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    微生物利用非蛋白氮合成菌體蛋白的研究進展

    放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-05  瀏覽次數:219
       非蛋白氮即非蛋白質狀態的含氮化合物,包括有機物和無機物。動物營養學中,非蛋白氮指飼料中蛋白質以外的含氮化合物的總稱,包括游離氨基酸、蛋白質降解的含氮化合物、尿素及其衍生物類、氨及銨鹽類化合物和酰胺類化合物(韓曉平,2013)。尿素及其衍生物類包括尿素、縮二脲、縮三脲、磷酸脲、羥甲基尿素、亞異丁基二脲、硬脂酸尿素等。氨及銨鹽包括液氨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、甲酸銨、硝酸銨、聚磷酸銨、乳酸銨、氰酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨等。酰胺化合物包括谷酰胺、天冬酰胺和雙氰胺等。本文對微生物利用非蛋白氮的機理以及一些微生物利用非蛋白氮轉化為優質菌體蛋白的最新研究進展進行綜述,以期為飼用微生物蛋白的開發提供參考。 
      1.微生物利用非蛋白氮的機理
      自然界中多種微生物可以利用非蛋白氮類物質合成自身生長需要的蛋白質,微生物在體內酶的作用下將非蛋白含氮物質降解為氨,氨在酶的催化作用下進一步被同化為氨基酸,氨基酸經過體內的代謝最終生成菌體蛋白。
      1.1微生物利用氨及銨鹽類轉化為菌體蛋白的機理
      氨及銨鹽類物質在微生物生長基質中解離為銨離子,微生物吸收銨離子進入體內并在谷氨酰胺合成酶的作用下與谷氨酸反應生成谷氨酰胺(Geisseler等,2010),轉氨酶催化谷氨酰胺發生轉氨基作用進而合成其他氨基酸,多種氨基酸作為蛋白質合成的前體物質經過蛋白質合成酶的催化合成微生物菌體蛋白。此外微生物直接利用α-酮戊二酸和NH3在谷氨酸合酶的作用下生成谷氨酸(Jo等,2012),谷氨酸和氨通過上述過程轉化為菌體蛋白,此為微生物利用氨的另一種途徑。微生物同化氨及銨鹽類物質為菌體蛋白最重要的酶是微生物谷氨酰胺合成酶,因為該酶在無機氮轉化為有機氮過程中起著重要的橋梁作用,為后續微生物蛋白質的生物合成提供最基本的前體物質。
      1.2微生物利用尿素及其衍生物轉化為菌體蛋白的機理尿素及其衍生物不能直接被微生物同化為菌體蛋白質,而是要轉變為其他易被微生物吸收利用的非蛋白氮物質而被微生物利用。尿素主要通過兩種途徑被微生物利用。第一種途徑是,尿素被微生物分泌的脲酶催化降解為氨和二氧化碳(Balasubramanian等,2013),氨通過1.1中介紹的途徑最終轉化為微生物蛋白質。第二種途徑是,尿素首先經尿素羧化酶(UC)催化生成脲基甲酸油培養基比培養在分析級甘油培養基培養生物量濃度、蛋白質含量和總蛋白量分別提高1.2、1.5、1.9倍(Santos等,2010)。
      2.1.2其他真菌
      米曲霉在0.75%的尿素條件下發酵木薯漿4d,蛋白質和氨基氮含量由2.59%和0.89%分別提高到17.4%和15.13%(Thongkratok等,2010)。研究表明,綠色木霉生產效率高,對氮源的要求低,是生產真菌生物蛋白最好菌株,它在不添加氮源的情況下經過搖瓶發酵可產超過5g/L的真菌生物質,而米曲霉和黑曲霉在加入0.5~1.0g/L的(NH4)2SO4條件下生成5g/L的真菌生物質。米曲霉和黑曲霉菌株產生的生物質含有約36%的蛋白質,而綠色木霉產生的生物質含有19.8%的蛋白質,米曲霉和黑曲霉具有較高的蛋白質含量,可以利用(NH4)2SO4生產真菌蛋白(Zhang等,2009)。卵形孢球托霉也可用來合成蛋白質,在5%尿素和初始水分70%條件下,發酵蘋果渣,可產生19.63%可溶性蛋白(Vendruscolo等,2009)。
      2.2藻類對非蛋白氮的利用
      藻類含有進行光合作用的光合色素,能吸收外界環境的含氮物質轉化為自身的蛋白質。小球藻不僅蛋白質含量高,氨基酸組成合理,還含有豐富的生物活性物質(Lodge-lvry等,2014)。Mahboob等(2012)以尿素為氮源,在10L照明玻璃反應器中純培養耐熱小球藻,獲得的小球藻類富含60%的粗蛋白質,并含有0.52%類胡蘿卜素。淡水小球藻以尿素為氮源,葡萄糖為碳源進行分批補料發酵,67h內其干物質平均生長率可達1.22g/L(Doucha和Livansky,2012)。
      3小結
      微生物菌體蛋白早已作為蛋白質飼料添加劑應用于動物養殖中,但現階段微生物對非蛋白氮的有效轉化率仍不高。因此,在微生物菌體蛋白的生產中采用基因工程方法以及其他分子生物學手段,選育非蛋白氮高效利用菌,以及利用創新技術設計高效的生物反應器,提高非蛋白氮的轉化率均將推動非蛋白氮轉化為微生物蛋白產業的發展,并可促進發酵蛋白飼料生產過程中蛋白質含量的有效提高。同時,在研究非蛋白氮轉化為微生物蛋白的同時,結合進行含糖量高的廢棄物作為碳源的協同研究,將有利于促進非蛋白氮轉化為微生物蛋白的進程。
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