文│阮鑫 屈健 陳潔 陸春波（浙江省動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心）

乙醇梭菌蛋白（Clostridium autoethanogenum protein，CAP）獲得歷史上第一個(gè)新飼料原料證書(shū)，取得單一飼料生產(chǎn)許可證，并入選2021中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大科技新成果新產(chǎn)品，全球首次實(shí)現(xiàn)工廠化條件下利用無(wú)機(jī)物大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蛋白原料。

乙醇梭菌蛋白由乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum CICC 11088S）經(jīng)生物發(fā)酵而來(lái)，乙醇梭菌最早于1994年由比利時(shí)科學(xué)家從兔子腸道中分離出來(lái)，是一種可將一氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇的厭氧菌。乙醇梭菌性質(zhì)特殊，它能生產(chǎn)乙醇，但菌體本身被當(dāng)作廢棄物丟棄，長(zhǎng)期不被關(guān)注，因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白質(zhì)領(lǐng)域一直“默默無(wú)聞”。

乙醇梭菌蛋白是利用乙醇梭菌和特定培養(yǎng)基獲得的菌體蛋白。菌體蛋白是近年來(lái)隨著微生物發(fā)酵技術(shù)逐步應(yīng)用到飼料工業(yè)生產(chǎn)的新型替代魚(yú)粉的蛋白質(zhì)源，其特點(diǎn)是蛋白質(zhì)含量高，且氨基酸組成相對(duì)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(guó)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了從一氧化碳（CO）到蛋白質(zhì)的一步工業(yè)化生物合成，并已形成萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)生產(chǎn)能力。一步生物合成飼料蛋白實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，有助于我國(guó)擺脫“大豆進(jìn)口依賴綜合征”，實(shí)現(xiàn)“碳中和”。據(jù)測(cè)算，中國(guó)每年至少可產(chǎn)約1.2萬(wàn)億立方米富含CO的工業(yè)尾氣，如將這些工業(yè)尾氣采用生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行高效清潔利用，可年產(chǎn)乙醇梭菌蛋白1000萬(wàn)噸來(lái)替代魚(yú)粉和大豆蛋白。生物合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化對(duì)我國(guó)飼料蛋白供應(yīng)、糧食安全等意義重大。

一、乙醇梭菌蛋白特性

乙醇梭桿菌細(xì)胞呈桿狀，革蘭氏染色陽(yáng)性，嚴(yán)格厭氧生長(zhǎng)，兼性化能自養(yǎng)，與環(huán)境隔離，性狀穩(wěn)定，對(duì)氯霉素、青霉素、氨芐青霉素和四環(huán)素敏感，目前已獲得比較完整的基因序列，無(wú)有毒基因。中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第465號(hào)批準(zhǔn)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(wú)結(jié)塊粉末，具有乙醇梭菌蛋白的特殊氣味，無(wú)異味。其粗蛋白質(zhì)高達(dá)80%以上，蛋白質(zhì)消化率高；18種氨基酸占蛋白質(zhì)94%，為單純蛋白質(zhì)類型；有10種必需氨基酸，含量及結(jié)構(gòu)比例接近魚(yú)粉，其中賴氨酸含量很高，精氨酸含量相對(duì)較低。乙醇梭菌蛋白的胃蛋白酶消化率高達(dá)90.4%，添加乙醇梭菌蛋白可提高飼料轉(zhuǎn)化率。

二、乙醇梭菌蛋白的生產(chǎn)

乙醇梭菌蛋白是以乙醇梭菌為發(fā)酵菌種，以鋼鐵工業(yè)煤氣（轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣）中的CO為主要原料，以氨水為氮源，培養(yǎng)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(jīng)氣體預(yù)處理、發(fā)酵、蒸餾脫水、菌體分離、噴霧干燥及污水處理6個(gè)流程，最后得到乙醇等清潔能源及菌體蛋白。該工藝實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)物向有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)成本低，來(lái)源廣泛，開(kāi)發(fā)潛能巨大，真正做到了“變廢為寶”，獲得了中國(guó)第一張飼料原料新產(chǎn)品證書(shū)。

三、乙醇梭菌蛋白在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

1.乙醇梭菌蛋白在魚(yú)類飼料中的應(yīng)用。乙醇梭菌蛋白作為飼料蛋白新品，目前主要在水產(chǎn)飼料中替代魚(yú)粉。蛋白質(zhì)是魚(yú)類最主要的營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源，蛋白質(zhì)平衡實(shí)際指的是氨基酸平衡，缺失必需氨基酸會(huì)使魚(yú)類產(chǎn)生一些營(yíng)養(yǎng)性疾病。

黑鯛飼養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，與飼喂其他飼糧的魚(yú)相比，飼喂CAP 58.2%飼糧的魚(yú)攝食率顯著降低，蛋白質(zhì)效率比和飼料效率比顯著提高。與對(duì)照組相比，喂食CAP 58.2%飼料的魚(yú)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(shì)。CAP是一種安全有效的替代蛋白源，在黑鯛飼糧中可替代魚(yú)粉量高達(dá)58.2%，對(duì)生長(zhǎng)性能、抗氧化和消化酶活性無(wú)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(yú)，魚(yú)的最終體重、增重百分比、比生長(zhǎng)率、蛋白質(zhì)保留值、蛋白質(zhì)效率比和條件因子顯著提高，飼料轉(zhuǎn)化率顯著下降（P＜0.05）。CAP通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)相關(guān)基因、Nrf2信號(hào)通路相關(guān)基因的mRNA表達(dá)，表達(dá)TOR信號(hào)通路相關(guān)基因且得到改善（P＜0.05）。研究表明，在飼糧中添加CAP對(duì)生長(zhǎng)性能和血清抗氧化能力有積極影響，但對(duì)建鯉幼魚(yú)的肝臟和腸道無(wú)明顯影響。這項(xiàng)研究顯示了將工業(yè)廢物轉(zhuǎn)化為水產(chǎn)高蛋白飼料的潛力。

SahyaM同樣用5個(gè)濃度梯度的CAP飼喂吉富羅非魚(yú)，結(jié)果表明，CAP替代豆粕比例不超過(guò)10%可促進(jìn)吉富羅非魚(yú)腸道吸收、抗氧化和免疫能力。但在飼料中添加超過(guò)10%以上的CAP可能會(huì)對(duì)腸道組織產(chǎn)生不利影響。與對(duì)照組相比，飼料添加CAP可通過(guò)調(diào)節(jié)AMPK/TOR/PI3K信號(hào)通路調(diào)節(jié)全身能量平衡。因此，CAP可作為吉富羅非魚(yú)飲食中的一種新型且可持續(xù)使用的蛋白質(zhì)。

CAP替代魚(yú)粉可影響鱸魚(yú)消化酶活性、消化率、血液生化和抗氧化能力，CAP替代魚(yú)粉（低于63%水平）對(duì)肝臟和腸道組織學(xué)形態(tài)無(wú)不良影響，CAP的最佳替代水平為49.80%。Yang研究發(fā)現(xiàn)，CAP可替代飼糧中150克/千克魚(yú)粉，對(duì)大口黑鱸的生長(zhǎng)、飼料利用和腸道組織學(xué)產(chǎn)生無(wú)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(yú)飼料效率、增重率和特定生長(zhǎng)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(yú)的生長(zhǎng)性能，在此范圍內(nèi)使用安全有效；但當(dāng)CAP添加量達(dá)到10%時(shí)會(huì)造成肝細(xì)胞損傷，降低存活率。

2.乙醇梭菌蛋白在蝦類飼料中的應(yīng)用。Jiang研究發(fā)現(xiàn)，CAP替代30%魚(yú)粉不會(huì)對(duì)太平洋白蝦生長(zhǎng)、腸道組織學(xué)和免疫力產(chǎn)生不利影響，過(guò)量的CAP通過(guò)吞噬體和溶酶體途徑擾亂免疫系統(tǒng)，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成相關(guān)途徑來(lái)降低生長(zhǎng)速度。

Ya的研究也表明，CAP可替代30%的飼糧魚(yú)粉，對(duì)太平洋白蝦的生長(zhǎng)和肉質(zhì)無(wú)顯著影響，高含量的CAP（≥45%）降低了生長(zhǎng)速度和肉質(zhì)。

3.乙醇梭菌蛋白在畜禽飼料中的應(yīng)用。乙醇梭菌蛋白作為新型單細(xì)胞蛋白源在上述水產(chǎn)飼料中有評(píng)估數(shù)據(jù)，證實(shí)屬于無(wú)毒級(jí)別，在靶動(dòng)物飼料中，在一定使用范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)性能與優(yōu)質(zhì)魚(yú)粉相當(dāng)，優(yōu)于豆粕。但在畜禽養(yǎng)殖中的研究較少，還沒(méi)有廣泛應(yīng)用。吳雨珊研究表明，乙醇梭菌蛋白可顯著提高肉雞飼料轉(zhuǎn)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(shí)，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(wěn)定和健康，促進(jìn)肉雞生長(zhǎng)。

四、乙醇梭菌蛋白應(yīng)用前景及研究方向

1.畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用。我國(guó)是魚(yú)粉和豆粕的消費(fèi)大國(guó)，養(yǎng)殖業(yè)蛋白原料的需求量大，蛋白資源直接限制了我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，且飼料作物的生產(chǎn)存在與糧爭(zhēng)地的現(xiàn)象。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下達(dá)了《飼料中玉米豆粕加量替代工作方案》，新型飼料及營(yíng)養(yǎng)添加劑在可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展應(yīng)用是2021年農(nóng)業(yè)8個(gè)學(xué)科54個(gè)研究熱點(diǎn)之一。

隨著飼料原料基礎(chǔ)參數(shù)評(píng)定進(jìn)度加快，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步完善，飼料精準(zhǔn)配方和精細(xì)加工等技術(shù)的加快普及，乙醇梭菌蛋白替代豆粕對(duì)顆粒飼料質(zhì)量的影響，以及隨著替代比例的改變，顆粒飼料質(zhì)量的變化將是未來(lái)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此外，乙醇梭菌蛋白作為新型飼料，在畜禽養(yǎng)殖中也會(huì)迎來(lái)更多的關(guān)注，這對(duì)養(yǎng)殖業(yè)將是巨大的機(jī)遇，避免“人畜爭(zhēng)糧”矛盾加劇，同時(shí)也解決了工業(yè)尾氣CO對(duì)環(huán)境造成污染問(wèn)題，給社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)重大利益。

2.合成蛋白質(zhì)的機(jī)理。乙醇梭菌蛋白的原料之一是工業(yè)尾氣CO，但CO生物合成蛋白質(zhì)的理論機(jī)理、分子作用等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究，這也是乙醇梭菌蛋白被廣泛應(yīng)用到環(huán)境、農(nóng)業(yè)和制造業(yè)等領(lǐng)域前需要解決的問(wèn)題。只有全面、系統(tǒng)、深入地掌握乙醇梭菌蛋白合成理論，乙醇梭菌蛋白在動(dòng)物體內(nèi)的具體分子作用，才能根據(jù)不同種類或不同階段動(dòng)物的特點(diǎn)研發(fā)出有針對(duì)性的乙醇梭菌蛋白飼料，以便更好地推動(dòng)科技成果向生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

3.乙醇梭菌蛋白在不同動(dòng)物及同種動(dòng)物不同階段、生理狀態(tài)的適宜添加量。由已有水產(chǎn)動(dòng)物評(píng)估報(bào)告數(shù)據(jù)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(chǎn)飼料的配比大不相同。因此，在了解乙醇梭菌蛋白作用機(jī)理后，研究其在不同動(dòng)物及同種動(dòng)物不同階段、生理狀態(tài)的適宜添加量也是今后的研究方向。