吴信研究员：新型单细胞蛋白饲料资源开发利用进展

畜牧业是关系国计民生的重要产业，是乡村振兴战略产业发展的重中之重。近年来，随着居民生活水平提高和消费结构升级，对动物产品的需要量进一步增加，进而带动对饲料的需求持续增加。2022年数据显示，我国饲用粮占粮食消费总量的48%[1]，畜禽与人争地、争粮的现象严重。然而，我国人均可耕种面积有限，以占全球7%的耕地面积养活了世界22%的人口，粮食供需矛盾十分突出。目前，我国面临蛋白饲料原料匮乏的问题，这导致畜牧业过度依赖进口的蛋白饲料原料，若进口一旦受限，将严重制约畜牧业的可持续发展[2]。扭转这一现状也是我国畜牧业发展的关键挑战。在全球人口不断增长的情况下，粮食供应危机加剧，未来对资源的竞争也变得更加激烈。面对复杂的国际和国内形势，保障国家粮食安全面临巨大压力[3]。在此背景下，习近平总书记强调了“中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上”。因此，开发单细胞蛋白（SCP）饲料资源有助于缓解我国蛋白质饲料资源紧缺的问题。

单细胞蛋白主要是微生物的细胞质团，蛋白质含量高达40%~80%，营养物质丰富，可利用率高[4]。结合安全性、实用性、生产效率和培养条件等方面综合考虑，SCP中最主要的是酵母蛋白、细菌蛋白和藻类蛋白[5]。利用一碳资源、秸秆为碳源生产的新型SCP，不仅蛋白含量高，而且还富含氨基酸、核苷酸、矿物质以及维生素等满足动物生长发育所必需的各种营养物质，具有较高的营养价值[6]。与传统蛋白饲料原料相比，生产新型SCP饲料资源能够利用各种非粮型原料，具有原料来源广、生产周期短、生产效率高和可工业化生产等优势，且不受地域、季节和气候的限制[7]。与种植植物蛋白相比，SCP占地面积较少，可以节约水资源，而且不需要农药和化肥，能够有效减少环境污染，从而大幅降低饲料成本。另外，体内试验表明，SCP可以提高动物的饲料利用率和生产性能，进而增加养殖业经济效益[8]。因此，开发新型SCP生产技术可以应对全球粮食危机以及节能减排的要求，有巨大的发展前景。

我国畜牧业蛋白质饲料主要以豆粕为主，豆粕作为植物性蛋白质的重要来源，因其高蛋白质含量和丰富的赖氨酸、蛋氨酸使其成为理想的饲料[9]。随着畜牧业的快速发展，对豆粕的需求不断增加，国产豆粕已远远不能满足饲料生产的需要。长期以来，我国蛋白资源依赖进口的情况严峻，豆粕缺口量连续十年高达80%。2023年我国大豆产量为2 084万吨，进口量为9 940.9万吨，进口量占比高达82%。目前我国大豆的种植面积为1.54亿亩，同期中国耕地的总面积为19.14亿亩，若要实现大豆本土供给，则需要全国约46%的耕地种植大豆才能实现同期消耗量的自给自足。人均可耕地面积少的国情导致了我国畜牧业将长期面临原料资源紧缺的压力，严重制约我国饲料业及养殖业的可持续发展[10]。此外，在南美大豆产区干旱极端天气、国际局势和全球疫情的影响下，导致全球大豆供应量下降[11]，饲料资源供需矛盾愈演愈烈。

在全球人口持续增长且资源有限的背景下，提升资源利用效率成为人类面临的重要问题。我国饲用蛋白质资源的开发利用受到多种因素制约。目前，饲料营养价值评定体系尚不成熟，致使蛋白效价与氨基酸是否平衡不能被精确评价，进而无法充分满足动物生长需要，导致蛋白质利用效率低下，蛋白质资源浪费的现象较为普遍[12]；此外，对蛋白饲料中含有的毒素或抗营养因子处理方法不成熟，营养成分变异大，易变质等问题不仅降低饲料营养价值，同时对动物的生长性能和健康状况也有一定的负面影响[12]；特别是长期受国外以谷物类饲料为主的配方模式制约，我国大量的非常规饲料资源未得到合理利用[13]。如我国每年有超过8亿吨的秸秆类农副产品，但是综合利用率极低，既造成大量资源浪费，又引发环境污染问题[14]。农业农村部印发的《农业绿色发展技术导则（2018—2030年）》指出，饲料的发展方向应重点研发发酵饲料应用技术、促生长药物饲料添加剂替代技术、饲料原料多元化综合利用技术、非常规饲料原料提质增效技术等。微生物发酵是开发新型蛋白饲料资源的一种重要途径，微生物可以利用多种底物生产SCP。随着现代生物合成技术的发展以及节能减排理念的推进，微生物利用一碳资源、秸秆等非粮性资源生产新型SCP对未来缓解蛋白资源供应紧张、人畜争粮的矛盾有巨大的潜力，也是未来蛋白饲料行业的发展趋势。

2.1 一碳资源生物合成蛋白资源

利用一碳资源生物合成蛋白质的技术相较于传统的酵母蛋白的生产，在成本上具有显著优势，未来在食品和饲料工业领域具有广阔的应用前景。根据2023年4月农业农村部办公厅印发的《饲用豆粕减量替代三年行动方案》，新型蛋白饲料资源挖掘利用试点行动正在全面实施。此举支持乙醇梭菌蛋白应用范围的扩大，涵盖猪、鸡等畜禽以及水产养殖动物，同时加速其他一碳气体发酵生产菌体蛋白的审批，以扩大微生物蛋白原料的生产规模和推广应用。这不仅有利于缓解我国蛋白资源缺乏的情况，同时在环境保护方面也具有重要意义。

2.1.1 二氧化碳资源生物创制单细胞蛋白

二氧化碳（CO2）主要来自煤化工厂和发电厂[15]，在现代生物技术创新突破和节能减排的要求下，CO2被视为一种储量巨大、安全易得的碳资源，对CO2的资源化利用是实现化石能源清洁利用的重要途径之一[16]。微藻作为一种重要的光合固碳微生物，能够利用CO2作为碳源，通过卡尔文循环转化为3-磷酸甘油醛，进而参与中心碳代谢以合成各种氨基酸[17]。微藻生长迅速，蛋白质含量高达70%，含有丰富的叶绿素、维生素和不饱和脂肪酸，同时核酸的含量较低，是SCP的重要来源[18]。根据世界卫生组织/粮农组织对平衡良好的蛋白质的图谱定义，微藻的氨基酸图谱与之相符[19]。然而，微藻具有坚硬的纤维素细胞壁，直接饲喂的可消化率较低[20]。因此，需寻求有效的后处理方法来提高对微藻SCP的消化利用率。

未来生物转化是实现CO2清洁利用的主要途径之一。天津工业生物技术研究所毕昌昊研究员带领团队，以罗氏菌为基底菌株，成功构建将CO2高效转化为有机物的生物合成途径，并建立了自养发酵技术用于生产脂肪酸，这项研究不仅为环境和能源问题提供了替代解决方案[21]，也为生物资源的可持续利用开辟了新的道路。

2.1.2 一氧化碳资源生物创制单细胞蛋白

一氧化碳（CO）主要来自钢铁工业尾气，通常可以采用催化燃烧工艺利用供热或进行发电。乙醇梭菌是利用CO的常用菌株，能够利用CO进行发酵生产乙醇[22]，乙醇梭菌发酵生产乙醇过程中获得的菌体副产物可以作为SCP，该蛋白通过气体预处理、发酵培养，以及分离、喷雾干燥等工艺加工制备而得[23]，其粗蛋白含量超过80%[24]，同时氨基酸结构平衡，营养丰富，且不含有植物蛋白中的抗营养因子[25]，具有非常重要的环保意义和开发潜能[26]。

值得注意的是，乙醇梭菌蛋白同样也具有细胞壁，不利于动物对蛋白质的消化利用[27]，因此，需要在饲喂前对其细胞壁进行处理。钢铁工业尾气中的CO为碳源、氨水为氮源，利用乙醇梭菌液态厌氧发酵工艺，首次实现从CO到蛋白质的合成，据报道已经形成万吨级的工业生产能力[28]，为动物饲料的生产提供了新的资源。

2.1.3 甲烷资源生物创制单细胞蛋白

甲烷（CH4）兼具可再生能源物质与温室气体双重属性，其来源广泛，包括天然气、沼气和可燃冰等多种途径，储量可观[29]。甲烷氧化菌是一种甲基氧化菌，能够以CH4作为唯一碳源和能源生长，并在此过程中将CH4转化为CO2[30]。甲烷氧化菌蛋白质含量达70%左右，营养成分与天然蛋白十分相近，含有动物机体所需的多种氨基酸、维生素以及多种微量元素，与鱼粉相比色氨酸的含量更丰富[31]。目前，利用甲烷合成SCP的技术可以利用现有的天然气开采设施生产，这项技术还处在开发应用于大规模生产的初级阶段，有望成为应对全球粮食资源短缺对饲用蛋白供应冲击的有效手段[32]。

2.1.4 低碳醇碳资源生物创制单细胞蛋白

我国煤炭资源储量比较丰富，甲醇产业规模全球领先，2022年甲醇产能和产量分别达到10 041万吨和8 022万吨。在甲醇利用方面，一碳甲醇作为碳源生产蛋白饲料具有成本低、质量稳定可控、来源灵活等诸多优势。巴斯德毕赤酵母是一种具有代表性的甲基营养性真核生物，能够以甲醇作为唯一碳源合成SCP和其他产物。结合利用甲醇和绿氢技术，通过巴斯德毕赤酵母发酵，回收工业生产过程中生产的CO2，以作为生产蛋白质原料。这种方法不依赖耕地，能突破时空限制实现高效生产，助力碳减排，并缓解我国由于耕地资源有限导致的粮食和饲料蛋白短缺的问题。

有研究表明，巴斯德毕赤酵母由于具有天然的甲醇同化能力被认为是生产甲醇SCP的理想宿主，然而，该酵母的发酵温度高于其最适生长温度，会降低菌株对底物的利用效率，为解决这一问题，通过适应性实验室进化（ALE）获得了甲醇利用效率高、耐受温度为33 ℃的巴斯德毕赤酵母菌株。进一步通过调控氮代谢途径关键基因和削弱细胞壁合成，将进化菌株的蛋白质含量提高至50.6%[33]。然而，甲醇作为合成SCP的原料具有毒性，其代谢路径复杂，碳损失较高，超过原料整体利用率的20%以上，这限制了甲醇代谢流高效定向转化为菌体蛋白，是制约甲醇蛋白合成经济性的主要技术瓶颈。为解决这一问题，Gao等[34]通过组学解析毕赤酵母的甲醇代谢途径及关键点，发掘了在甲醇胁迫条件下酵母细胞壁合成响应原件PAS-chr4-0305，并定为解锁细胞壁感应器的人工靶标。敲除PAS-chr4-0305后，细胞内海藻糖大量积累，这一现象表明细胞壁感应器被激活。进一步研究毕赤酵母在激活细胞壁感应器后的调控机制，借助组学数据检测到基因组层面的信号扰动相继通过HOG和CWI途径传导，引发毕赤酵母细胞壁重塑机制。进而毕赤酵母底盘在“内驱力”作用下的代谢流重编程，增强菌株对甲醇耐受度和代谢效率，大幅增强甲醇-蛋白代谢流的定向转化，提高碳氮协同转化效率并减少碳损失。这为解析毕赤酵母碳氮源高效利用与甲醇-蛋白质定向合成的调控机制提供新策略，也为突破甲醇蛋白生物制造经济阈值奠定基础。

2.2 秸秆资源生物创制蛋白饲料

我国地域辽阔，物产丰富，非传统饲料资源种类繁多，主要来源于农副产品和食品工业副产品。秸秆作为一种大宗非粮饲料原料，其开发利用对于缓解蛋白资源短缺和减少秸秆饲料资源浪费具有重要意义。根据农业农村部关于推进玉米豆粕减量替代工作通知要求，党中央和国务院已把“利用农作物秸秆开发节粮型饲料发展畜牧生产”定为今后我国饲料和养殖业的发展方向。虽然一些秸秆资源经过青贮、氨化等处理后被用作反刍动物的饲料，但其粗蛋白含量低，与豆粕、鱼粉等传统蛋白饲料相比存在明显差距[35]。因此，利用生物技术把秸秆资源转化为蛋白饲料，是解决饲粮供给、把握粮食安全的重要途径。

在秸秆利用研究中，由于秸秆中含有大量的纤维素、木质素、半纤维素等物质，结构复杂。并且秸秆固态发酵中通常遇到单一菌种的酶系不全、活性低、酶解时不宜与基质充分接触、降解效果有限及易受降解产物阻遏等原因而导致秸秆发酵后SCP产量低，极大限制秸秆来源SCP的饲用范围。并且选用多种木质纤维素分解酶之间高效配对作用是科学技术面临的持久挑战。Gao等[36]基于大量试验验证的酶与底物的定量构效关系数据集，成功创建了木质纤维素结构-酶系组成的无监督机器学习模型，该模型能够深入挖掘木质纤维素结构与降解酶系组成之间的复杂数据关系和多维性模式识别中的隐含规律，根据木质纤维素结构特性精确求解，破译最佳酶系组成的新算法，模型预测的准确率达到91.98%[36]。通过应用于多种农业副产物的固态发酵生产微生物蛋白的实验进一步表明，该模型可以基于不同农业副产物定制专属的降解酶系并在固态发酵生产SCP中应用，实现不同农业副产物固态发酵后粗蛋白和真蛋白含量得到显著双提升。证实了该机器学习模型在缩减潜在最优酶系组合范围、加速最优酶系筛选过程，以及有效克服木质纤维素的降解障碍等方面展现出了高效性。它基于木质纤维素结构特征的降解酶系组成和比例的定量匹配提供了理论支持。此外，该模型为摆脱复杂底物结构与多样酶系间构效关系的实验依赖，以及精准定制与木质纤维素结构高度匹配的降解酶系提供了新的策略。通过菌酶协同的固态发酵工艺，将玉米秸秆成分降解和转化，营养价值和饲用价值得到提高；氨基酸水平和组成得到提升和优化。秸秆生物转化合成饲用蛋白是实现秸秆规模化高值利用的关键，是有效缓解粮食压力、解决饲用蛋白质原料供需矛盾的有效手段，也是解决秸秆问题、实现畜禽低成本健康养殖的有效选择这些技术的推广和应用将对我国的饲料和养殖业产生深远影响[36]。

除此之外，利用食用菌生产菌丝体蛋白也展现了巨大的发展潜力。食用菌有较强降解木质纤维素的能力，食用菌蛋白通常具有完整的必需氨基酸谱，具有抗氧化和抗肿瘤等特性，利用食用菌发酵不存在明显的安全问题，比动植物来源的蛋白质具有经济优势。有研究表明，选用3株侧耳属白腐菌发酵能够有效改善发酵青稞秸秆的营养品质，提高秸秆的利用效率。Bakratsas等[37]研究利用平菇进行深层发酵生产的菌丝蛋白具有较高的蛋白质含量和丰富的氨基酸谱，在未来食品和饲料工业中是一种很有潜力的生物工艺。食用菌蛋白质量高、成本低、可广泛使用，并满足环境和社会要求，适合作为可持续的替代蛋白质。

3.1 在家禽生产中的应用

在肉鸡饲粮中添加螺旋藻发现可以降低应激激素的浓度和一些血脂参数，同时增强了体液免疫反应，而且对肉鸡的生产性能没有显著影响[38]。在饲粮中添加1.6%~4.0%的乙醇梭菌蛋白可促进肉鸡生长，增强机体免疫功能和抗氧化能力，并改善空肠黏膜屏障[39]。此外，在饲粮中添加4%的乙醇梭菌蛋白可以降低料重比，提高肉鸡的生长性能和屠宰性能，增加肠道菌群的多样性和有益菌的丰度，有利于肠道稳定和健康。除此之外，还具有提高血浆抗氧化能力的潜力[40]。另外，在饲粮中添加4%的乙醇梭菌蛋白不仅可以提高科宝肉鸡生长性能和抗氧化能力，还可以降低体内脂肪的沉积率[41]。在饲粮中加入5%的甲烷氧化菌SCP代替豆粕有利于提高肉鸡生长速度、改善肉鸡的生长性能和肠道健康状况[42]。以利用甲烷的细菌菌体蛋白（BPM）代替部分鱼粉饲喂肉鸡对胴体成分[43]、饲料转化率、氨基酸消化率、腹部脂肪水平没有明显的影响[44]。BPM替代6%豆粕提高了肉鸡的饲料转化率，同时有降低腹部脂肪的趋势，但是对氨基酸消化率没有显著的影响。替代6%鱼粉对饲料转化率和氨基酸消化率没有明显的影响[44]。此外，BPM替代豆粕或者鱼粉通过减少肉鸡冷冻储存的鸡胸肉的异味改善肌肉品质。综上所述，新型SCP有助于改善肉鸡的生长状况，促进肉鸡对营养物质的吸收，并且具有提高抗氧化能力的潜力。

3.2 在猪生产中的应用

在断奶仔猪日粮中添加1%~4%的乙醇梭菌蛋白替代部分豆粕，可以提高断奶仔猪的生长性能和营养物质的消化率，增强仔猪的免疫力和抗氧化能力，降低空肠黏膜炎症因子水平，此外，还能对仔猪肠道形态、肠道消化酶活性有一定的改善作用[45]。与基础日粮相比，在断奶仔猪日粮中补充微藻对断奶猪的生长性能没有显著影响，但对营养物质消化率有积极的影响，同时可以增加淋巴细胞的浓度[46]。在断奶仔猪日粮中添加5%的小球藻对仔猪的生长性能没有明显的影响，由于小球藻的加入增加了日粮中总类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸的含量从而可以改善猪肉的营养价值[47]。此外，在断奶仔猪日粮中添加螺旋藻和小球藻对仔猪肠道发育存在潜在的影响，在日粮中添加1%的小球藻或螺旋藻可以改善肠道黏膜结构，使仔猪的空肠绒毛高度更高[48]，在饲喂小球藻时仔猪的腹泻率降低，有轻度治疗消化系统疾病的潜力[48]。在日粮中添加BPM可以改变猪肉的脂肪酸谱，提高猪肉氧化稳定性和感官质量，短时间贮藏后猪肉的气味强度和异味减少[49]。日粮中添加不同量的BPM替代豆粕，可以改善脂肪硬度和脂肪颜色，对仔猪生长性能没有明显的影响[50]。在日粮中提高BPM的添加水平可以增加背膘和肌肉中单不饱和脂肪酸的含量，降低多不饱和脂肪酸的含量和碘值[49]。综上所述，在猪日粮中添加适量的新型SCP对猪的生长性能可以产生积极的影响，可以改善肉质，提高抵抗力。

3.3 在水产动物生产中的应用

从甲烷氧化菌中获得的SCP以不同的水平添加在虹鳟鱼幼鱼饲料中作为鱼粉的替代蛋白，对虹鳟鱼幼鱼的生长性能、饲料利用率、肝脏或近端肠道的组织、脂质过氧化水平和肝脏抗氧化应激酶活性方面均未观察到负面影响。随着替代水平升高，无论替代的鱼粉水平如何，均不会导致虹鳟鱼肠道微生物群失衡或失调。值得注意的是，替代50%的鱼粉可以提高虹鳟鱼对疖病的抗病性，保护鱼类免受感染[51]。在白虾日粮中添加15%的甲烷氧化菌SCP对其生长性能、饲料利用率和成活率均未产生负面影响。此外，这种替代还可以提高白虾对副溶血性弧菌的抵抗力，从而提高白虾的存活率[52]。以58.2%的乙醇梭菌蛋白替代鱼粉饲喂黑鲷对黑鲷的生长性能、抗氧化能力和消化酶活性等未见明显的不良影响，同时还能显著降低氮磷的排放量[53]。在草鱼饲料中添加5%的乙醇梭菌蛋白能够降低饲料系数，对草鱼肠道组织健康有一定的改善作用。然而，随着乙醇梭菌蛋白添加量增加到10%会影响草鱼生长，降低其存活率，并可能导致肝脏损伤 [24]。在半滑舌鳎饲料中添加适量的复合微藻能够促进其生长，改善体色，并提高消化能力[54]。总体而言，在水产动物饲料中添加适量的SCP可以促进动物的生长，提高水产动物的生长性能，有提高水产动物抵抗力的潜力。

结合上述SCP在动物生产中的应用，当前的研究显示新型SCP在提高养殖业饲料营养价值方面具有巨大的潜力。这些来源多样的蛋白不仅营养丰富，而且生产过程更为环保且可持续。然而，要实现其在饲料工业的广泛应用，还须对其功能性特征、营养价值进行深入研究，并探索不同蛋白源之间的最佳组合，以实现营养互补和成本效益最大化。未来的研究还应当重点关注新型SCP在不同养殖环境和动物生理状态下的效能，以及其对提升动物健康、生长性能的具体影响，从而为养殖业的可持续发展提供科学指导和实践依据。

当前，关于新型SCP饲料资源的研究主要集中于开发阶段，对其营养成分、饲用价值的评估及产品的质量标准有待完善。在畜牧业转型发展的背景下，挖掘新的蛋白源并提高现有蛋白质资源的利用率，是缓解我国蛋白质资源短缺的有效途径。尽管合成新型SCP技术已取得一定的进展，但要实现商品化生产仍面临较大挑战。首先，传统菌株不能适应多变的工业环境、混合菌种发酵难以协调菌群间的关系等导致生产效率低、物质量差、营养成分不易控制、核酸含量高等问题[55]，限制了SCP规模化生产。

面对这些挑战，可以从原料的选择、菌种选育、技术迭代等方面提高SCP的应用价值。利用合成生物学技术开发新型蛋白资源对未来畜牧业发展有巨大的影响。借助合成生物学技术，可构建适用于饲料工业资源化利用的细胞工厂，将可再生低值原料转化为动物可高效利用的重要营养组分、功能性营养添加剂和营养化学品。利用这项技术是解决饲料工业领域所面临问题的关键途径。虽然合成生物学还处于早期研究阶段，但最近十年，该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学成为推动农业可持续增长的核心动力，并指引着未来农业发展的趋势。在粮食短缺、节能减排的背景下，研究合成生物学技术利用秸秆、一碳资源等非常规饲料资源合成SCP，可为畜牧业提供营养丰富且可持续的蛋白源还能在环保和能源利用方面作出贡献，加快当地利用非常规饲料原料及其产品的生产、推广和应用。通过科学、合理、高效地利用非常规饲料资源，既能缓解常规饲料原料供需矛盾，提高饲养经济效益，又能实现生态环境良性循环及可持续发展，具有广阔的应用前景。

参考文献及更多内容详见：

饲料工业，2024，45（20）：1-8

关注公众号   阅读好文章