利用可再生物質(zhì)生產(chǎn)高品質(zhì)單細(xì)胞蛋白質(zhì)的生物技術(shù)

■Margareth ?verland

（挪威生命科學(xué)大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院動物和水產(chǎn)養(yǎng)殖科學(xué)系，P.O. Box 5003，NO-1432 AasNorway）

隨著全球人口的快速增長和人民生活水平的日益提高，導(dǎo)致糧食安全面臨巨大挑戰(zhàn)（Boland 等，2013；Godfray 等，2010)。不斷變化的氣候條件，對土地、水和能源日益激烈的影響，以及過度開發(fā)的捕撈漁業(yè)，使得開發(fā)未充分利用的可再生自然資源生產(chǎn)可持續(xù)的飼料原料迫在眉睫。

由于世界范圍的蛋白質(zhì)短缺，以及對食物需求量的增加，海洋將在滿足食物需求方面發(fā)揮越來越大的作用。目前，全球水產(chǎn)養(yǎng)殖在提供蛋白質(zhì)食物方面發(fā)揮著重要作用，并且水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量已經(jīng)超過了野生捕撈量。對高品質(zhì)飼料新來源的需求越來越大，但魚油和魚粉等海洋產(chǎn)品是有限的，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。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。微生物的生長速度很快，不需要任何農(nóng)業(yè)用地，使用淡水資源很少，微生物可以在非食物的生物質(zhì)中產(chǎn)生，比如樹木和海藻。因此，微生物不會直接與人類競爭食物。

對可持續(xù)食物開發(fā)的需求增強(qiáng)，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。微生物產(chǎn)品，特別是酵母，是潛在的水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖可持續(xù)飼料原料，因為微生物能夠?qū)⒌蛢r值的非食物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的飼料原料，同時對耕地、水和氣候條件的需求很小（?verland 等，2013）。來自農(nóng)業(yè)和林業(yè)的未充分利用的木材和副產(chǎn)品可以提供木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為生產(chǎn)飼料成分資源。

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。以氣體為基質(zhì)的發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)甲氧基細(xì)菌，例如以天然氣作為能源和碳源生產(chǎn)甲基球菌的技術(shù)正在推進(jìn)（?verland 等，2010）。其它方面利用氫氣和二氧化碳作為底物培養(yǎng)細(xì)菌，但這項技術(shù)還不太成熟。利用異養(yǎng)生物發(fā)酵或自養(yǎng)生物技術(shù)生產(chǎn)微藻的技術(shù)也在不斷發(fā)展，微藻作為蛋白質(zhì)和能量來源被越來越多的用在魚飼料中。

在挪威生命科學(xué)大學(xué)（NMBU）與商業(yè)伙伴的研究中，我們已經(jīng)研究和記錄了以天然氣生產(chǎn)的微生物蛋白質(zhì)作為畜禽和魚類日糧對動物的影響。天然氣的主要成分是甲烷，在自然界中廣泛存在，是細(xì)菌蛋白質(zhì)生產(chǎn)的營養(yǎng)基質(zhì)。天然氣儲量豐富，價格低廉，利用價值高，利用天然氣生產(chǎn)蛋白質(zhì)作為一種大規(guī)模蛋白質(zhì)替代方案是比較現(xiàn)實的。同時，天然存在的甲氧基甲基球菌在將甲烷轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白方面具有很高的效率。

圖1 展示了單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)技術(shù)。菌粉產(chǎn)品是通過使用天然氣作為能源和碳源進(jìn)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.。此外，在發(fā)酵過程中加入了氧氣和氨氣，并加入了礦物質(zhì)溶液。如圖所示采用循環(huán)發(fā)酵模式。細(xì)菌的生物量不斷地收集、分離和超濾，以去除多余的水分，并在短時間加熱到高溫，對產(chǎn)品進(jìn)行消毒，最后噴霧干燥至水分低于10%的菌粉。

圖1 利用天然氣制造蛋白質(zhì)

菌粉中含有大約70%的粗蛋白質(zhì)和10%的粗脂肪，與魚粉的成分含量相當(dāng)。菌粉氨基酸組成水平與魚粉相似，但賴氨酸和甲硫氨酸含量較低，色氨酸含量較高。利用天然氣培養(yǎng)的菌粉含有大約7%～8%的RNA 和2%的DNA，但這是由生長速率決定的。我們對由天然氣發(fā)酵產(chǎn)生的單細(xì)胞蛋白質(zhì)作為動物的蛋白質(zhì)飼料來源做了大量的研究，包括豬、雞、水貂、狐貍、狗、大西洋鮭魚和虹鱒魚（?verland 等，2010）。研究結(jié)果表明，菌粉是一種高品質(zhì)的蛋白質(zhì)原料，具有良好的氨基酸組成。菌粉可以用于提高生長效率，而且當(dāng)菌粉部分替代傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)時，沒有出現(xiàn)任何健康問題。菌粉還含有豐富的生物活性成分，如肽聚糖、天然存在的抗氧化劑，以及對大西洋鮭魚的胃腸道健康有積極影響的核酸。

由于過低的天然氣價格，加上對富含蛋白質(zhì)的飼料原料的需求增加，以及發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，以天然氣為底物的發(fā)酵技術(shù)前景可觀。因此，我們的技術(shù)推進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入了一個新的階段，來自世界各地的企事業(yè)單位已經(jīng)將其推向商業(yè)化。我們相信菌粉很快就會在市場上買到。

除了利用天然氣生產(chǎn)飼料原料這一技術(shù)方案，另一種技術(shù)方案是利用來自陸地和海洋的可持續(xù)生物質(zhì)來生產(chǎn)酵母。使用酵母這樣的微生物蛋白已經(jīng)不是什么新鮮事了，實際上，在20 世紀(jì)40 年代末到60 年代的東歐，當(dāng)時蛋白質(zhì)供應(yīng)不足，就在用造紙工業(yè)的廢液培養(yǎng)酵母生產(chǎn)蛋白質(zhì)作為補(bǔ)充來源。從那時起，這項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來了，現(xiàn)在我們能夠以更低的成本生產(chǎn)酵母。與此同時，對高品質(zhì)蛋白飼料原料的需求也在增加，酵母現(xiàn)在可以用于替代飼料原料。

因為挪威的土地面積有限，氣候條件也很惡劣，如果能夠使用像云杉這種富含木質(zhì)纖維素類的生物質(zhì)作為基質(zhì)生產(chǎn)飼料產(chǎn)品，對于像挪威這樣的國家來說尤其具有吸引力。對于挪威來說，種植富含蛋白質(zhì)的飼料作物，如豌豆和豆類，是有很大困難的，而利用新的技術(shù)可以將來自森林的大量可再生自然資源轉(zhuǎn)化為飼料原料。利用來自云杉的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)進(jìn)行酵母培養(yǎng)的生產(chǎn)加工，需要四個主要步驟：熱裂解預(yù)處理、酶水解、利用特定酵母菌株的發(fā)酵技術(shù)將糖轉(zhuǎn)化為微生物生物質(zhì)，以及后續(xù)加工成為高品質(zhì)的酵母菌蛋白質(zhì)，作為魚類和畜禽飼料原料來源。挪威食品公司的NMBU 的研究創(chuàng)新中心正在優(yōu)化該產(chǎn)業(yè)鏈。

一種新酶叫做裂解多糖單加氧酶(LPMO)的發(fā)現(xiàn)是NMBU 同事取得的重大技術(shù)突破。最近發(fā)現(xiàn)，LPMO 的使用，可以使上游加工技術(shù)中來自樹木中的纖維素轉(zhuǎn)化成糖變得更加高效。我們與Borregaard AS等工業(yè)合作伙伴一起，正在優(yōu)化這一產(chǎn)業(yè)鏈的每一步：從樹木生物質(zhì)到最終的酵母產(chǎn)品（見圖2）。

圖2 利用木質(zhì)纖維類生物質(zhì)生產(chǎn)酵母產(chǎn)品的流程

我們還可以從海洋中獲得可持續(xù)的生物質(zhì)。挪威擁有漫長的海岸線和干凈的水域，為海藻養(yǎng)殖提供了巨大的潛力。海藻比陸生植物有如下幾個優(yōu)勢，海藻有高的生長速率，因此可以產(chǎn)生大量的生物質(zhì)；海藻不需要任何農(nóng)業(yè)用地，也不需要肥料；海藻不需要任何淡水，可以在海水中培養(yǎng)。海藻還對環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響，因為海藻能夠從農(nóng)田徑流和漁場徑流中獲取營養(yǎng)，并把二氧化碳結(jié)合起來。海藻是一種具有許多特性的生物質(zhì)，可以用于各種各樣的產(chǎn)品，包括飼料原料。最近，?verland 等（2018）對使用海藻作為魚類和單胃畜禽動物的飼料資源進(jìn)行了試驗。

我們學(xué)部目前正在研究培養(yǎng)褐藻saccharina latissima。褐藻的營養(yǎng)價值相對較低，因為褐藻含有很高的水分和灰分、蛋白質(zhì)含量低，還含有對養(yǎng)殖魚類和單胃動物來說是不可消化的高含量的碳水化合物。用海藻作為飼料原料，必須用新技術(shù)提高營養(yǎng)價值。圖3 展示了我們?nèi)绾卧谏锞珶掃^程中提高褐藻的營養(yǎng)價值，以利用整個生物質(zhì)。我們用新的酶制劑將海藻水解成糖和其他營養(yǎng)物質(zhì)，并用酶解產(chǎn)生的低分子量生物質(zhì)來培養(yǎng)酵母，作為蛋白質(zhì)來源。我們還從海藻中分離出生物活性物質(zhì)，作為促進(jìn)魚類健康生長的飼料原料。另外，我們也可以直接從海藻中分離出蛋白質(zhì)，但這需要開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

圖3 褐藻加工的概念流程圖

我們目前正致力于優(yōu)化海藻水解的條件，包括開發(fā)獲得較高糖產(chǎn)出的水解海藻方法。我們的研究結(jié)果表明，對糖產(chǎn)出的最佳條件是在生物反應(yīng)器中接種更多的海藻，在生物反應(yīng)器中加入由海藻酸裂解酶和商業(yè)復(fù)合酶組成的復(fù)合酶制劑也尤其重要。

我們還利用一個完整的生物精煉加工技術(shù)將云杉木質(zhì)素生產(chǎn)的第二代糖和海藻生產(chǎn)的第三代糖復(fù)配后培養(yǎng)酵母，作為魚類飼料的蛋白質(zhì)來源。在這個過程中，云杉只提供糖分，而海藻水解物則為酵母培養(yǎng)提供糖和其他必需營養(yǎng)物質(zhì)。研究結(jié)果表明，這種培養(yǎng)基能夠維持酵母的高生長率，除了添加氨作為氮源以外，不需要添加其他的營養(yǎng)物質(zhì)（Sharma等，2018）。

酵母的營養(yǎng)價值通過飼喂大西洋鮭魚和小豬的動物試驗進(jìn)行了生長性能和飼用健康評估。酵母的粗蛋白質(zhì)含量約為50%～55%，并且氨基酸組分非常理想（?verland 等，2013）。酵母還含有大量的生物活性成分，如β-葡聚糖、甘露糖蛋白和核酸，對動物健康產(chǎn)生積極影響。然而，酵母的營養(yǎng)價值可能會因酵母品種、發(fā)酵條件和后續(xù)加工條件而不同。通過優(yōu)化最佳的干燥方式和下游加工技術(shù)提升酵母營養(yǎng)價值還有很大的空間和潛力（Hansen等，2018）。

我們分別在淡水和海水中進(jìn)行了幾次酵母作為鮭魚的蛋白質(zhì)飼料的實驗。研究結(jié)果表明，與高質(zhì)量的魚粉蛋白源飼料和植物性蛋白源飼料對照，鮭魚在以酵母為蛋白源的飼料中生長性能最好。飼料日糧中含有適量的酵母對動物健康有積極的影響，包括改善腸道屏障功能和刺激先天性免疫（Grammes等，2013）。最近我們還發(fā)現(xiàn)，酵母可以作為斷奶仔豬的一種高品質(zhì)蛋白質(zhì)來源。在斷奶仔豬的飼糧中添加噴霧干燥和滅活的產(chǎn)朊假絲酵母菌，分別取代用作高采食量和生長速率的飼糧配方中傳統(tǒng)蛋白質(zhì)的10%、20%和40%，斷奶仔豬對粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的表觀消化率都有明顯的提升，空腸和回腸中絨毛高度和絨毛∶隱窩比例都在增加，減少腹瀉發(fā)病程度。我們的研究結(jié)果表明，利用未充分利用的可再生自然資源（如云杉）生產(chǎn)的酵母，對水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)都具有健康有益的特性，是一種有前途的蛋白質(zhì)來源。

微生物原料生產(chǎn)的持續(xù)研究和開發(fā)，對保障農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。微生物蛋白技術(shù)的進(jìn)步有賴于商業(yè)合作伙伴和大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)密切合作，共同推進(jìn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對微生物原料需求的增加，商業(yè)伙伴在進(jìn)一步推動這項技術(shù)方面發(fā)揮了更大的作用。國際上，大型企業(yè)已經(jīng)在發(fā)酵技術(shù)方面擁有強(qiáng)大的專業(yè)知識儲備。一旦該技術(shù)產(chǎn)品證明在飼料市場上可以創(chuàng)造價值，并且有大量的需求空間，商業(yè)合作伙伴將很塊實現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。第二代和第三代糖原料的上游加工還需要多方合作解決和專業(yè)技術(shù)來優(yōu)化。