乙醇梭菌蛋白何以成了“香饽饽”

  科学发现中“捅破一层窗户纸”的创新，有时能发挥出巨大潜能，“‘乙醇梭菌蛋白’成为饲料原料新产品”的案例就是明证。

  10月30日，中国农科院饲料研究所（以下简称饲料所）与北京首钢朗泽新能源科技有限公司（以下简称首钢朗泽）共同举办新闻发布会，宣布了他们的合作研发团队近期取得的突破性进展。他们在国际上首次实现了从一氧化碳（CO）到蛋白质的一步工业化生物合成，并已形成万吨级的工业生产能力。基于合作成果，首钢朗泽凭借乙醇梭菌蛋白一举获得中国第一张饲料原料新产品证书。

  “创新成果‘窗户纸’的捅破，源于饲料所与首钢朗泽的偶然结合。”饲料所饲料加工创新团队首席科学家薛敏向《中国科学报》简要讲述了背后的故事。

  数年前，首钢朗泽专注于气体生物发酵合成乙醇工艺研发。研究人员在中试产线上发现，在乙醇分离蒸馏过程中还有一种“麻烦的黏稠物质”，于是就把它分离出来想要弄清楚其成分。经人指点，首钢朗泽后来把样品送到了饲料所。

  不测不知道。饲料所发现，这些险被丢弃的黏稠物居然主要是蛋白质（乙醇梭菌蛋白）。

  乙醇梭菌最早于1994年由比利时科学家从兔子肠道分离出来，是一种可从一氧化碳产生乙醇的厌氧菌。薛敏和记者说，这个菌很特殊，几乎关注能源的人都只关注它能生产乙醇，而菌体本身被当作废弃物丢弃；专注于蛋白研究的人面对单细胞蛋白，关注点大多分布在在酵母、乳酸菌、微藻等传统的可食用菌种上。因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白质领域长期“默默无闻”。

  面对这个具有超常黏度的蛋白，饲料所研究团队开始思考它能不能在低淀粉膨化饲料中发挥功能。于是他们多走了一步：对乙醇梭菌蛋白的功能特性、营养价值、加工适宜性等做了系统研究，发现其粗蛋白质含量高达80%以上，18种氨基酸占蛋白质比例达94%，为单纯蛋白质类型；10种必需氨基酸含量及其结构比例接近鱼粉，远优于豆粕。

  一言以蔽之，该产品具备优秀能力的饲料蛋白质原料特性。饲料所研究团队找来多种养殖鱼类做实验，发现该产品很适合用作鱼类饲料。

  历经6年研发和论证，从年产300吨到5000吨再到万吨级，首钢朗泽走通了饲料原料新产品从中试到大规模生产的产业化之路，饲料所也在“不经意间”推动了乙醇梭菌蛋白从未知菌体到饲料产业的广泛应用。

  该成果的一大亮点是，项目中合成乙醇梭菌蛋白的原料之一为工业尾气，工业尾气中大量的CO是利用乙醇梭菌生产菌体蛋白和乙醇的极佳原料。而工业尾气不仅成本极低，其来源也很广泛，包括钢厂、铁合金厂、电石厂等，资源量非常丰富。

  据介绍，首钢朗泽旗下北京首朗生物科技有限公司（以下简称首朗生物）利用富含CO的工业尾气，开发出全新饲料蛋白产品乙醇梭菌蛋白（注册商标“富渔樂”）。该蛋白产品已于8月27日获得农业农村部颁发的新产品证书，这也是我国首张饲料原料新产品证书。

  当然，生物合成蛋白不仅需要碳源，还需要氮源。首钢朗泽高级副总裁晁伟介绍说，首朗生物以钢厂尾气中的CO为碳源、氨水为氮源，经优化的厌氧发酵工艺，实现22秒快速转化，高效产出乙醇和乙醇梭菌蛋白，实现了无机物向有机物的一步转化。

  “这是迄今国际上发现的最高效生物固碳/固氮生产模式。”薛敏说，22秒是指输入CO合成气，生物转化产出乙醇和菌体蛋白醪液的时间。后续，蛋白醪液经加工制作而成干粉。

  此外，由于乙醇梭菌经空气暴露可全部灭活，菌体经离心浓缩和喷雾干燥后即为乙醇梭菌蛋白产品，生产所带来的成本远低于酵母及微藻等单细胞蛋白产品。这也代表着，利用该成果进行微生物高效合成蛋白质，具有非常明显的性价比优势。

  发布会上，动物营养学家、中国工程院院士印遇龙通过视频连线对该成果的突破性予以肯定：“该成果实现工业化的意义很大，希望团队逐步扩大生产。”

  饲料所所长戴小枫告诉《中国科学报》，一步生物合成饲料蛋白实现工业化生产有助于我国摆脱“大豆进口依赖综合征”和实现“碳中和”。

  据测算，中国每年至少可产生约1.2万亿立方米富含CO的工业尾气，如将这些工业尾气采用生物发酵技术进行高效清洁利用，可年产乙醇梭菌蛋白1000万吨，替代鱼粉和大豆蛋白。

  戴小枫说，以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%）计，相当于2800万吨进口大豆当量，即我国大豆年进口量的1/3。同时，工业化生物合成蛋白还开辟了一条“低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质”的新途径，每生产1000万吨该蛋白，相当于减少二氧化碳排放2.5亿吨。

  国家粮食和物资储备局科学研究院首席研究员李爱科认为，该成果最大的亮点在于“以微生物蛋白生产来破解蛋白质短缺难题”。

  他介绍说，我国从20世纪80年代起就将“微生物蛋白生产”列为研究课题，国际上也长期在研究从碳化合物合成蛋白的问题，但一直都没能实现产业化，而联合研发团队让这一构想变为现实。他说，如果能实现生物合成蛋白更大规模的产业化，对我国饲料蛋白供应、粮食安全等意义重大。

  中国农科院生物技术研究所研究员林敏将该成果与生物固氮作了比较。他提出，国际上喜欢将生物固氮比喻成“空气面包术”，那么或许可以将不依赖植物的生物合成蛋白比作“铁罐里生产酒和肉”。

  对于乙醇梭菌蛋白获批成为饲料蛋白新产品，农业农村部畜牧兽医局饲料饲草处处长黄庆生表示，该产品通过了全国饲料评审委员会关于其安全性、有效性、环境影响评价的审定，“值得颁发我国第一张饲料原料新产品证书”。

  晁伟在发布会上透露，目前，基于该技术成果、经过多年布局，首朗生物已经实现了生物合成乙醇梭菌蛋白中试的三年稳定生产，并于今年完成了万吨级蛋白产能的产线年还将进一步扩产，“向3万吨产能进发”。

  晁伟告诉《中国科学报》，之所以快马加鞭大幅扩大产能，一种原因是“理想主义”，希望饲料蛋白新产品的大量推广能够切实降低我国大豆对外依存度、助力“碳中和”；另一方面是“现实需求”，自从部分企业对新产品评估试用、发现其优点之后，“胃口”大增，现在乙醇梭菌蛋白“供不应求”。

  10月21~27日，首钢朗泽生物固碳技术作为“碳中和”领域代表技术之一，受邀在国家“十三五”科学技术创新成就展“美丽中国展区”参加展览。

  不过，戴小枫表示，目前联合研发团队虽然取得了重要的研究成果，但还只是“一群幸运的孩子捡到了沙滩上美丽的贝壳”，未来还要对一氧化碳生物合成蛋白质的理论机理、分子作用等科学问题展开深入研究。

  薛敏也告诉《中国科学报》，虽然此前与首钢朗泽共同在科技部国家重点研发计划“蓝色粮仓”项目研究框架中已就“乙醇梭菌蛋白对豆粕的替代”“乙醇梭菌蛋白对水产动物的营养分析”等问题开展了研究，并先后于国内期刊《动物营养学报》及国际期刊《水产养殖研究》《动物饲料科学与技术》等发表了论文，但还有大量科学工作可以开展。她表示，未来在兼顾科学问题研究的过程中，也会关注工程问题的突破，逐步推动科技成果更好地向经济主战场转化。（记者 赵广立）

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