单细胞蛋白在水产饲料中的研究进展和应用现状

文/贺霞 吴立新 薛敏

随着人们对水产品需求的不断增加，我国水产养殖业发展迅速，产量从1991年不足千万吨增长至2020年的5224万t。鱼粉作为鱼类加工的副产品，是水产饲料重要的蛋白来源，随着水产养殖业的迅速发展，对其需求不断增加，但野生渔业资源呈现减少趋势，鱼粉供应受限，寻找替代鱼粉的蛋白原料已成为水产养殖业可持续发展的必然要求。目前，国内外已经有众多关于替代鱼粉的研究，主要包括植物性蛋白（豆粕、棉粕等）、动物性蛋白（鸡肉粉、羽毛粉、血粉等）和单细胞蛋白（酿酒酵母、甲烷氧化菌等）。其中单细胞蛋白由于其在生产力、蛋白质含量及营养价值等方面的优势，近年来成为替代鱼粉的研究热点。

一、单细胞蛋白简介

单细胞蛋白是利用工业废水、天然气、农副加工产品以及有机垃圾等作为培养基，培养藻类、真菌或非致病性细菌等单细胞微生物体，然后经过发酵、净化、干燥等处理后制成的微生物蛋白，具有较高的蛋白质含量，氨基酸含量丰富且均衡，与鱼粉的氨基酸组成相似，而且还含有丰富的维生素和矿物质元素。此外，与动植物蛋白相比，单细胞蛋白对水资源、生产面积需求较小，在生产过程中不受环境及气候的影响，对环境友好，而且生产效率高，可实现全年稳定生产，因此成为食品工业和饲料工业中重要的蛋白质资源。

二、单细胞蛋白的生产流程及技术要点

（一）生产单细胞蛋白的微生物来源及选择标准

目前，可用来生产单细胞蛋白的微生物来源主要为藻类、真菌和非致病性细菌等单细胞微生物，选择标准包括以下几个方面：1.所选用的微生物具有无毒害、蛋白质含量高、生长繁殖速度快等特点；2.在特定的低成本基材上生长速率、产量等生产性能高；3.发酵过程耗氧、可控的产热量及起泡特性；4.发酵过程中生长形态和遗传具稳定性；5.易于回收，且最终产品的结构与组成完整。

（二）单细胞蛋白的生产底物及生产流程

用于生产单细胞蛋白的底物原料极为广泛，主要为农业废弃物及石油工业副产品等，例如木屑、水果蔬菜废料、甲醇等。

发酵是生产单细胞蛋白的主要过程，不同的微生物通过不同的发酵方式进行，包括液体发酵、半固体发酵和固体发酵。生物量在发酵后收获，并经历不同的下游工序，如菌体水解、破坏细胞壁、溶解蛋白质与核酸，再经分离、浓缩、抽提、洗涤、喷雾干燥等，得到相应的单细胞蛋白。

三、不同来源单细胞蛋白研究进展及应用现状

（一）细菌

近年来，随着全球对可持续发展和资源有效利用的需求日益增加，资源回收再利用成为一项重要挑战。利用细菌发酵技术实现对天然气、工业废气及生活污水的合理利用，是可持续发展战略中的关键环节。与此同时，发酵后的菌体成为生产单细胞蛋白的主要供体。目前，细菌单细胞蛋白已成为水产行业的研究热点，主要的菌类蛋白包括荚膜甲基球菌蛋白、乙醇梭菌蛋白、光合细菌蛋白等。

1.荚膜甲基球菌

荚膜甲基球菌是一种好氧、非运动型球型细胞，为革兰氏阴性菌，最早由美国的Foster等从温泉中发现，并且该细菌已经测得了相对完整的基因序列，没有发现毒性基因的存在。荚膜甲基球菌可以利用温室气体甲烷作为唯一的碳源和能源来生长，并且利用氨、硝酸盐或分子氮作为氮源进行蛋白合成，菌体蛋白的粗蛋白含量可达74%。因此，利用荚膜甲基球菌发酵，可以把低值的天然气转化为价值提高20倍的蛋白质产品，还可大幅减少甲烷排放量，这对减少碳排放有着积极的意义。

在应用方面，已有研究报道了几种不同甲烷细菌蛋白在水产动物上的应用。用荚膜甲基球菌蛋白投喂大西洋鲑后，大西洋鲑的存活率、生长性能及健康均无显著影响，且大西洋鲑对单细胞蛋白的消化吸收能力较强。挪威的Aas等人的报道称，在饲料中添加27%的荚膜甲基球菌蛋白不会对虹鳟的生长和饲料利用效率产生负面影响。使用9%的荚膜甲基球菌蛋白替代大西洋庸鲽饲料中的鱼粉，大西洋庸鲽生长性能、摄食量和饲料利用效率与对照组相比无明显差异，但是其氮、总氨基酸、脂肪以及能量的沉积率有所提高。还有研究表明，在不影响日本鰤鱼生长性能的前提下，荚膜甲基球菌蛋白可替代饲料中30%的鱼粉，占饲料总量的20%，进一步降低了鱼粉的消耗量。荚膜甲基球菌蛋白同样具有完全替代鱼粉的潜能，完全替代吉富罗非鱼饲料中的鱼粉后，不会影响鱼体的生长和健康。同时也有研究报道，随着饲料中荚膜甲基球菌蛋白水平的增加，抗炎基因的表达量增加，这证明了荚膜甲基球菌蛋白有利于提高鱼类抵抗疾病的能力。有趣的是，在豆粕饲料中加入荚膜甲基球菌蛋白，可以防止鲑鱼养殖中豆粕引起的肠炎出现，这也进一步证明了荚膜甲基球菌蛋白具有增强免疫的能力。

2.乙醇梭菌

乙醇梭菌是一种严格厌氧、运动型棒状芽孢杆菌，为革兰氏阳性菌，最早由比利时Abrini等人于20世纪90年代从兔子粪便中分离得到的，其基因组序列未含有毒素基因和致病基因。乙醇梭菌可利用CO作为碳源，以氨水作为氮源，与H反应生产乙醇和乙酸，最终经过发酵、氧化、蒸馏脱水、菌体分离、喷雾干燥和污水处理等过程，获得粗蛋白含量达到85%的副产物——乙醇梭菌蛋白，该蛋白不仅营养价值高，并且氨基酸结构平衡，易于动物消化。

乙醇梭菌蛋白在水产养殖方面的应用已有了一定研究，其作为水产动物饲料的安全性得到了初步验证。魏洪城等用乙醇梭菌蛋白替代豆粕饲喂草鱼，当饲料中添加乙醇梭菌蛋白为5%时，有利于草鱼的生长，但添加量提高到10%时，则会抑制草鱼的生长和降低存活率，诱发肝脏损伤。在黑鲷幼鱼的研究中发现，随着乙醇梭菌蛋白替代鱼粉水平的增加，终末体重、增重率以及特定生长率呈先升后降的总体趋势，其中14.55%是最佳替代水平。还有研究发现乙醇梭菌蛋白能显著改善罗非鱼幼鱼的生长性能，并通过AMPK信号通路调节糖脂代谢，维持其全身能量平衡。

3.光合细菌

光合细菌是一种可以在光照下进行光合作用的厌氧或兼氧生长的一种细菌，属于革兰氏阴性菌。光合细菌在自然界的分布非常广泛，从土壤到江河湖海等各类型水体均有分布。光合细菌能产生很多有价值的有机物，比如单细胞蛋白、类胡萝卜素、维生素B、氨基酸等。

光合细菌较其他单细胞蛋白源的应用途径更为广泛，不仅可以直接投放于养殖水体中以净化水体环境，而且也能够用来生产光合细菌蛋白。随着水产养殖业发展，若不断提高养殖密度会导致养殖水体水质恶化，而光合细菌可以将水中有机物作为营养来源，消耗养殖水体中积累的有机物质，并且分解水中的有害物质，如氨态氮、亚硝酸盐、硫化氢等，保持水环境稳态。在投放水体应用方面，研究表明，罗非鱼养殖水体中加入光合细菌后，鱼体内各种酶的活性及抗菌能力均比对照组要高，而且鱼苗的存活率也明显增加。此外，光合细菌有利于加快养殖动物的生长速度，对动物疾病也有一定的预防作用。

在饲喂方面，光合细菌和其他饵料混合使用，仔鱼在体长、体重和成活率方面均有显著提高。还有研究表明，紫色光合细菌蛋白粉可以替代66%的鱼粉，而不影响海鲈的正常生长。目前，针对光合细菌在水体投放与光合细菌蛋白替代鱼粉饲喂这两方面的应用研究相对较少，光合细菌的应用优势还需要更多研究和实践证明。

（二）真菌

酵母产品是益生菌的一种，在水产养殖中常作为饲料原料使用。酵母中含有多种免疫刺激物，如β-葡聚糖、甲壳素、甘露寡糖（MOS）等，可提高鱼或虾的生长性能、免疫力和抗应激能力，其中最受欢迎的菌种有曲霉菌、酿酒酵母、假丝酵母、马克斯克鲁维酵母等。酵母蛋白是真菌蛋白最典型的代表。由于蛋白质含量高、富含维生素等有益成分，使酵母在水产饲料中可用来替代鱼粉。大西洋鲑鱼和凡纳滨对虾是近期酵母饲养试验的研究热点。在大西洋鲑鱼饲养试验中使用产朊假丝酵母、马克斯克鲁维酵母分别替代鱼粉，结果显示，产朊假丝酵母和马克斯克鲁维酵母可以替代饲料中多达40%的鱼粉而不影响鲑鱼的生长性能、营养物质利用率以及消化率。

在凡纳滨对虾的养殖试验中，啤酒酵母替代饲料中15%的鱼粉或20%的玉米浓缩蛋白均对对虾生长性能没有负面影响。此外，用产朊假丝酵母替代50%的鱼粉饲喂凡纳滨对虾，不但对凡纳滨对虾生长没有副作用，甚至与全鱼粉组相比能表现出更高的生长率。真菌例如酵母等可以通过发酵产生酵母蛋白替代鱼粉，因此真菌可作为非常规蛋白质饲料原料，在水产养殖中具有良好的应用前景。

（三）微藻

微藻来源的单细胞蛋白在20世纪末就被认为是最可靠的蛋白来源之一。微藻不仅蛋白质含量丰富、氨基酸齐全，还含有天然抗氧化剂—虾青素，而且可生产ω-3脂肪酸（EPA、DHA），可作为免疫刺激剂使用，因而被广泛应用于食品添加剂及饲料等行业。近年来微藻蛋白也在水产养殖中得到了良好的应用，微藻逐渐成为被广泛关注的单细胞蛋白源。

微藻在水产养殖中的应用形式主要分两种，一是作为活饵直接投喂幼体，如等鞭金藻、扁藻、纤细角毛藻等已成功应用于水产动物的苗种培育中。二是以微藻粉或藻油的形式分别作为水产配合饲料的蛋白源和油脂使用。研究表明，微藻可成功替代水产饲料中10%～40%的鱼粉且对水产动物的生长性能没有负面影响。例如，螺旋藻替代异育银鲫日粮中20%的鱼粉或在虹鳟日粮中添加10%的螺旋藻，均不会对其生长性能产生负面影响；在另一项虹鳟的研究中，阿尔梅利栅藻可以替代40%的鱼粉，同样对虹鳟生长率也无显著影响。值得一提的是，在珊瑚鳟鱼的日粮中添加10%的螺旋藻可显著提高珊瑚鳟鱼的生长性能。

除此之外，微藻脱脂后得到的藻渣也可用作水产饲料，如脱脂微拟球藻可替代欧洲鲈鱼饲料中15%的鱼粉，而不影响鱼类的生长性能和肠道健康；美国的Sarker等研究结果表明，在不影响罗非鱼生长性能的前提下，脱脂眼点拟微绿球藻可以替代饲料中33%的鱼粉。综上，微藻类生物一方面能够为水产配合饲料提供蛋白原料，从而在很大程度上解决了蛋白源紧缺的问题；另一方面也能够提供脂肪酸、维生素等天然功能性物质，从而提高养殖鱼类抗病能力和肉质品质。因此，微藻类产品在水产养殖业中的应用更加趋向多元化，是确保健康水产养殖的重要资源。

四、讨论

尽管单细胞蛋白是替代鱼粉的重要蛋白源之一，但现存的一些问题限制了单细胞蛋白的广泛使用。首先是细菌、真菌生成的单细胞蛋白中，具有高含量的核酸，而核酸在人体内消化后会形成尿酸，从而可能会引起人体代谢失衡。因此，在单细胞加工过程中可应用不同的物理和化学处理手段，进一步减少单细胞中核酸的含量，如超声波破碎法、浓盐法等。超声波破碎法是一种效果理想、条件温和的破碎方法，适用于多数微生物破碎，但在使用过程中要严格把控破碎时间的长短，以及破碎功率的大小，否则会导致单细胞蛋白的失活变性。

除了高核糖核酸含量外，单细胞蛋白回收率偏低，在生产过程产品受到污染的风险较大，这也是导致其生产成本较高的原因，从而限制了应用推广。某些单细胞蛋白含有一些不可消化的物质，如葡聚糖和甘露聚糖等，使单细胞蛋白质饲料的消化率比常规蛋白源低，此外，细菌蛋白中的细菌多糖会与日粮中的蛋白质结合从而阻碍蛋白质的消化。通过改进加工方法，如增加菌体破碎、蛋白质分离或自溶等步骤，可提高单细胞蛋白产品的蛋白质消化率。

单细胞蛋白的突出特点是能进行大规模工业化生产，因此在饲料工业中还是具有非常广阔的应用前景。具体表现为一是原料来源广泛，工业污水、啤酒废液、废甜菜粕等均可作为原料来生产单细胞蛋白饲料，从而协助解决工业污染物对环境的影响，并变废为宝，创造新的价值；二是生产效率高，产量大，通过微生物的发酵，便可大规模生产，适宜条件下微生物繁殖速度极快，可达到很高的生产效率；三是不受季节环境的影响，可全年全天候生产，占地面积小，仅需发酵罐即可生产，单位面积产量可观。