂工业相对薄弱。1.2 饲料需求量持续增长1、随着全国城乡居民对肉、蛋、奶、鱼消费进一步增长，饲料需求量持续上升。2、饲料品种结构变化随着全国城乡居民对猪肉消费比例下降，禽肉、水产品、牛奶及奶制品消费比例上升的态势，饲料品种结构也发生相应的变化。3、饲料企业生产规模继续扩大目前，我国前十强饲料企业产出的配合饲料占全国总产量的20%。饲料生产已步入营养标准化、配制计算机化、剂型专一化和生产集中化的发展进程中。一些具有自主知识产权和品牌产品的大型骨干企业兼并生产、经营、管理不善的中小型弱势企业，企业生产集中化规模越来越大。4、绿色安全饲料生产将成主流2000年以来暴发的二噁英事件、疯牛病、口蹄疫和禽流感的蔓延，在全球引起强烈震动，消费者呼唤“用健康饲料创建健康食品”，绿色安全饲料生产将成为一个新的发展趋势。1.3 饲料工业发展技术对策1.3.1 生物技术在饲料工业全面渗透和应用的重要作用传统的饲料生产是在优化饲料配方的基础上，将饲料添加剂、蛋白质饲料原料和能量饲料原料按一定比例配混而成的一定料型饲料，本质上是饲料原料的选择及其优化组合，忽略了饲料原料的处理技术。当今要解决饲料资源短缺、粮食危机、蛋白不足、养殖业排泄物环境污染问题，生物技术具有不可替代的重要作用。解决的办法必须采用生物技术：一是开发非常规饲料资源，二是提高现有常规饲料原料的营养价值及其利用率。因此，生物技术在饲料工业全面渗透和应用的范围涉及到饲料原料抗营养因子钝化或脱除技术。饲料原料防霉和脱毒技术，饲料原料发酵生产生物饲料添加剂技术，新型饲料添加剂营养价值评定，质量标准制订及其应用技术等方方面面，标志着我国饲料工业的发展正进入一个求变创新的历史转折时期。1.3.2 生物技术处理饲料具有发展潜力和广阔应用前景的领域：采用生物技术可将饲料原料有效地转化为酵母SCP、酵母蛋白饲料、真菌蛋白饲料、饲用酶、益生菌微生态制剂、大豆多肽、低聚糖及多功能调节剂。在配合饲料中添加量少，功效却十分显著，协同使用（1）能显著提高动物免疫能力和抗病能力；（2）维持动物微生物的生态平衡，保持动物肠道正常的消化吸收功能；（3）显著提高饲料的营养价值及其利用率，节省饲料粮；（4）能显著提高动物产量和质量；（5）能减少禽畜排泄物中有机物、氮和磷的排出量，进而减轻对土壤和水体的环境污染。因此，是开发新型饲料资源，生产绿色安全高效饲料的一条重要途径。2、国内市场对生物饲料添加剂的市场需求与日俱增、按全国配合饲料产量1亿吨计，年需酵母蛋白饲料500万吨以上，饲用复合酶10万吨，益生菌微生态制剂1万吨，目前，国内的生产能力与市场需求量相差甚远；另一方面，生物添加剂的生产具有投资少，生产效率高，原料来源广泛，产品营养丰富，应用范围广，成本低、收益高，不受气侯条件限制和节省耕地面积的特点。一座年产10万吨含50%蛋白的酵母厂所产出的蛋白质相当于150万亩土地产出的大豆中所含的蛋白质，节约相应的耕地面积十分可观。因此，发展潜力巨大。1.3.3 发展酵母单细胞蛋白产业是提供优质蛋白和解决蛋白不足的一条重要途径。1、全球蛋白短缺2亿吨/年，我国年缺口蛋白2000吨，每年还进口鱼粉160万吨左右，目前进口鱼粉价格暴涨，每吨突破1万元。蛋白资源长期短缺态势已成人们共识，联合国蛋白质咨询小组曾召开过三次国际单细胞蛋白会议专题讨论研究，开发生产酵母单细胞蛋白已被世界公认为是解决饲料蛋白紧缺的主要途径。目前，全世界酵母单细胞蛋白年产量达200万吨。2、在单细胞蛋白菌体蛋白中，酵母SCP与丝状类菌、细菌、藻类等微生物蛋白相比，产品质量更具竞争力。酵母蛋白质含量丰富，氨基酸齐全，配此组成合理、且含丰富B族维生素VD2源，矿物元素、微量元素、酶、碳水化合物、生理活性物质及未明生长促进因子，是一种营养价值高且能替代鱼粉的优质蛋白，具有营养、诱食及其益生多种功能。促进畜禽新陈代谢、增强禽畜抗病能力、提高禽畜生长速度、繁殖能力、肉质和皮毛质量，特别适宜以气味觅食的鱼虾喂养酵母粉其营养。我国水产养殖每年需饲料酵母1.5万吨，其营养价值能大幅度地提高，在配合饲料中使用，每吨酵母粉可产猪肉0.8吨，家禽2.5吨，鸡蛋3万只，牛奶4500升。3、种用酵母饲料产品分级（1）按GB596-82标准，饲料酵母应是深层液态培养的酵母经高速离心分离后干燥而成的纯真酵母粉，外观黄褐色，具有酵母特殊的香味，水分9%，灰分9%，粗纤维1%，相对较高；二是产品集植物蛋白与酵母蛋白于一体，故称酵母蛋白饲料。产品外观黄褐色，带有酵母特殊香味，优质的酵母蛋白饲料具有同纯真酵母SCP相同的饲养功效。目前，国内对这类产品的生产监管、营养价值评定，质量标准制订，检测标准及检测程序尚不完善，国内市场上流通的这类产品质量参差不齐，更不乏假冒伪劣产品，极待规范，加强监管。2利用饲料原料生产酵母蛋白饲料的研究进展2.1 固态发酵是用饲料原料生产酵母蛋白饲料的首选方法1、传统的酵母SCP是以糖蜜，硫酸纸废液，木材水解液、石煤油或发酵工业废水为原料，采用深层液态培养法生产。前苏联用亚硫酸纸浆废液和木材水解液生产的酵母SCP年产量达到150万吨，英国帝国化学公司用甲醇原料年产酵母SCP7万吨，原东流司威特石油酵母厂以液态石蜡油为原料年产石油酵母4万吨，缺点是环境污染严重，设备投资大能耗大、生产成本高，高速离心机分离酵母损失大。2、固态发酵特别适宜于发酵废糟，淀粉质原料等饲料的发酵已成为生产酵母蛋白饲料的首选方法。与液态培养法相比具有以下优点：（1）设备投资少、工艺简单、生产成本低；（2）生产过程中无废水产生，无二次污染；（3）发酵产物中活性细胞比例高；（4）发酵产物免疫活性高；（5）产品质量好。目前生产上应用的固态发酵反应器有传统的曲池式原应器、圆磐式隧道式和射鼓式反应器。2.2 固态发酵饲料原料的选择2.2.1 固态发酵饲料原料的选择标准饲料原料的化学组成性状及其价格对固态发酵产品质量及其成本的影响较为显著，选用原则：（1）原料来源广泛；（2）价格便宜 ；（3）淀粉和蛋白质含量较高，粗纤维含量相对较低，安全无毒性的可发酵性饲料原料。2.2.2 固态发酵饲料原料的选用及其依据1、废渣（1）我国糟渣资源十分丰富，种类多、数量大、仅酿造调味品味精、柠檬酸、淀粉、淀粉糖、白酒、黄酒、啤酒、生物农药、果品加工工业部门每年度可产生的糟渣约6000万吨，这类糟渣资源综合利用能高效地转化为营养价值高、附加值高的优质酵母白饲料并有利于国内相关产业部门资源节约型工业体系和循环经济的建立和发展。（2）从表可见，各种糟渣都含有一定数量未被解利用的淀粉、糖、蛋白质、脂肪、维生素、纤维素、钙、磷等营养物质及残留的产量代谢产物是一种安全性高的可利用的宝贵再生源。目前这类糟渣直接喂养动物或经脱水干燥后出售，存在着粗纤维高，营养价值差，易腐败变质，污染环境以及干燥脱水能耗大等种种弊端。表1 干糟渣化学成分名 称干物质粗蛋白粗脂肪粗纤维无氮浸出物粗灰分钙磷%55啤酒糟88.025.67.114.735.76.40.340.68酒糟88.016.18.612.645.15.50.230.38豆腐渣88.026.46.416.835.23.20.400.24玉米淀粉渣88.06.12.44.736.21.40.070.07马铃薯粉渣88.05.92.37.668.63.50.350.23酱油渣88.025.716.312.028.65.0.400.11醋渣88.017.26.715.548.52.10.280.18薯干酒糟88.019.45-22.131.015.9未测未测井岗霉素渣88.025.42.89.025.03.0未测未测2、玉米种类、木质纤维素原料我国玉米年产量1.5亿吨，占全球总产量的25%，年产玉米秸量10万吨。其中，纤维素占干重的32-36%，半纤维素占干重的35-40%，木质素占干重的23%，目前利用率仅10-15%，对这类非常规饲料资源开发生产酵母SCP受到世界各国的重视。作者以同化木糖能力强的酵母为供试菌株，采用玉米芯稀酸水解液为原料30液态培养18-20小时，酵母的发酵产率20克/升；玉米芯水解渣配混其它辅料后用酵母米曲霉混种发酵68小时，得到含酶蛋白饲料。产物每克酵母数高达110亿个，粗蛋白27.58%，粗蛋白增幅50%，蛋白酶488u/g，纤维素酶516u/g。3、常规饲料原料对豆粕、麸皮、小麦、玉米、米糠等常规饲料原料开发生产酵母蛋白饲料具有针对性强的特点，试验表明经固态发酵后能显著提高相关原料的营养价值及其原料利用率。4、菜粕有毒性，低质羽毛粉蛋白含量虽然很高，但消化吸收率极低，可发酵性很差，甚至影响酵母的生长富集，不宜作为固态发酵的饲料原料。目前，国内有些缺失诚信，一味追求盈利，不顾质量的厂商为片面追求粗蛋白指标，在酵母蛋白饲料中掺入低质的羽毛粉、红霉素药渣，以及大量尿素或硫酸铵非蛋白，严重影响了酵母蛋白饲料的使用效果，也影响了酵母蛋白饲料的声誉，极待拨乱反正。2.3 淀粉质原料固态发酵工艺路线及关键技术1、淀粉质原料固态发酵工艺路线淀粉质原料固态发酵是指酵母菌在无游离水的固态基质培养基上生长富集的发酵过程，国内外工艺路线有3种。（1）采用化学方法或酶法降解淀粉底物培养非淀粉分解酵母（酿酒酵母产脱假丝酵母，热带假丝酵母等）。（2）同化淀粉酵母（异常汉逊酵母、扣囊拟内孢毒、粉化酵母）平菌株纯种发酵。（3）同化淀粉酵母与产生纤维素酶，半纤维素酶的丝状真菌（绿色术霉、里氏木霉，或米曲霉、里曲霉）混株发酵，可得到含酶酵母蛋白饲料。2、固体发酵关键技术（1）生产菌种性能优良选育的生产菌种必须具备碳源利用广谱性强，耐酸，耐高温，生长速度快，繁殖力强，蛋白质合成能力强，抗污染能力强，分散性好的优良特性，并含有乙硫氨酸抗性标记以增加酵母胞内蛋氨酸含量，使酵母蛋白饲料中氨基酸组成更加合理。（2）高密度种子扩培技术，以获得10亿个以上/ml的理想菌液。（3）发酵周期缩短，避免杂菌污染。（4）含水量控制在50-60%左右，无游离水溢出，工厂经验是“手握成团，落地能散”。（5）培养基碳氮比合理，料层厚度控制适当，铺料均匀。（6）避免固态发酵不均匀性。固态发酵传质、传热及氧传逆率都较慢，主发酵期间会产生大量发酵热，二氧化碳，局部温度过高，水分活度下降以及溶氧不够时有发生，适时采用通风，搅拌与补水调湿相耦合的方法能有效地解决固态发酵的不均匀性。（7）建立定期清洁与消毒灭菌制度，维持车间清洁生产环境。2.3 固态发酵废糟生产酵母蛋白饲料的研究进展作者采用糖化酵母，绿色木霉、米曲菌为生产菌株，高密度种子扩培技术、酵母片种或混株固态发酵工艺优化控制组合生物技术，先后对各类废糟，常规饲料原料及非常规饲料原料进行了较为深入的小试研究或中试生产放大研究，取得了可喜的研究结果，为产业化奠定了扎实的基础。表2 各种饲料原料发酵前后主要成分类化名称主辅料配比%粗蛋白%真蛋白%酵母数亿个氨基酸%备注主料辅料发酵前发酵后增幅发酵前发酵后增幅井岗霉素废渣505032.145.642.129.839.331.94836.56纯种茅台曲糟841616.2637.47130.414.1431.24120.98025.84混株黄酒糟(霉米)851537.6257.6744.6237.8550.6433.79147.646.11纯种黄酒糟(大米)455531.9247.2147.9029.5541.4040.1010935.89纯种玉米淀粉槽505025.538.651.4-74.5-纯种醋渣406016.433.6104.88-121.37-纯种酱渣703024.43543.4-67-纯种糖渣406025.9537.745.82-156.4-纯种白酒渣455516.533.6104.8-101-纯种柠檬酸玉米渣505023.640.169.91-134-纯种啤酒渣406026.5836.0835.74-266-混株豆粕7030-44.45-68纯种麸皮653520.731.7855.53-120纯种小麦粉16.583.519.4728.1747.4518.1623.4529.1225.4纯种1、固态发酵产物酵母香味浓郁，糟渣发酵产物每克酵母数达48-266亿个；常规饲料原料发酵产物每克酵母数达25.4-120亿个。2、糟渣原料经固态发酵后提高粗蛋白达9.5-21.11%，提高的真蛋白达9.5-17.1%。3、啤酒糟经酵母，米曲霉混株发酵后得到含酶酵母蛋白饲料每克产物酵母数达266亿个，中性蛋白酶901u/g干曲，纤维素酶1824u/g干曲，粗蛋白36.08%。4、豆粕采用固态发酵，发酵周期仅18小时，粗蛋白44.45%，每克产物酶母数68亿个。5、黄酒糟中试放大生产产物粗蛋白47.21%，表观增幅47.90%，真蛋白41.10%，表观增幅40.10%，每克产物酵母数109亿个，粗纤维14.12%，灰分4.62%，B族维生素和微量元素丰富，高于鱼粉和豆粕，氨基酸总量33.89%，除胱氨酸和蛋氨基酸外，其余必需氨酸均达到或超过FAO规定值。表3 发酵产物必需氨基酸比例与FAO规定值比较氨基酸FAO（%）发酵产物（%）蛋氨酸Met2.201.53缬氨酸Val4.206.23胱氨酸Cys2.000.44异亮氨酸lle4.004.81亮氨酸Leu4.208.85苏氨酸Thr2.803.84苯丙氨酸Phe4.205.40酪氨酸Tyr2.804.04赖氨酸Lys4.207.55表4 发酵产物与鱼粉、豆粕B族维生素比较（mg/kg）维生素VB1VB2VB3VB6VB11Vpp发酵产物3.4613.58382011848鱼粉0.14.17.915174.00.200.805593豆粕3.24.52.915165.06.01.33.62229发酵产物中，VB1是鱼粉的34.6倍，VB2是鱼粉的1.7-3.3倍，是豆粕的4.7倍，VB3是鱼粉、豆粕的2.2倍，VB6是鱼粉的5倍，是豆粕的3.3-4倍，VB11是鱼粉的13.75-55倍，是豆粕的3.1-8.5倍，Vpp是鱼粉的9.1-15.4倍，是豆粕的29.2-38.5倍。表5 发酵产物和鱼粉微量元素比较（mg/kg）微量元素FeCuZnMn发酵产物51721.87037.9鱼粉140-3206-990-1475-12用发酵产物进行养殖试验，在小麦、玉米、豆粕、麸皮和米糠配伍的饲粮中添加7%发酵产物，猪育肥期日增重为1000克。3酵母蛋白饲料的营养价值及其评定指标3.1 固态发酵酵母蛋白饲料与深层培养酵母SCP（饲料酵母）的比较传统的饲料酵母生产采用深层液体发酵工艺，由于基础设备投资大，动力消耗大，成本高，环境污染严重及生产原料受到限制，我国液态培养的酵母SCP累计产量迄今不到1万吨。用废渣、常规农副产品下脚料固态发酵生产的酵母蛋白饲料累计产量达30万吨，产品问世以来，带来了一系列理论上、技术上、生产上和产品质量评定上的问题，在国内饲料界和微生物界引起广泛的关注。王厚德同志采用拟内孢霉（Endomycopsis,sp）为供试生产菌株，对固态发酵与深层液态发酵产物及其效价指数进行了比较研究。表6 固态发酵与液态发酵产物及其效价指数比较拟内孢霉（Emdomycopsis.sp）固态发酵（酵母蛋白饲料）深层液态发酵（酵母SCP）实验批数2323细胞数（亿/g）136.3159.2细胞占产物(%)57.5-活细胞比例（%）9382水分（%）8.88.8粗蛋白（%）45.745.2蛋氨酸（%）0.870.68赖氨酸（%）2.132.16免疫活性指数144100肉鸡生物效价指数126100蛋鸡生物效价指数1091001、由表6可见，固态发酵与液态发酵产物中粗蛋白、赖氨酸、蛋氨酸水平接近，但固态发酵产物的免疫活性指数，生物效价指数均高于液态发酵产物。2、山东省农科院曾用固态发酵产物（酵母蛋白饲料，来源于山东大学）作了猪、肉鸡和奶牛的喂养试验。在蛋白质平衡的条件下，代替基础日粮中的鱼粉，当100%代替时，其喂养效果与对照组相同，当50-70%代替时，好于全鱼粉组；用于牛喂养试验，增重率平均在7.5-10%，奶牛产量增加。上述相关实验数据表明，固态发酵产物酵母蛋白饲料与液态发酵产物酵母SCP（饲料酵母粉）饲用功效相同或接近，也是一种营养价值高，且能替代鱼粉的优质蛋白源。3.2 酵母蛋白饲料的质量评定指标1、GB596-82标准适用于饲料酵母质量评定深层发酵法生产的原料主要是糖蜜低聚废液，木材水解液，其中主要碳源为蔗糖、五碳糖或六碳糖、粗纤维少、灰分多、生产工艺上发酵液经离心分离提取酵母后再干燥。产物主要是酵母，因此，饲料酵母产品中粗纤维1%，不列入质量评定指标；灰分指标严格限制要求9%，并按粗蛋白45%、40%、35%将饲料酵母分成优级、一级和二级饲料酵母。2、GB596-82标准不适用于酵母蛋白饲料质量评定固态发酵生产原料主要是废糟及农副产品下脚料，原料多样性使各种基质原料的淀粉，粗纤维及粗蛋白相对含量差异性十分显著，但相对于废水原料而言，植物蛋白、粗纤维及淀粉含量相对要高，而灰分相对要低些，因此，固态发酵产物酵母蛋白饲料相关质量指标上与饲料酵母有所区别。（1）灰分：一般较低。如黄酒糟发酵产物灰分为4.92%。（2）粗纤维，一般在10%以上，如黄酒糟发酵产物，粗纤维为14.12%。（3）粗蛋白 由表2可见，茅台大曲酒糟发酵转化指标表观粗蛋白增幅高达130.14%，每克产物酵母数80亿，但发酵前基质粗蛋白化为16.26%，发酵后粗蛋白为37.47%；井岗霉素废渣发酵转化指标表观粗蛋白增幅仅为42.1%，每克产物对母数为48亿，但发酵前基质粗蛋白高达32.1%，发酵后杂物粗蛋白为45.6%，显而易见，不宜以粗蛋白指标来评定酵母蛋白饲料的质量，也并不是真正反映酵母蛋白饲料的品质状况。3、建议（1）表观粗蛋白增幅，表观真蛋白增幅及产物酵母数作为固态发酵转化指标。（2）产物酵母数、氨基酸总量种类及其配比组成作为酵母蛋白饲料的质量评定指标。（3）相关部门专题研究讨论。4酵母蛋白饲料产业化发展措施4.1 建立酵母蛋白饲料产业化示范基地及其产品应用推广服务体系酵母蛋白饲料是营养价值高且能替代鱼粉的优质蛋白源、氨基酸源和丰富B族维生素源。大规模产业化及其应用技术开发对饲料产品质量、饲料饲养效价及饲料工业整体水平的提高起着十分重要的作用。饲料原料组成与性状不同，生产菌种与工艺也有差异，应根据原料特点，分门别类，建立酵母蛋白饲料产业化示范基地及其产品应用服务体系，以加快酵母蛋白饲料产业发展。4.2 产学研相结合 以产学研合作形式，饲料添加剂生产企业加强与高等院校，研究所合作，以技术创新为主加快相关技术与装备的研究，以提高产品质量，降低生产成本，这对我国酵母蛋白饲料产业化及其推广起到很大的促进作用。安徽安加生物科技工业有限公司与江南大学合作一座年产30000吨酵母蛋白饲料车间即将投入运转。4.3 加强酵母蛋白饲料生产管理，规范酵母蛋白饲料的质量标准及其评估体系目前，国内酵母蛋白饲料主要参照GB596-82标准按粗蛋白、水分和灰分的指标执行。在流通市场上出现了不少冠以“饲料酵母”名称的假冒伪劣产品，有的厂商在价格因素扭曲下，为片面追求粗蛋白指标，加入大量低质羽毛粉及非蛋白氨来冒充粗蛋白；有的厂商根本没有发酵车间，掺入少量啤酒酵母复配出售，这种低档次的畸形竞争很大程度上使国内酵母粉市场处于一种混乱无序的状态，不但严重影响了使用效果，而且败坏了酵母的声誉。为此，必须加强对生产企业监管，尽快建立规范的质量标准及其评估体系，以使我国酵母蛋白饲料产业健康有序发