單細胞蛋白質的展望

【摘要】從藻類、細菌、真菌等單細胞生物中所提取的蛋白質稱為單細胞蛋白質，在飼料暴漲的今天，極具經濟價值。

不久以前，很多人認為，從藻類、細菌、黴菌及酵母菌提取的單細胞蛋白質（SCP），如行大規模生產，以經濟的觀點來看，並不能和傳統的蛋白質來源相抗衡。最近由於肉類產品及飼料價格暴漲，單細胞蛋白質又受到各方的矚目。

在本文中我們將對：一、單細胞蛋白質的現況和未來展望，二、可能的利用方法以及三、目前小規模的研究和未來大規模生產間技術上所存在的困難等等問題加以探討。

一　對不同生產原料的研究

生產單細胞蛋白質的原料相當廣泛；對藻類而言，只要二氧化碳和日光就夠了，而細菌、酵母及黴菌，則需要碳水化合物、乙醇及碳氫化合物等，生產單細胞蛋白質碳源及能源的含碳物質。此外原料中也包括了氮源（如銨鹽或硝酸鹽）和無機元素（如鈣、磷、鐵及鎂等），不過由於含碳物質用量最多，成本也最大，故下面針對含碳物質原料，加以探討。

(一)石蠟系原料

目前已有很多利用石蠟系原料（即正烷類）及氣油來生產單細胞蛋白質的研究報告，同時正式生產的推展工作也進行了不少。雖然成本計算方法隨各種不同的生產方式而異，但一般說來，正烷的成本約占單細胞蛋白質總成本的一半。由於用以生產正烷類及油氣的原油價格有日漸上漲的趨勢，所以用以生產單細胞蛋白質的石油化學方面的原料，其價格也勢必水漲船高。綜上所述，以正烷類為原料來生產單細胞蛋白質，在油價節節上漲聲中，並不理想。

(二)甲醇

甲醇由天然氣回收而得，天然氣如不轉變為甲醇，只能在產地較不經濟地使用掉，無法送到市場去。故在油價猛漲的情形下，甲醇便相對地要便宜多了。

甲醇和水完全互溶，又因其揮發性大很容易由單細胞蛋白質產品中除去，同時甲醇亦不含微量的致癌物質─芳香族碳氫化合物，故要比其他原料更適於製造單細胞蛋白質。尤其是在很多天然氣的產地如台灣、日本等，其發展（前途）更是未可限量。

(三)乙醇

乙醇也被考慮用來生產單細胞蛋白質。乙醇雖然具有甲醇的優點，但它需要由石油化學原料（乙烯）或由碳水化合物醱酵而製得，而這兩種製造乙醇的原料，本身價格已不斷上漲，故利用乙醇為原料，並不經濟。不過由於人類對乙醇已有很長的食用歷史，故對由乙醇生產的單細胞蛋白質，接受性較大。美國明尼蘇達州明尼亞波利斯城（Minneapolis．Mionesota）的艾默克食品公司（Omoco Foods Co.），已於今年三月底建廠完成，開始生產以乙醇為原料的單細胞蛋白質（商品名Torutein），年產量達一千萬磅。

(四)甘蔗

甘蔗中含多量的蔗糖，蔗糖是葡萄糖和果糖縮合而成的雙醣類，極易被各種微生物（酵母、細菌及黴菌等）利用，回收此等微生物之菌體即可製得單細胞蛋白質。在低度開發國家，使用甘蔗生產單細胞蛋白質極為有利，因為在低度開發地區仍有過多的甘蔗及人力未曾利用，而這些資源並不容易以其他更有效的方法利用。

(五)廢棄物

在較為進步的國家，各種廢棄物如農業廢棄物、都市廢棄物以及工業廢棄物等特多。將這些廢棄物經過一連串的處理，可將之轉變成單細胞蛋白質（見圖一）。不過由於原料供應量的變化不定，以及處理廢棄物方法的不斷改進（導致單細胞蛋白質的原料、性質亦常變化不是），使得利用廢棄物生產單細胞蛋白質的工業化不易實行。

二　已開發具有中間試驗工廠規模的方法

表一是最近五年來所發表之單細胞蛋白質之生產方法，此等方法已具有中間試驗工廠規模，可利用做大規模生產。酵母菌的利用，最接近工業上的大規模生產，其次便是細菌的利用。

由於利用碳氫化合物或乙醇生產酵母菌、細菌時需要多量的氧氣，最近已發展出一種氣浮式醱酵槽（見圖二），這是將空氣吹到中間圓柱體和醱酵槽間之環形空間，使生劇烈通氣攪伴作用的設備。這種醱酵槽的使用，為單細胞蛋白質生產上的一大改進。

利用碳氫化合物小規模生產黴菌蛋白質，最近已有報告，不過仍未進行工業化大規模生產。藻類的培養，一定要在一年中大部分日子都有陽光的地方才可進行，且在培養中要不斷的供給二氧化碳，以做為碳源。以藻類生產單細胞蛋白質仍缺少較大規模的發展。我國工業技術研究院已從事此方面的研究，並已獲初步研究結果。在墨西哥塔斯可可湖（Lake Texcoco）的天然鹼性水內，有螺旋藻Spirulina maxima的生產，當地居民即以菌體曬乾後，充當糧食。

三　營養價值

最近曾發表了很多有關酵母、細菌、藻類及黴菌類菌體成分中胺基酸及維生素的分析報告。不過單細胞蛋白質產品是否適於做為食物或飼料，是由動物試驗所定出來的營養價值來決定的。

表二是對單細胞蛋白質產品中蛋白質成分品質方面的評估。一般說來，微生物蛋白質中甲硫胺酸的含量較低，因此如果要使其蛋白效率比（PER）或生物價與動物性蛋白質如酪蛋白（PER 2.5﹐BV 72-75）及雞蛋（PER 3.0﹐BV 97-100）相同，便必須添加甲硫胺酸。好在甲硫胺酸的價格低廉，格外的添加並不會增加太多成本。

將由碳氫化合物培養所得的乾燥單細胞蛋白質，以百分之十五的添加量，來進行豬及燒烤用嫩雞的飼養試驗，結果顯示其飼料的轉變效率和對照用的飼料（即魚粉等傳統蛋白質）完全相同。如果將飼料中單細胞蛋白質的含量提高到百分之十五以上，發現飼養籠中會蓄積多量的糞便。同時以乾燥藻類進行雞的飼養試驗，發現有甘胺酸及甲硫胺酸的缺乏現象。

以人類的營養觀點來看，利用糖蜜或亞硫酸紙漿廢液所培養的食用酵母，其營養已符合美國國家藥方表（National Formulary）及食品藥物管理局（Food and Drug Administration Standards）的標準。這些食用酵母目前已被用來做為食品添加物，以增加維生素乙並增加香味。總之，酵母單細胞蛋白質被用為食物的蛋白質來源時，主要的考慮因素有：風味、人們的可接受性以及安全性等。

人們對食物中藻類單細胞蛋白質的最高可忍受吸收量為每天一百克，再高便會有胃腸不適的現象。而細菌及黴類單細胞蛋白質對人類的營養研究，目前仍沒有人提出報告。

四　安全性的考慮

聯合國蛋白質諮詢會（The United Nations Protein Advisory Group）已提出安全的標準，以及生產步驟的詳盡指導。目前對單細胞蛋白質產品在食品上應用的考慮有：

(一)是否有形成腎結石及痛風的危險？

(二)是否會引起胃腸的不良反應？

(三)是否會引起皮膚的不良反應？

(四)是否存有致癌的化合物？

在酵母單細胞蛋白質中含有乾物重百分之六到十一的核酸，若每天服用二十克以上的酵母單細胞蛋白質，便會提高血中的尿酸含量，並使尿的分泌量增加。人們每天對酵母核酸的安全吸收限量為二克，若服用三克以上的核酸，便會引起腎結石或痛風。

某些細菌如Acinetobacter （Micrococcus）cerificans其核酸的含量，竟高達乾物重的百分之十五到十六。而一般藻類及黴類菌體內的核酸含量較低，故引起腎結石或痛風的危險性也要比酵母或細菌為少。

利用熱激盪保溫法（即以核酸分解除去核糖核酸）或者使用鹼抽出法及酸凝固法，可使單細胞蛋白質中的核酸含量減到百分之一至百分之二。

用以乙醇培養的酵母，或Hydrogenomonas eutropha、Aerobacter aerogenes等細菌以及藻類所生成的單細胞蛋白質，來進行人類的營養試驗，發現有噁心或嘔吐等不良反應。而亞硫酸紙漿廢液培養的酵母Candida utilis，則會引起皮膚機能的損害。

在日本，由於恐懼由碳氫化物所培養的單細胞蛋白質中，存有致癌化合物，使得單細胞蛋白質的發展延緩下來。事實上，由碳氫化合物所培養的單細胞蛋白質致癌物質的含量約僅為十億分之一左右，而使用傳統的原料─碳水化合物所培養的酵母，卻含有更多的致癌物多核碳氫化合物（polynuclear hydrocarbon），因此這種顧慮是沒有必要的。

用在動物飼料方面，人們原來也有很多顧慮，但很多試驗證明這種顧慮是多餘的。在動物試驗中，從未發現有致癌的毒性或引起尿酸過多等問題。對於致癌多核碳氫化合物的恐懼問題，最直截了當的解決方法，便是使用根本不和多核碳氫化物接觸的甲醇，或其他原料來培養微生物。

五　應用

單細胞蛋白質主要可供家禽、豬、牛及魚等動物的飼料。美國目前每年要進口五十萬噸魚粉，故可以成立單細胞蛋白質工廠，提供單細胞蛋白質，來代替一部分以前所用的魚粉。在法國已使用單細胞蛋白質的產品，來代替餵犢牛的乳，但市場不太大。

另外單細胞蛋白質也可用來代替鮮肉及香臘腸，或用以代替時下用黃豆纖維做成的人造肉類，或者用為烘焙食品的蛋白質添加物。不管那一種應用，我們都必須將單細胞蛋白質加以處理，使其更適於加工，同時並使其非蛋白質的氮含量降低。

目前人們已能接受以大豆蛋白纖維製成的人造肉，故細菌和酵母蛋白的類似應用，也將大有可為。雷拉（Rha）等人已研究出：Torula的乾酵母濃縮抽出液很適合於製成纖維狀的人造肉。而海登（Heden）也報告由細菌蛋白所製成之蛋白纖維要比由大豆製得者有更大的強度。

將單細胞蛋白質和其他的成分混合，或者將其加以適當的化學處理，可使之更適於加工。譬如：將單細胞蛋白和大豆蛋白、動物膠、澱粉等物質混合，可製得有更好組織的食品。

六　單細胞蛋白質的市場

單細胞蛋白質的醱酵製造，必需在某一地理區域或政治區域內每年有五萬至十萬噸的市場，才可進行。歐洲動物飼料的需要量，每年增加百分之十，而目前年需八十萬噸的魚粉，故只要單細胞蛋白質在價格上可以和魚粉競爭，歐洲每年二十到四十萬噸的市場是毫不成問題的。

在魚粉缺乏以前，日本單單魚類養殖業每年便需要八萬五千噸的魚粉。日本的公司原已決定年產二十萬噸的單細胞蛋白質，但其生產計畫卻因人們對致癌化合物污染的恐懼而延擱下來。目前已證明這種恐懼是多餘的，故在經濟合理的價格下，日本單細胞蛋白質的市場潛力，每年將超過四十萬噸。

美國每年魚粉的消耗量在五十到一百萬噸之間，如能經濟的生產單細胞蛋白質，美國每年的市場將多於四十萬噸。

以上是單細胞蛋白質用於動物飼料方面的市場。而其用於食品方面的市場，目前很難預測，因為一般預料含有單細胞蛋白質的食品，最早也要在一九八四年才會在市場上出現。

七　成本及價格的考慮

如果我們假設：(一)甲醇每加侖成本為美金八分；(二)每小時每升的醱酵槽有二﹒五克的生產能力；(三)每消耗一克的甲醇，可以生成○﹒三五克的乾菌體。則可以推算出，利用甲醇來生產單細胞蛋白質時，其製造成本將不會超過每噸三百元美金。

由於甲醇的成本比正烷類便宜，故利用碳氫化物生產單細胞蛋白質，其成本將達每噸三百五十元美金。

當我們要做大豆粉、魚粉及單細胞蛋白質的價格比較時我們必須考慮：

(一)單細胞蛋白質的蛋白含量（百分之六十到六十五）要比大豆粉（百分之四十四）及魚粉（百分之六十）高。

(二)單細胞蛋白質需添加甲硫胺酸，才可以達到魚粉的生物價。

如果將上述條件考慮在內，和每噸單細胞蛋白質相當的大豆粉，在一九七四年一月的價格約為美金二百六十元。雖然目前魚粉每噸已超過五百四十元，我們並不期望單細胞蛋白質有如此高的價格。綜上所述，目前單細胞蛋白質在市場上的合理價格應為每噸三百到五百元美金。

由以上成本和價格的比較，我們可以斷言：單細胞蛋白質的生產，在目前是極為樂觀的。

（改寫自：Food Technology 1974 5月號）

http://210.60.226.25/science/content/1976/00010073/0006.htm