利用工艺水生产微生物蛋白技术应用前景分析

宋建华

（协赛（上海）生物科技有限公司，上海 201612）

联合国发布报告称，到2050年，全球人口会增加到96亿人，全球食品系统将需要满足96亿人的饮食需求。到2050年肉类需求将超过4亿t，乳制品需求将超过8亿t（Boland et al., 2013），以满足当前需求消费水平对全球动物源性蛋白质的需求。Asner和Archer在2010年报道，全球仅20%农用地用来生产直接供人类食用的食物，而80%农用地用于动物养殖。大于1/3粮食收成用于动物饲料生产，中国是一个饲料大国，也是人口大国，到2050年食物增量的土地空间限制，饲料争粮的现象日益加剧。

随着行业的发展和饲料产量的不断增加，蛋白质饲料供需缺口越来越大。2018年联合国粮农组织预计，水产养殖产量在2030年达到2.01亿t，鱼类养殖所需蛋白量每年见增长10%，鱼粉产品基本稳定在每年500万t（国际鱼粉鱼油协会）。到2050年，全球将需要多达1500万t新蛋白来源用于水产养殖。海洋产品如鱼粉鱼油资源有限，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。未来人们的平均富裕程度将超过今天的水平，人口素质和环保意识也会大大提升。因此未来食品必须以可持续的方式生产，有助于减少气候变化及其他环境挑战。可持续食物开发的需求增加，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，因为微生物的生长速度快，微生物能够见低价值的非食物生物质转化为高品质的饲料原料，对耕地、谁和气候条件的需求很小（Overland等人，2018年）。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，是潜在的水产养殖和畜禽养殖可持续饲料原料[1]。

1.微生物蛋白质

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。挪威生命科学大学（NMBU）研究了以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.生产的微生物蛋白质。中国农业科学院饲料研究所宣布，我们在一碳生物合成领域取得重大突破性进展：全球首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成，并已形成万吨级工业产能。暨以一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料，生产得到乙醇梭菌蛋白。除了这些技术方案，另一种新型技术方案是通过特定微生物菌株利用食品企业富含碳源和氮源的工艺水，经过生物发酵技术将其转化为微生物生物质，再经过自溶、酶解、微波等专利技术实现营养副产物的价值增值，获得高附加值的功能性饲料蛋白原料产品，作为水产和畜禽饲料原料来源。

2.资源工艺水生产微生物蛋白（iCell SCP）技术工艺

工厂规模化食品生产通常的加工过程及副产物类型：食品加工过程中会产生大量的副产品，其中量比较大的固体可以用作饲料。但是其循环过程中产生的工艺水中含有大量的养分被直接排放，从而引起水的富营养化，并污染环境，同时生产出来的废污泥用作肥料和土地填充物，不仅对环境造成伤害，而且不能实现经济效益的最大化[2-4]。

iCell新技术实施方案如下：该技术利用食品企业生产过程中产生的低附加值的有机工艺水（如啤酒厂、饮料、糖厂、LB-RAS系统等，见图1和图2），通过iCell专利技术来培养繁殖高蛋白微生物，经由好氧发酵工艺“摄食工艺水中的有机质”进行生长繁殖生产出大量优质微生物蛋白，再经过一系列生产工艺生产获得优质微生物蛋白（iCell SCP），作为畜禽和水产营养的优质蛋白饲料原料来源。微生物蛋白转化为动物蛋白后，实现了整个食品行业物质和能量的有效循环，从而真正实现零污染、零排放、百分百利用，体现公司、合作方和社会的多赢。

图1 食品工厂加工流程图

图2 LB-RAS循环系统加工流程图

3.iCell SCP在动物饲料的应用研究

iCell微生物蛋白（iCell SCP）的营养物质丰富，富含动物生长发育所需的各种营养物质。如蛋白质、碳水化合物、脂肪、核苷酸、矿物质和维生素等，能够促进新陈代谢，促进畜禽水产对饲料营养成分的消化吸收。

3.1 猪的生长实验及分析

iCell 技术生产的iCell SCP从研发初始至今10多年间在畜禽水产上开展了多个关于SCP的应用试验研究，试验结果证明产品可应用于畜禽水产养殖饲料中作为蛋白原料使用。多个在仔猪和生长猪上的生长性能试验结果表明（见图3）：直接添加iCell SCP在猪饲料中，可提高平均日采食量2.5%以上，提高平均日增重约5%，改善饲料转化率约4%；与鱼粉或酵母类产品对比，生长性能也表现出改进趋势和差异分析不显著[5]。

图3 iCell SCP对断奶仔猪生长性能的影响（初始体重约7kg）

3.2 鸡的生长实验及分析

安徽科技学院（2018）进行肉鸡日粮中添加或不添加iCell SCP（0d～21d添加2.5%，22d～42d添加1.25%）与添加鱼粉（0d～21d添加2.5%，22d～42d添加1.25%）对其生长性能的影响试验结果表明（图4）：与未添加组相比，其42d日增重增加5.7%和饲料转化率降低10.6%；与鱼粉组对比，日增重和饲料转化率无显著性差异。即添加iCell SCP可提高肉鸡日增重，降低饲料转化率，从而改善肉鸡生长性能[6]。

图4 iCell SCP对肉鸡生长性能的影响

3.3 水产生长实验及分析

去年7月，在上海海洋大学开展iCell SCP在罗非鱼上的消化率（等蛋白定量饲喂）试验结果发现（见图5），SCP组生长性能与鱼粉组相当，优于负对照、棉籽粕和豆粕处理各组生长结果。通过生长数据说明iCell SCP在罗非鱼上有较好的消化率，即使在定点定时定量饲喂条件下罗非鱼的生长也优于植物蛋白组和未添加SCP组，表现出与鱼粉组结果相当。

图5 iCell SCP对罗非鱼生长性能的影响

应用结论

以上试验说明iCell SCP对畜禽和水产养殖动物的生长有改善作用，可作为一种新兴蛋白源替代现有蛋白原料使用，有效缓解目前蛋白紧缺的局面。其作用机理等还需进一步深入研究。

4.iCell SCP的应用前景及结论

21世纪生物科技革命的主战场在大农业，开展新农业科技革命，应以生物工程为中心，改革传统农业，创建新型农业。微生物新型农业的开发是生物工程技术推动农业发展的主要体现。发展微生物新型农业，由植物、动物资源为主组成的“二维结构”传统农业，调整为植物种植业、动物养殖业和微生物发酵转化业的“三维结构”的新农业，这是一个产业结构健全、资源节约型农业。此外，白色农业是节土、节水型农业，能缓解传统农业“与人争地”“与人争水”日益尖锐的矛盾。一座占地不多，年产10万t SCP的工厂，1年所产的蛋白质相当于37500hm2耕地所生产的大豆的蛋白质。发展白色农业，可实现“人畜分粮”的目标，能极大地缓解粮食紧缺问题，白色农业的微生物饲料蛋白为畜牧业的发展提供保障。

iCell SCP不仅弥补了全球优质蛋白供应缺口，并有效地减少碳排放，提升环境绩效，加速了环保事业的发展，实现了营养和水循环利用，推动了人类社会可持续发展。