利用可再生物质生产高品质单细胞蛋白质的生物技术

■Margareth Øverland

（挪威生命科学大学生物科学学院动物和水产养殖科学系，P.O. Box 5003，NO-1432 AasNorway）

随着全球人口的快速增长和人民生活水平的日益提高，导致粮食安全面临巨大挑战（Boland 等，2013；Godfray 等，2010)。不断变化的气候条件，对土地、水和能源日益激烈的影响，以及过度开发的捕捞渔业，使得开发未充分利用的可再生自然资源生产可持续的饲料原料迫在眉睫。

由于世界范围的蛋白质短缺，以及对食物需求量的增加，海洋将在满足食物需求方面发挥越来越大的作用。目前，全球水产养殖在提供蛋白质食物方面发挥着重要作用，并且水产养殖产量已经超过了野生捕捞量。对高品质饲料新来源的需求越来越大，但鱼油和鱼粉等海洋产品是有限的，而增加一些植物蛋白替代海洋产品，从可持续发展的角度来看也不能解决根本问题。减少与人类食物资源的竞争将是可持续发展的关键，这就需要微生物发挥重要的作用。微生物的生长速度很快，不需要任何农业用地，使用淡水资源很少，微生物可以在非食物的生物质中产生，比如树木和海藻。因此，微生物不会直接与人类竞争食物。

对可持续食物开发的需求增强，人类在水产养殖和农业生产中使用微生物饲料的意愿越来越高。微生物产品，特别是酵母，是潜在的水产养殖和畜禽养殖可持续饲料原料，因为微生物能够将低价值的非食物生物质转化为高品质的饲料原料，同时对耕地、水和气候条件的需求很小（Øverland 等，2013）。来自农业和林业的未充分利用的木材和副产品可以提供木质纤维素生物质作为生产饲料成分资源。

微生物蛋白质的主要来源分别是细菌、酵母和真菌，以及微藻。以气体为基质的发酵技术生产甲氧基细菌，例如以天然气作为能源和碳源生产甲基球菌的技术正在推进（Øverland 等，2010）。其它方面利用氢气和二氧化碳作为底物培养细菌，但这项技术还不太成熟。利用异养生物发酵或自养生物技术生产微藻的技术也在不断发展，微藻作为蛋白质和能量来源被越来越多的用在鱼饲料中。

在挪威生命科学大学（NMBU）与商业伙伴的研究中，我们已经研究和记录了以天然气生产的微生物蛋白质作为畜禽和鱼类日粮对动物的影响。天然气的主要成分是甲烷，在自然界中广泛存在，是细菌蛋白质生产的营养基质。天然气储量丰富，价格低廉，利用价值高，利用天然气生产蛋白质作为一种大规模蛋白质替代方案是比较现实的。同时，天然存在的甲氧基甲基球菌在将甲烷转化为单细胞蛋白方面具有很高的效率。

图1 展示了单细胞蛋白的生产技术。菌粉产品是通过使用天然气作为能源和碳源进行发酵，发酵菌种有甲氧基菌、甲基球菌和少量的异源细菌如Ralstonia sp., Brevibacillus agri.和Aneurinibacillus sp.。此外，在发酵过程中加入了氧气和氨气，并加入了矿物质溶液。如图所示采用循环发酵模式。细菌的生物量不断地收集、分离和超滤，以去除多余的水分，并在短时间加热到高温，对产品进行消毒，最后喷雾干燥至水分低于10%的菌粉。

图1 利用天然气制造蛋白质

菌粉中含有大约70%的粗蛋白质和10%的粗脂肪，与鱼粉的成分含量相当。菌粉氨基酸组成水平与鱼粉相似，但赖氨酸和甲硫氨酸含量较低，色氨酸含量较高。利用天然气培养的菌粉含有大约7%～8%的RNA 和2%的DNA，但这是由生长速率决定的。我们对由天然气发酵产生的单细胞蛋白质作为动物的蛋白质饲料来源做了大量的研究，包括猪、鸡、水貂、狐狸、狗、大西洋鲑鱼和虹鳟鱼（Øverland 等，2010）。研究结果表明，菌粉是一种高品质的蛋白质原料，具有良好的氨基酸组成。菌粉可以用于提高生长效率，而且当菌粉部分替代传统的蛋白质时，没有出现任何健康问题。菌粉还含有丰富的生物活性成分，如肽聚糖、天然存在的抗氧化剂，以及对大西洋鲑鱼的胃肠道健康有积极影响的核酸。

由于过低的天然气价格，加上对富含蛋白质的饲料原料的需求增加，以及发酵生产技术的改进，以天然气为底物的发酵技术前景可观。因此，我们的技术推进已经进入了一个新的阶段，来自世界各地的企事业单位已经将其推向商业化。我们相信菌粉很快就会在市场上买到。

除了利用天然气生产饲料原料这一技术方案，另一种技术方案是利用来自陆地和海洋的可持续生物质来生产酵母。使用酵母这样的微生物蛋白已经不是什么新鲜事了，实际上，在20 世纪40 年代末到60 年代的东欧，当时蛋白质供应不足，就在用造纸工业的废液培养酵母生产蛋白质作为补充来源。从那时起，这项技术已经发展起来了，现在我们能够以更低的成本生产酵母。与此同时，对高品质蛋白饲料原料的需求也在增加，酵母现在可以用于替代饲料原料。

因为挪威的土地面积有限，气候条件也很恶劣，如果能够使用像云杉这种富含木质纤维素类的生物质作为基质生产饲料产品，对于像挪威这样的国家来说尤其具有吸引力。对于挪威来说，种植富含蛋白质的饲料作物，如豌豆和豆类，是有很大困难的，而利用新的技术可以将来自森林的大量可再生自然资源转化为饲料原料。利用来自云杉的木质纤维素类生物质进行酵母培养的生产加工，需要四个主要步骤：热裂解预处理、酶水解、利用特定酵母菌株的发酵技术将糖转化为微生物生物质，以及后续加工成为高品质的酵母菌蛋白质，作为鱼类和畜禽饲料原料来源。挪威食品公司的NMBU 的研究创新中心正在优化该产业链。

一种新酶叫做裂解多糖单加氧酶(LPMO)的发现是NMBU 同事取得的重大技术突破。最近发现，LPMO 的使用，可以使上游加工技术中来自树木中的纤维素转化成糖变得更加高效。我们与Borregaard AS等工业合作伙伴一起，正在优化这一产业链的每一步：从树木生物质到最终的酵母产品（见图2）。

图2 利用木质纤维类生物质生产酵母产品的流程

我们还可以从海洋中获得可持续的生物质。挪威拥有漫长的海岸线和干净的水域，为海藻养殖提供了巨大的潜力。海藻比陆生植物有如下几个优势，海藻有高的生长速率，因此可以产生大量的生物质；海藻不需要任何农业用地，也不需要肥料；海藻不需要任何淡水，可以在海水中培养。海藻还对环境产生了积极的影响，因为海藻能够从农田径流和渔场径流中获取营养，并把二氧化碳结合起来。海藻是一种具有许多特性的生物质，可以用于各种各样的产品，包括饲料原料。最近，Øverland 等（2018）对使用海藻作为鱼类和单胃畜禽动物的饲料资源进行了试验。

我们学部目前正在研究培养褐藻saccharina latissima。褐藻的营养价值相对较低，因为褐藻含有很高的水分和灰分、蛋白质含量低，还含有对养殖鱼类和单胃动物来说是不可消化的高含量的碳水化合物。用海藻作为饲料原料，必须用新技术提高营养价值。图3 展示了我们如何在生物精炼过程中提高褐藻的营养价值，以利用整个生物质。我们用新的酶制剂将海藻水解成糖和其他营养物质，并用酶解产生的低分子量生物质来培养酵母，作为蛋白质来源。我们还从海藻中分离出生物活性物质，作为促进鱼类健康生长的饲料原料。另外，我们也可以直接从海藻中分离出蛋白质，但这需要开发一种经济有效的方法。

图3 褐藻加工的概念流程图

我们目前正致力于优化海藻水解的条件，包括开发获得较高糖产出的水解海藻方法。我们的研究结果表明，对糖产出的最佳条件是在生物反应器中接种更多的海藻，在生物反应器中加入由海藻酸裂解酶和商业复合酶组成的复合酶制剂也尤其重要。

我们还利用一个完整的生物精炼加工技术将云杉木质素生产的第二代糖和海藻生产的第三代糖复配后培养酵母，作为鱼类饲料的蛋白质来源。在这个过程中，云杉只提供糖分，而海藻水解物则为酵母培养提供糖和其他必需营养物质。研究结果表明，这种培养基能够维持酵母的高生长率，除了添加氨作为氮源以外，不需要添加其他的营养物质（Sharma等，2018）。

酵母的营养价值通过饲喂大西洋鲑鱼和小猪的动物试验进行了生长性能和饲用健康评估。酵母的粗蛋白质含量约为50%～55%，并且氨基酸组分非常理想（Øverland 等，2013）。酵母还含有大量的生物活性成分，如β-葡聚糖、甘露糖蛋白和核酸，对动物健康产生积极影响。然而，酵母的营养价值可能会因酵母品种、发酵条件和后续加工条件而不同。通过优化最佳的干燥方式和下游加工技术提升酵母营养价值还有很大的空间和潜力（Hansen等，2018）。

我们分别在淡水和海水中进行了几次酵母作为鲑鱼的蛋白质饲料的实验。研究结果表明，与高质量的鱼粉蛋白源饲料和植物性蛋白源饲料对照，鲑鱼在以酵母为蛋白源的饲料中生长性能最好。饲料日粮中含有适量的酵母对动物健康有积极的影响，包括改善肠道屏障功能和刺激先天性免疫（Grammes等，2013）。最近我们还发现，酵母可以作为断奶仔猪的一种高品质蛋白质来源。在断奶仔猪的饲粮中添加喷雾干燥和灭活的产朊假丝酵母菌，分别取代用作高采食量和生长速率的饲粮配方中传统蛋白质的10%、20%和40%，断奶仔猪对粗蛋白质和粗脂肪的表观消化率都有明显的提升，空肠和回肠中绒毛高度和绒毛∶隐窝比例都在增加，减少腹泻发病程度。我们的研究结果表明，利用未充分利用的可再生自然资源（如云杉）生产的酵母，对水产养殖和农业都具有健康有益的特性，是一种有前途的蛋白质来源。

微生物原料生产的持续研究和开发，对保障农业和水产养殖产业的可持续发展做出了重要贡献。微生物蛋白技术的进步有赖于商业合作伙伴和大学及研究机构密切合作，共同推进。随着技术的进步和对微生物原料需求的增加，商业伙伴在进一步推动这项技术方面发挥了更大的作用。国际上，大型企业已经在发酵技术方面拥有强大的专业知识储备。一旦该技术产品证明在饲料市场上可以创造价值，并且有大量的需求空间，商业合作伙伴将很块实现商业生产。第二代和第三代糖原料的上游加工还需要多方合作解决和专业技术来优化。