乙醇梭菌蛋白在養殖業中的研究進展

文│阮鑫 屈健 陳潔 陸春波（浙江省動物疫病預防控制中心）

乙醇梭菌蛋白（Clostridium autoethanogenum protein，CAP）獲得歷史上第一個新飼料原料證書，取得單一飼料生產許可證，并入選2021中國農業農村重大科技新成果新產品，全球首次實現工廠化條件下利用無機物大規模生產優質蛋白原料。

乙醇梭菌蛋白由乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum CICC 11088S）經生物發酵而來，乙醇梭菌最早于1994年由比利時科學家從兔子腸道中分離出來，是一種可將一氧化碳轉化為乙醇的厭氧菌。乙醇梭菌性質特殊，它能生產乙醇，但菌體本身被當作廢棄物丟棄，長期不被關注，因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白質領域一直“默默無聞”。

乙醇梭菌蛋白是利用乙醇梭菌和特定培養基獲得的菌體蛋白。菌體蛋白是近年來隨著微生物發酵技術逐步應用到飼料工業生產的新型替代魚粉的蛋白質源，其特點是蛋白質含量高，且氨基酸組成相對齊全，富含維生素和多種微量元素，還可使飼料具有一定鮮味，改善其口感。

我國在國際上率先實現了從一氧化碳（CO）到蛋白質的一步工業化生物合成，并已形成萬噸級工業生產能力。一步生物合成飼料蛋白實現工業化生產，有助于我國擺脫“大豆進口依賴綜合征”，實現“碳中和”。據測算，中國每年至少可產約1.2萬億立方米富含CO的工業尾氣，如將這些工業尾氣采用生物發酵技術進行高效清潔利用，可年產乙醇梭菌蛋白1000萬噸來替代魚粉和大豆蛋白。生物合成蛋白更大規模的產業化對我國飼料蛋白供應、糧食安全等意義重大。

一、乙醇梭菌蛋白特性

乙醇梭桿菌細胞呈桿狀，革蘭氏染色陽性，嚴格厭氧生長，兼性化能自養，與環境隔離，性狀穩定，對氯霉素、青霉素、氨芐青霉素和四環素敏感，目前已獲得比較完整的基因序列，無有毒基因。中華人民共和國農業農村部公告第465號批準乙醇梭菌蛋白為新飼料。乙醇梭菌蛋白原料呈淡黃色或褐色，無結塊粉末，具有乙醇梭菌蛋白的特殊氣味，無異味。其粗蛋白質高達80%以上，蛋白質消化率高；18種氨基酸占蛋白質94%，為單純蛋白質類型；有10種必需氨基酸，含量及結構比例接近魚粉，其中賴氨酸含量很高，精氨酸含量相對較低。乙醇梭菌蛋白的胃蛋白酶消化率高達90.4%，添加乙醇梭菌蛋白可提高飼料轉化率。

二、乙醇梭菌蛋白的生產

乙醇梭菌蛋白是以乙醇梭菌為發酵菌種，以鋼鐵工業煤氣（轉爐煤氣、高爐煤氣）中的CO為主要原料，以氨水為氮源，培養基由磷酸（H3PO4）、氫氧化鉀（KOH）、硫酸鎂（MgSO4）、硫酸亞鐵（FeSO4）及少量維生素（維生素B1、維生素B2、維生素B5、維生素B6、維生素B12、煙酸、葉酸及生物素）組成，經氣體預處理、發酵、蒸餾脫水、菌體分離、噴霧干燥及污水處理6個流程，最后得到乙醇等清潔能源及菌體蛋白。該工藝實現了無機物向有機物的轉化，生產成本低，來源廣泛，開發潛能巨大，真正做到了“變廢為寶”，獲得了中國第一張飼料原料新產品證書。

三、乙醇梭菌蛋白在養殖業中的應用

1.乙醇梭菌蛋白在魚類飼料中的應用。乙醇梭菌蛋白作為飼料蛋白新品，目前主要在水產飼料中替代魚粉。蛋白質是魚類最主要的營養和能量來源，蛋白質平衡實際指的是氨基酸平衡，缺失必需氨基酸會使魚類產生一些營養性疾病。

黑鯛飼養試驗結果表明，與飼喂其他飼糧的魚相比，飼喂CAP 58.2%飼糧的魚攝食率顯著降低，蛋白質效率比和飼料效率比顯著提高。與對照組相比，喂食CAP 58.2%飼料的魚血清中總超氧化物歧化酶顯著降低。磷滯留效率顯著提高，磷排放量隨CAP添加量的增加呈下降趨勢。CAP是一種安全有效的替代蛋白源，在黑鯛飼糧中可替代魚粉量高達58.2%，對生長性能、抗氧化和消化酶活性無不良影響。

Li在日糧中用5種CAP濃度（0、50、100、150和200克/千克）替代植物蛋白飼喂建鯉幼魚，魚的最終體重、增重百分比、比生長率、蛋白質保留值、蛋白質效率比和條件因子顯著提高，飼料轉化率顯著下降（P＜0.05）。CAP通過調節生長相關基因、Nrf2信號通路相關基因的mRNA表達，表達TOR信號通路相關基因且得到改善（P＜0.05）。研究表明，在飼糧中添加CAP對生長性能和血清抗氧化能力有積極影響，但對建鯉幼魚的肝臟和腸道無明顯影響。這項研究顯示了將工業廢物轉化為水產高蛋白飼料的潛力。

SahyaM同樣用5個濃度梯度的CAP飼喂吉富羅非魚，結果表明，CAP替代豆粕比例不超過10%可促進吉富羅非魚腸道吸收、抗氧化和免疫能力。但在飼料中添加超過10%以上的CAP可能會對腸道組織產生不利影響。與對照組相比，飼料添加CAP可通過調節AMPK/TOR/PI3K信號通路調節全身能量平衡。因此，CAP可作為吉富羅非魚飲食中的一種新型且可持續使用的蛋白質。

CAP替代魚粉可影響鱸魚消化酶活性、消化率、血液生化和抗氧化能力，CAP替代魚粉（低于63%水平）對肝臟和腸道組織學形態無不良影響，CAP的最佳替代水平為49.80%。Yang研究發現，CAP可替代飼糧中150克/千克魚粉，對大口黑鱸的生長、飼料利用和腸道組織學產生無不利影響。

魏洪城研究表明，在飼料中添加5%CAP替代27.5%的豆粕可有效提高草魚飼料效率、增重率和特定生長率，降低血漿TC、MDA含量；改善脂肪代謝和抗氧化能力，提高了草魚的生長性能，在此范圍內使用安全有效；但當CAP添加量達到10%時會造成肝細胞損傷，降低存活率。

2.乙醇梭菌蛋白在蝦類飼料中的應用。Jiang研究發現，CAP替代30%魚粉不會對太平洋白蝦生長、腸道組織學和免疫力產生不利影響，過量的CAP通過吞噬體和溶酶體途徑擾亂免疫系統，調節蛋白質合成相關途徑來降低生長速度。

Ya的研究也表明，CAP可替代30%的飼糧魚粉，對太平洋白蝦的生長和肉質無顯著影響，高含量的CAP（≥45%）降低了生長速度和肉質。

3.乙醇梭菌蛋白在畜禽飼料中的應用。乙醇梭菌蛋白作為新型單細胞蛋白源在上述水產飼料中有評估數據，證實屬于無毒級別，在靶動物飼料中，在一定使用范圍內，蛋白質性能與優質魚粉相當，優于豆粕。但在畜禽養殖中的研究較少，還沒有廣泛應用。吳雨珊研究表明，乙醇梭菌蛋白可顯著提高肉雞飼料轉化率，前期平均日增重和平均日采食量提高。添加4%乙醇梭菌蛋白時，全凈膛率提升3.2%，胸肌率提升2.72%，腹脂率降低0.52%，具有提高血漿抗氧化能力的潛力，且利于腸道穩定和健康，促進肉雞生長。

四、乙醇梭菌蛋白應用前景及研究方向

1.畜禽養殖中的應用。我國是魚粉和豆粕的消費大國，養殖業蛋白原料的需求量大，蛋白資源直接限制了我國養殖業的穩定發展，且飼料作物的生產存在與糧爭地的現象。2021年農業農村部下達了《飼料中玉米豆粕加量替代工作方案》，新型飼料及營養添加劑在可持續水產養殖業的發展應用是2021年農業8個學科54個研究熱點之一。

隨著飼料原料基礎參數評定進度加快，營養價值數據庫進一步完善，飼料精準配方和精細加工等技術的加快普及，乙醇梭菌蛋白替代豆粕對顆粒飼料質量的影響，以及隨著替代比例的改變，顆粒飼料質量的變化將是未來研究的重點內容。此外，乙醇梭菌蛋白作為新型飼料，在畜禽養殖中也會迎來更多的關注，這對養殖業將是巨大的機遇，避免“人畜爭糧”矛盾加劇，同時也解決了工業尾氣CO對環境造成污染問題，給社會可持續發展帶來重大利益。

2.合成蛋白質的機理。乙醇梭菌蛋白的原料之一是工業尾氣CO，但CO生物合成蛋白質的理論機理、分子作用等問題還需要進一步研究，這也是乙醇梭菌蛋白被廣泛應用到環境、農業和制造業等領域前需要解決的問題。只有全面、系統、深入地掌握乙醇梭菌蛋白合成理論，乙醇梭菌蛋白在動物體內的具體分子作用，才能根據不同種類或不同階段動物的特點研發出有針對性的乙醇梭菌蛋白飼料，以便更好地推動科技成果向生產實際進行轉化。

3.乙醇梭菌蛋白在不同動物及同種動物不同階段、生理狀態的適宜添加量。由已有水產動物評估報告數據可知，不同品種乙醇梭菌蛋白最適添加量不同。畜禽飼料和水產飼料的配比大不相同。因此，在了解乙醇梭菌蛋白作用機理后，研究其在不同動物及同種動物不同階段、生理狀態的適宜添加量也是今后的研究方向。