利用工藝水生產微生物蛋白技術應用前景分析

宋建華

（協賽（上海）生物科技有限公司，上海 201612）

聯合國發布報告稱，到2050年，全球人口會增加到96億人，全球食品系統將需要滿足96億人的飲食需求。到2050年肉類需求將超過4億t，乳制品需求將超過8億t（Boland et al., 2013），以滿足當前需求消費水平對全球動物源性蛋白質的需求。Asner和Archer在2010年報道，全球僅20%農用地用來生產直接供人類食用的食物，而80%農用地用于動物養殖。大于1/3糧食收成用于動物飼料生產，中國是一個飼料大國，也是人口大國，到2050年食物增量的土地空間限制，飼料爭糧的現象日益加劇。

隨著行業的發展和飼料產量的不斷增加，蛋白質飼料供需缺口越來越大。2018年聯合國糧農組織預計，水產養殖產量在2030年達到2.01億t，魚類養殖所需蛋白量每年見增長10%，魚粉產品基本穩定在每年500萬t（國際魚粉魚油協會）。到2050年，全球將需要多達1500萬t新蛋白來源用于水產養殖。海洋產品如魚粉魚油資源有限，而增加一些植物蛋白替代海洋產品，從可持續發展的角度來看也不能解決根本問題。未來人們的平均富裕程度將超過今天的水平，人口素質和環保意識也會大大提升。因此未來食品必須以可持續的方式生產，有助于減少氣候變化及其他環境挑戰。可持續食物開發的需求增加，減少與人類食物資源的競爭將是可持續發展的關鍵，這就需要微生物發揮重要的作用，因為微生物的生長速度快，微生物能夠見低價值的非食物生物質轉化為高品質的飼料原料，對耕地、誰和氣候條件的需求很小（Overland等人，2018年）。人類在水產養殖和農業生產中使用微生物飼料的意愿越來越高，是潛在的水產養殖和畜禽養殖可持續飼料原料[1]。

1.微生物蛋白質

微生物蛋白質的主要來源分別是細菌、酵母和真菌，以及微藻。挪威生命科學大學（NMBU）研究了以天然氣作為能源和碳源進行發酵，發酵菌種有甲氧基菌、甲基球菌和少量的異源細菌如Ralstonia sp., Brevibacillus agri.和Aneurinibacillus sp.生產的微生物蛋白質。中國農業科學院飼料研究所宣布，我們在一碳生物合成領域取得重大突破性進展：全球首次實現從一氧化碳到蛋白質的合成，并已形成萬噸級工業產能。暨以一氧化碳、二氧化碳的工業尾氣和氨水為主要原料，生產得到乙醇梭菌蛋白。除了這些技術方案，另一種新型技術方案是通過特定微生物菌株利用食品企業富含碳源和氮源的工藝水，經過生物發酵技術將其轉化為微生物生物質，再經過自溶、酶解、微波等專利技術實現營養副產物的價值增值，獲得高附加值的功能性飼料蛋白原料產品，作為水產和畜禽飼料原料來源。

2.資源工藝水生產微生物蛋白（iCell SCP）技術工藝

工廠規模化食品生產通常的加工過程及副產物類型：食品加工過程中會產生大量的副產品，其中量比較大的固體可以用作飼料。但是其循環過程中產生的工藝水中含有大量的養分被直接排放，從而引起水的富營養化，并污染環境，同時生產出來的廢污泥用作肥料和土地填充物，不僅對環境造成傷害，而且不能實現經濟效益的最大化[2-4]。

iCell新技術實施方案如下：該技術利用食品企業生產過程中產生的低附加值的有機工藝水（如啤酒廠、飲料、糖廠、LB-RAS系統等，見圖1和圖2），通過iCell專利技術來培養繁殖高蛋白微生物，經由好氧發酵工藝“攝食工藝水中的有機質”進行生長繁殖生產出大量優質微生物蛋白，再經過一系列生產工藝生產獲得優質微生物蛋白（iCell SCP），作為畜禽和水產營養的優質蛋白飼料原料來源。微生物蛋白轉化為動物蛋白后，實現了整個食品行業物質和能量的有效循環，從而真正實現零污染、零排放、百分百利用，體現公司、合作方和社會的多贏。

圖1 食品工廠加工流程圖

圖2 LB-RAS循環系統加工流程圖

3.iCell SCP在動物飼料的應用研究

iCell微生物蛋白（iCell SCP）的營養物質豐富，富含動物生長發育所需的各種營養物質。如蛋白質、碳水化合物、脂肪、核苷酸、礦物質和維生素等，能夠促進新陳代謝，促進畜禽水產對飼料營養成分的消化吸收。

3.1 豬的生長實驗及分析

iCell 技術生產的iCell SCP從研發初始至今10多年間在畜禽水產上開展了多個關于SCP的應用試驗研究，試驗結果證明產品可應用于畜禽水產養殖飼料中作為蛋白原料使用。多個在仔豬和生長豬上的生長性能試驗結果表明（見圖3）：直接添加iCell SCP在豬飼料中，可提高平均日采食量2.5%以上，提高平均日增重約5%，改善飼料轉化率約4%；與魚粉或酵母類產品對比，生長性能也表現出改進趨勢和差異分析不顯著[5]。

圖3 iCell SCP對斷奶仔豬生長性能的影響（初始體重約7kg）

3.2 雞的生長實驗及分析

安徽科技學院（2018）進行肉雞日糧中添加或不添加iCell SCP（0d～21d添加2.5%，22d～42d添加1.25%）與添加魚粉（0d～21d添加2.5%，22d～42d添加1.25%）對其生長性能的影響試驗結果表明（圖4）：與未添加組相比，其42d日增重增加5.7%和飼料轉化率降低10.6%；與魚粉組對比，日增重和飼料轉化率無顯著性差異。即添加iCell SCP可提高肉雞日增重，降低飼料轉化率，從而改善肉雞生長性能[6]。

圖4 iCell SCP對肉雞生長性能的影響

3.3 水產生長實驗及分析

去年7月，在上海海洋大學開展iCell SCP在羅非魚上的消化率（等蛋白定量飼喂）試驗結果發現（見圖5），SCP組生長性能與魚粉組相當，優于負對照、棉籽粕和豆粕處理各組生長結果。通過生長數據說明iCell SCP在羅非魚上有較好的消化率，即使在定點定時定量飼喂條件下羅非魚的生長也優于植物蛋白組和未添加SCP組，表現出與魚粉組結果相當。

圖5 iCell SCP對羅非魚生長性能的影響

應用結論

以上試驗說明iCell SCP對畜禽和水產養殖動物的生長有改善作用，可作為一種新興蛋白源替代現有蛋白原料使用，有效緩解目前蛋白緊缺的局面。其作用機理等還需進一步深入研究。

4.iCell SCP的應用前景及結論

21世紀生物科技革命的主戰場在大農業，開展新農業科技革命，應以生物工程為中心，改革傳統農業，創建新型農業。微生物新型農業的開發是生物工程技術推動農業發展的主要體現。發展微生物新型農業，由植物、動物資源為主組成的“二維結構”傳統農業，調整為植物種植業、動物養殖業和微生物發酵轉化業的“三維結構”的新農業，這是一個產業結構健全、資源節約型農業。此外，白色農業是節土、節水型農業，能緩解傳統農業“與人爭地”“與人爭水”日益尖銳的矛盾。一座占地不多，年產10萬t SCP的工廠，1年所產的蛋白質相當于37500hm2耕地所生產的大豆的蛋白質。發展白色農業，可實現“人畜分糧”的目標，能極大地緩解糧食緊缺問題，白色農業的微生物飼料蛋白為畜牧業的發展提供保障。

iCell SCP不僅彌補了全球優質蛋白供應缺口，并有效地減少碳排放，提升環境績效，加速了環保事業的發展，實現了營養和水循環利用，推動了人類社會可持續發展。