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微生物蛋白（MP）生产潜力巨大，但 O2和 H2溶解度低限制了氢氧化细菌（HOB）产 MP。研究人员在带气液混合泵的鼓泡塔反应器中引入液体石蜡作气体载体。结果提升了气体传质，增加了 MP 产量且不影响蛋白质量，为 MP 生产提供新策略。
在当今时代，随着社会的不断发展以及全球人口数量的持续攀升，人们对食物的需求日益增长，尤其是对高品质蛋白质的渴望愈发强烈。传统的从动物身上获取蛋白质的方式，在生产过程中会因为食物链内大量的氮流失，进而对水资源和土壤造成严重污染。因此，微生物蛋白（Microbial Protein，MP）作为一种创新且极具前景的蛋白质生产策略，逐渐进入人们的视野。它有望融入食品供应链，成为可持续的饲料或食物来源。其中，氢氧化细菌（Hydrogen - oxidizing Bacterium，HOB）凭借独特的 “本领” 脱颖而出，它能以 H
2为能源，O
2为电子受体，CO
2为碳源，结合氮元素合成高品质蛋白质，生长速度快，粗 MP 含量高，所产 MP 的氨基酸组成可与动物蛋白相媲美，甚至在蛋白水解酶的利用上超过小麦。
然而，看似 “完美” 的 HOB 产 MP 之路却存在着不小的阻碍。O2和 H2这两种对于 HOB 生长至关重要的气体，在水中的溶解度极低。在 30℃、1atm 的条件下，O2的溶解度仅为 7.56mg?L?1，H2更是只有 1.58mg?L?1。这使得 HOB 在生长、代谢以及有氧氢氧化过程中，面临着能源供应不足和电子摄取困难的问题。而且，在气体发酵过程中，生物质浓度与所需气体的传质密切相关，气体 - 液体传质成为了 HOB 利用 CO2、O2和 H2生产 MP 的限制因素。一旦这些难溶性气体无法满足微生物代谢需求，O2的传质动力学就会成为限速步骤，直接影响蛋白质的生产性能。此前，虽然在 HOB 微生物蛋白生产的其他方面取得了一些进展，比如 H2来源、氨回收、氮源利用以及操作参数研究等，但从气体载体角度增强 O2和 H2传质以提高 HOB 蛋白产量的研究尚未见报道。
为了解决这些棘手的问题，国内研究人员展开了深入探索。他们巧妙地将液体石蜡作为气体载体引入到配备自吸式气液混合泵的鼓泡塔反应器中，开展了关于液体石蜡对 HOB 微生物蛋白生产影响的研究。此项研究成果发表在《Biochemical Engineering Journal》上，为微生物蛋白生产领域带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，搭建了特定的鼓泡塔反应器，通过合理设计其结构，如设置不同高度的孔板，来优化气液传质；其次，利用自吸式气液混合泵促进气液混合，并使其在反应器内循环；最后，通过检测溶解氧（DO）和氢气浓度、分析微生物生长情况、测定蛋白产量及氨基酸谱等，全面评估实验效果 。
下面让我们详细了解一下研究结果：
- 液体石蜡对 O2和 H2传质的影响：研究人员对比了添加和未添加液体石蜡时，鼓泡塔反应器中溶解氧（DO）和氢气浓度的变化。结果发现，在通入 5.4mL?min?1 O2后，添加 3% 液体石蜡的体系中，DO 浓度达到平衡的时间比未添加时快了 95.4%。这表明液体石蜡显著加快了 O2的传质速度。同时，氢气的传质也得到了提升，这充分证明了液体石蜡对 O2和 H2传质均有促进作用。
- 对 HOB 生长和气体摄取效率的影响：添加液体石蜡后，O2和 H2的体积传质系数（KLa）大幅增加，O2的 KLa 从 0.69h?1提升至 1.81h?1，H2的 KLa 从 0.37h?1提升至 1.67h?1。这使得细胞干重增加了 33.9%，并且几乎实现了 100% 的 O2和 H2摄取，有力地促进了 HOB 的生长。
- 对微生物蛋白生产的影响：NH4+-N 转化为 HOB 蛋白的产率明显提高，从 4.21±0.18gMP?gN?1提升至 5.18±0.68gMP?gN?1，干生物质中平均蛋白质含量达到 53±5% ，相较于未添加液体石蜡时，转化率和蛋白质含量分别提高了约 23% 和 20%。这一结果表明，液体石蜡的加入显著提升了微生物蛋白的生产效率。
- 对氨基酸谱的影响：对必需氨基酸谱的分析显示，添加液体石蜡后，蛋白质的必需氨基酸谱与未添加时处于相似水平，这意味着液体石蜡的存在并未对蛋白质质量产生明显影响，保证了微生物蛋白的品质。
综合研究结论和讨论部分，此项研究意义重大。它首次证明了在配备气液混合泵的鼓泡塔反应器中，使用液体石蜡乳液作为气体载体来生产微生物蛋白的可行性。通过引入 3% 的液体石蜡乳液，成功提升了 O2和 H2的传质效率，显著增加了微生物蛋白的产量，同时还保证了蛋白质的质量。这一研究成果为解决微生物蛋白生产过程中的气体传质限制问题提供了新的有效途径，为微生物蛋白在饲料和食品领域的大规模应用奠定了坚实基础，有望推动相关产业的可持续发展。
