向微生物要蛋白

◎本报记者 吴叶凡

食物蛋白是人类重要的营养物质。近年来，世界人口持续增长导致蛋白需求大幅增加。有数据显示，预计到2050年，全球人口将超过90亿，食品蛋白需求将增长30%—50%。

我国是蛋白消费量最大的国家，且消费量呈快速增长趋势。在不久前举办的主题为“单细胞蛋白生物制造战略需求与技术挑战”的香山科学会议上，专家学者建议，促进单细胞蛋白生物制造技术创新，保障我国蛋白资源供给。

什么是单细胞蛋白？有哪些合成单细胞蛋白的技术路径？会上，多位专家就上述问题进行了探讨。

传统方式难以满足高蛋白需求

“我国蛋白供给正面临严峻考验。”中国科学院天津工业生物技术研究所研究员吴信开门见山指出问题。

当前，种植业和养殖业为我国蛋白主要供给方式。但这两种传统的供给方式在供给蛋白数量、质量和可持续等方面均存在不利影响因素。以大豆为例，它富含蛋白，是畜牧业饲用豆粕的主要来源。吴信介绍，生产1亿吨大豆需要7亿多亩土地资源，而我国人均可耕种土地资源严重不足，难以满足蛋白原料的供给需求。

我国大豆对外依存度较高。海关数据显示，2023年我国进口粮食1.6亿吨，大豆占比超过6成，达9941万吨。吴信指出，近年来，在极端天气、国际局势等多方面不利影响下，全球大豆产量继续下降，供需矛盾愈演愈烈，推高了畜牧业成本，也影响了我国粮食安全。

单细胞蛋白，也叫微生物蛋白，是通过对各种工农业废料及石油废料进行大规模人工培养，得到的蛋白资源，主要包括酵母蛋白、细菌蛋白和藻类蛋白等类型。目前已经发现多种可用于单细胞蛋白生产的菌株，如细菌、真菌、微藻等。

由于微生物的生长繁殖速率快，因此单细胞蛋白的单位面积蛋白生产效率大大高于种植大豆等传统方式。“为保障稳定优质的蛋白质资源供给，我们要努力推动‘向微生物要蛋白’。”吴信说。

推动一碳原料规模化应用

“传统生产单细胞蛋白的过程中，大多以可食用的糖基碳源为原料。但糖基碳源仍依赖种植，生产成本高。”吴信认为，结合我国国情以及新一代单细胞蛋白的发展趋势，应推动使用不依赖种植的一碳原料合成单细胞蛋白。

甲醇、甲烷、二氧化碳、一氧化碳等一碳原料不仅来源广泛，而且价格低廉。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员王钰介绍，以甲醇为例，它易于运输，比糖基碳源具有更高的能量密度，可以利用煤炭等石化资源进行规模化生产，也可以利用生物质、二氧化碳等可再生资源作为原料进行规模化生产。在我国化工和炼油行业中甲醇年均产量达8000万吨以上。

此外，吴信还提到，甲醇作为单细胞蛋白合成原料还具有质量稳定可控的优点。

为实现一碳原料的高效利用与转化，近年来，研究者构建了多样的微生物底盘作为一碳生物制造的核心催化剂，并已实现了较高水平的单细胞蛋白的生物合成。

“巴斯德毕赤酵母是一类能够利用甲醇作为唯一碳源和能源的酵母菌。”吴信介绍，2023年，我国已建成首套以甲醇为碳源的巴斯德毕赤酵母水解蛋白万吨级产业化示范工厂，并顺利投产。

“该工厂应用的发酵工艺安全、高效，能够稳定连续运行100天以上，发酵系统节能、环保，无‘三废’产生，解决了发酵企业环保压力大的问题。该体系实现了低成本、高产出，生产的单细胞蛋白品质高，不仅具有高蛋白的特征，而且富含寡肽、多肽、多糖等，可开发高附加值蛋白、肽或酶类产品。”吴信说。

记者了解到，今年9月，该工厂十万吨巴斯德毕赤酵母水解蛋白项目顺利签约，投产后年产量将相当于每年百万亩土地种植的大豆蛋白当量。

加强工农业副产品开发利用

除了一碳原料，我国还有着丰富的工农业副产物资源，如秸秆、豆渣、酒糟等，也可以开发为合成单细胞蛋白的原料。

记者了解到，目前我国每年玉米种植面积约6亿亩，玉米秸秆产量一般为玉米粮食产量的1.3—1.6倍，每年大约有7亿吨。玉米秸秆中蕴含着与普通粮食基本相当的总能，还含有许多对畜禽生长发育有益的营养物质。

“目前，因为储藏过程易霉变、易产生真菌毒素等原因，秸秆低值利用较为普遍，未得到高效的转化利用。面对蛋白资源短缺和潜在的秸秆资源浪费，应积极推动秸秆单细胞蛋白的生物创制工作。”中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员高乐说。

高乐解释，秸秆中的木质纤维素具有多化学组分、多层次超分子结构，致密的复杂结构是秸秆难以降解的主要原因。构建高产降解酶系—复合菌系统是解聚秸秆的有效途径。这一途径的核心在于利用菌酶协同特性、菌群互养模式，最大限度地发挥多样性菌与酶的互作关系，有效提高秸秆中木质纤维素的解聚效率。

记者了解到，在国家重点研发计划相关项目的支持下，吴信团队在秸秆高效降解工程菌高通量选育及改造、与秸秆结构特性高度适配的酶制剂定制化开发、菌酶协同固态发酵系统创制等方面进行技术创新。

团队搭建了完整的秸秆规模化生物合成饲用蛋白的全链条技术体系，突破了秸秆抗降解屏障、蛋白转换的技术瓶颈，形成了具有自主知识产权、秸秆规模化生物合成饲用蛋白的系统工程及产业化示范，精准解决秸秆资源化利用效率低和传统蛋白短缺两大难题。

“该技术体系可应用于多种工农业副产物生产单细胞蛋白，大幅提升原料品质和性价比，为工农业副产物的高值化利用提供了可持续的解决方案，对缓解人畜争粮和粮食安全问题有重要战略意义。”吴信说。