利用工藝水生產(chǎn)微生物蛋白技術(shù)應(yīng)用前景分析

宋建華

（協(xié)賽（上海）生物科技有限公司，上海 201612）

聯(lián)合國發(fā)布報告稱，到2050年，全球人口會增加到96億人，全球食品系統(tǒng)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(dāng)前需求消費水平對全球動物源性蛋白質(zhì)的需求。Asner和Archer在2010年報道，全球僅20%農(nóng)用地用來生產(chǎn)直接供人類食用的食物，而80%農(nóng)用地用于動物養(yǎng)殖。大于1/3糧食收成用于動物飼料生產(chǎn)，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(xiàn)象日益加劇。

隨著行業(yè)的發(fā)展和飼料產(chǎn)量的不斷增加，蛋白質(zhì)飼料供需缺口越來越大。2018年聯(lián)合國糧農(nóng)組織預(yù)計，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量在2030年達到2.01億t，魚類養(yǎng)殖所需蛋白量每年見增長10%，魚粉產(chǎn)品基本穩(wěn)定在每年500萬t（國際魚粉魚油協(xié)會）。到2050年，全球?qū)⑿枰噙_1500萬t新蛋白來源用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。海洋產(chǎn)品如魚粉魚油資源有限，而增加一些植物蛋白替代海洋產(chǎn)品，從可持續(xù)發(fā)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(zhì)和環(huán)保意識也會大大提升。因此未來食品必須以可持續(xù)的方式生產(chǎn)，有助于減少氣候變化及其他環(huán)境挑戰(zhàn)?？沙掷m(xù)食物開發(fā)的需求增加，減少與人類食物資源的競爭將是可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，這就需要微生物發(fā)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(zhì)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的飼料原料，對耕地、誰和氣候條件的需求很?。∣verland等人，2018年）。人類在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用微生物飼料的意愿越來越高，是潛在的水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖可持續(xù)飼料原料[1]。

1.微生物蛋白質(zhì)

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

2.資源工藝水生產(chǎn)微生物蛋白（iCell SCP）技術(shù)工藝

工廠規(guī)?；称飞a(chǎn)通常的加工過程及副產(chǎn)物類型：食品加工過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品，其中量比較大的固體可以用作飼料。但是其循環(huán)過程中產(chǎn)生的工藝水中含有大量的養(yǎng)分被直接排放，從而引起水的富營養(yǎng)化，并污染環(huán)境，同時生產(chǎn)出來的廢污泥用作肥料和土地填充物，不僅對環(huán)境造成傷害，而且不能實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化[2-4]。

iCell新技術(shù)實施方案如下：該技術(shù)利用食品企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低附加值的有機工藝水（如啤酒廠、飲料、糖廠、LB-RAS系統(tǒng)等，見圖1和圖2），通過iCell專利技術(shù)來培養(yǎng)繁殖高蛋白微生物，經(jīng)由好氧發(fā)酵工藝“攝食工藝水中的有機質(zhì)”進行生長繁殖生產(chǎn)出大量優(yōu)質(zhì)微生物蛋白，再經(jīng)過一系列生產(chǎn)工藝生產(chǎn)獲得優(yōu)質(zhì)微生物蛋白（iCell SCP），作為畜禽和水產(chǎn)營養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料原料來源。微生物蛋白轉(zhuǎn)化為動物蛋白后，實現(xiàn)了整個食品行業(yè)物質(zhì)和能量的有效循環(huán)，從而真正實現(xiàn)零污染、零排放、百分百利用，體現(xiàn)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(huán)系統(tǒng)加工流程圖

3.iCell SCP在動物飼料的應(yīng)用研究

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

3.1 豬的生長實驗及分析

iCell 技術(shù)生產(chǎn)的iCell SCP從研發(fā)初始至今10多年間在畜禽水產(chǎn)上開展了多個關(guān)于SCP的應(yīng)用試驗研究，試驗結(jié)果證明產(chǎn)品可應(yīng)用于畜禽水產(chǎn)養(yǎng)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(jié)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(zhuǎn)化率約4%；與魚粉或酵母類產(chǎn)品對比，生長性能也表現(xiàn)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(xué)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(jié)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(zhuǎn)化率降低10.6%；與魚粉組對比，日增重和飼料轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生長實驗及分析

去年7月，在上海海洋大學(xué)開展iCell SCP在羅非魚上的消化率（等蛋白定量飼喂）試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見圖5），SCP組生長性能與魚粉組相當(dāng)，優(yōu)于負(fù)對照、棉籽粕和豆粕處理各組生長結(jié)果。通過生長數(shù)據(jù)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(yōu)于植物蛋白組和未添加SCP組，表現(xiàn)出與魚粉組結(jié)果相當(dāng)。

圖5 iCell SCP對羅非魚生長性能的影響

應(yīng)用結(jié)論

以上試驗說明iCell SCP對畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生長有改善作用，可作為一種新興蛋白源替代現(xiàn)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(yīng)用前景及結(jié)論

21世紀(jì)生物科技革命的主戰(zhàn)場在大農(nóng)業(yè)，開展新農(nóng)業(yè)科技革命，應(yīng)以生物工程為中心，改革傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，創(chuàng)建新型農(nóng)業(yè)。微生物新型農(nóng)業(yè)的開發(fā)是生物工程技術(shù)推動農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要體現(xiàn)。發(fā)展微生物新型農(nóng)業(yè)，由植物、動物資源為主組成的“二維結(jié)構(gòu)”傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，調(diào)整為植物種植業(yè)、動物養(yǎng)殖業(yè)和微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化業(yè)的“三維結(jié)構(gòu)”的新農(nóng)業(yè)，這是一個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)健全、資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)。此外，白色農(nóng)業(yè)是節(jié)土、節(jié)水型農(nóng)業(yè)，能緩解傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“與人爭地”“與人爭水”日益尖銳的矛盾。一座占地不多，年產(chǎn)10萬t SCP的工廠，1年所產(chǎn)的蛋白質(zhì)相當(dāng)于37500hm2耕地所生產(chǎn)的大豆的蛋白質(zhì)。發(fā)展白色農(nóng)業(yè)，可實現(xiàn)“人畜分糧”的目標(biāo)，能極大地緩解糧食緊缺問題，白色農(nóng)業(yè)的微生物飼料蛋白為畜牧業(yè)的發(fā)展提供保障。

iCell SCP不僅彌補了全球優(yōu)質(zhì)蛋白供應(yīng)缺口，并有效地減少碳排放，提升環(huán)境績效，加速了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)了營養(yǎng)和水循環(huán)利用，推動了人類社會可持續(xù)發(fā)展。