單細(xì)胞蛋白在水產(chǎn)飼料中的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

文/賀霞 吳立新 薛敏

隨著人們對(duì)水產(chǎn)品需求的不斷增加，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)量從1991年不足千萬(wàn)噸增長(zhǎng)至2020年的5224萬(wàn)t。魚(yú)粉作為魚(yú)類加工的副產(chǎn)品，是水產(chǎn)飼料重要的蛋白來(lái)源，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)其需求不斷增加，但野生漁業(yè)資源呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，魚(yú)粉供應(yīng)受限，尋找替代魚(yú)粉的蛋白原料已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有眾多關(guān)于替代魚(yú)粉的研究，主要包括植物性蛋白（豆粕、棉粕等）、動(dòng)物性蛋白（雞肉粉、羽毛粉、血粉等）和單細(xì)胞蛋白（釀酒酵母、甲烷氧化菌等）。其中單細(xì)胞蛋白由于其在生產(chǎn)力、蛋白質(zhì)含量及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)成為替代魚(yú)粉的研究熱點(diǎn)。

一、單細(xì)胞蛋白簡(jiǎn)介

單細(xì)胞蛋白是利用工業(yè)廢水、天然氣、農(nóng)副加工產(chǎn)品以及有機(jī)垃圾等作為培養(yǎng)基，培養(yǎng)藻類、真菌或非致病性細(xì)菌等單細(xì)胞微生物體，然后經(jīng)過(guò)發(fā)酵、凈化、干燥等處理后制成的微生物蛋白，具有較高的蛋白質(zhì)含量，氨基酸含量豐富且均衡，與魚(yú)粉的氨基酸組成相似，而且還含有豐富的維生素和礦物質(zhì)元素。此外，與動(dòng)植物蛋白相比，單細(xì)胞蛋白對(duì)水資源、生產(chǎn)面積需求較小，在生產(chǎn)過(guò)程中不受環(huán)境及氣候的影響，對(duì)環(huán)境友好，而且生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)全年穩(wěn)定生產(chǎn)，因此成為食品工業(yè)和飼料工業(yè)中重要的蛋白質(zhì)資源。

二、單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)流程及技術(shù)要點(diǎn)

（一）生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物來(lái)源及選擇標(biāo)準(zhǔn)

目前，可用來(lái)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物來(lái)源主要為藻類、真菌和非致病性細(xì)菌等單細(xì)胞微生物，選擇標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾個(gè)方面：1.所選用的微生物具有無(wú)毒害、蛋白質(zhì)含量高、生長(zhǎng)繁殖速度快等特點(diǎn)；2.在特定的低成本基材上生長(zhǎng)速率、產(chǎn)量等生產(chǎn)性能高；3.發(fā)酵過(guò)程耗氧、可控的產(chǎn)熱量及起泡特性；4.發(fā)酵過(guò)程中生長(zhǎng)形態(tài)和遺傳具穩(wěn)定性；5.易于回收，且最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與組成完整。

（二）單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)底物及生產(chǎn)流程

用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的底物原料極為廣泛，主要為農(nóng)業(yè)廢棄物及石油工業(yè)副產(chǎn)品等，例如木屑、水果蔬菜廢料、甲醇等。

發(fā)酵是生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的主要過(guò)程，不同的微生物通過(guò)不同的發(fā)酵方式進(jìn)行，包括液體發(fā)酵、半固體發(fā)酵和固體發(fā)酵。生物量在發(fā)酵后收獲，并經(jīng)歷不同的下游工序，如菌體水解、破壞細(xì)胞壁、溶解蛋白質(zhì)與核酸，再經(jīng)分離、濃縮、抽提、洗滌、噴霧干燥等，得到相應(yīng)的單細(xì)胞蛋白。

三、不同來(lái)源單細(xì)胞蛋白研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）細(xì)菌

近年來(lái)，隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和資源有效利用的需求日益增加，資源回收再利用成為一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。利用細(xì)菌發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣、工業(yè)廢氣及生活污水的合理利用，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，發(fā)酵后的菌體成為生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的主要供體。目前，細(xì)菌單細(xì)胞蛋白已成為水產(chǎn)行業(yè)的研究熱點(diǎn)，主要的菌類蛋白包括莢膜甲基球菌蛋白、乙醇梭菌蛋白、光合細(xì)菌蛋白等。

1.莢膜甲基球菌

莢膜甲基球菌是一種好氧、非運(yùn)動(dòng)型球型細(xì)胞，為革蘭氏陰性菌，最早由美國(guó)的Foster等從溫泉中發(fā)現(xiàn)，并且該細(xì)菌已經(jīng)測(cè)得了相對(duì)完整的基因序列，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)毒性基因的存在。莢膜甲基球菌可以利用溫室氣體甲烷作為唯一的碳源和能源來(lái)生長(zhǎng)，并且利用氨、硝酸鹽或分子氮作為氮源進(jìn)行蛋白合成，菌體蛋白的粗蛋白含量可達(dá)74%。因此，利用莢膜甲基球菌發(fā)酵，可以把低值的天然氣轉(zhuǎn)化為價(jià)值提高20倍的蛋白質(zhì)產(chǎn)品，還可大幅減少甲烷排放量，這對(duì)減少碳排放有著積極的意義。

在應(yīng)用方面，已有研究報(bào)道了幾種不同甲烷細(xì)菌蛋白在水產(chǎn)動(dòng)物上的應(yīng)用。用莢膜甲基球菌蛋白投喂大西洋鮭后，大西洋鮭的存活率、生長(zhǎng)性能及健康均無(wú)顯著影響，且大西洋鮭對(duì)單細(xì)胞蛋白的消化吸收能力較強(qiáng)。挪威的Aas等人的報(bào)道稱，在飼料中添加27%的莢膜甲基球菌蛋白不會(huì)對(duì)虹鱒的生長(zhǎng)和飼料利用效率產(chǎn)生負(fù)面影響。使用9%的莢膜甲基球菌蛋白替代大西洋庸鰈飼料中的魚(yú)粉，大西洋庸鰈生長(zhǎng)性能、攝食量和飼料利用效率與對(duì)照組相比無(wú)明顯差異，但是其氮、總氨基酸、脂肪以及能量的沉積率有所提高。還有研究表明，在不影響日本鰤?mèng)~生長(zhǎng)性能的前提下，莢膜甲基球菌蛋白可替代飼料中30%的魚(yú)粉，占飼料總量的20%，進(jìn)一步降低了魚(yú)粉的消耗量。莢膜甲基球菌蛋白同樣具有完全替代魚(yú)粉的潛能，完全替代吉富羅非魚(yú)飼料中的魚(yú)粉后，不會(huì)影響魚(yú)體的生長(zhǎng)和健康。同時(shí)也有研究報(bào)道，隨著飼料中莢膜甲基球菌蛋白水平的增加，抗炎基因的表達(dá)量增加，這證明了莢膜甲基球菌蛋白有利于提高魚(yú)類抵抗疾病的能力。有趣的是，在豆粕飼料中加入莢膜甲基球菌蛋白，可以防止鮭魚(yú)養(yǎng)殖中豆粕引起的腸炎出現(xiàn)，這也進(jìn)一步證明了莢膜甲基球菌蛋白具有增強(qiáng)免疫的能力。

2.乙醇梭菌

乙醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧、運(yùn)動(dòng)型棒狀芽孢桿菌，為革蘭氏陽(yáng)性菌，最早由比利時(shí)Abrini等人于20世紀(jì)90年代從兔子糞便中分離得到的，其基因組序列未含有毒素基因和致病基因。乙醇梭菌可利用CO作為碳源，以氨水作為氮源，與H反應(yīng)生產(chǎn)乙醇和乙酸，最終經(jīng)過(guò)發(fā)酵、氧化、蒸餾脫水、菌體分離、噴霧干燥和污水處理等過(guò)程，獲得粗蛋白含量達(dá)到85%的副產(chǎn)物——乙醇梭菌蛋白，該蛋白不僅營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，并且氨基酸結(jié)構(gòu)平衡，易于動(dòng)物消化。

乙醇梭菌蛋白在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用已有了一定研究，其作為水產(chǎn)動(dòng)物飼料的安全性得到了初步驗(yàn)證。魏洪城等用乙醇梭菌蛋白替代豆粕飼喂草魚(yú)，當(dāng)飼料中添加乙醇梭菌蛋白為5%時(shí)，有利于草魚(yú)的生長(zhǎng)，但添加量提高到10%時(shí)，則會(huì)抑制草魚(yú)的生長(zhǎng)和降低存活率，誘發(fā)肝臟損傷。在黑鯛幼魚(yú)的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇梭菌蛋白替代魚(yú)粉水平的增加，終末體重、增重率以及特定生長(zhǎng)率呈先升后降的總體趨勢(shì)，其中14.55%是最佳替代水平。還有研究發(fā)現(xiàn)乙醇梭菌蛋白能顯著改善羅非魚(yú)幼魚(yú)的生長(zhǎng)性能，并通過(guò)AMPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)糖脂代謝，維持其全身能量平衡。

3.光合細(xì)菌

光合細(xì)菌是一種可以在光照下進(jìn)行光合作用的厭氧或兼氧生長(zhǎng)的一種細(xì)菌，屬于革蘭氏陰性菌。光合細(xì)菌在自然界的分布非常廣泛，從土壤到江河湖海等各類型水體均有分布。光合細(xì)菌能產(chǎn)生很多有價(jià)值的有機(jī)物，比如單細(xì)胞蛋白、類胡蘿卜素、維生素B、氨基酸等。

光合細(xì)菌較其他單細(xì)胞蛋白源的應(yīng)用途徑更為廣泛，不僅可以直接投放于養(yǎng)殖水體中以凈化水體環(huán)境，而且也能夠用來(lái)生產(chǎn)光合細(xì)菌蛋白。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，若不斷提高養(yǎng)殖密度會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖水體水質(zhì)惡化，而光合細(xì)菌可以將水中有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，消耗養(yǎng)殖水體中積累的有機(jī)物質(zhì)，并且分解水中的有害物質(zhì)，如氨態(tài)氮、亞硝酸鹽、硫化氫等，保持水環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在投放水體應(yīng)用方面，研究表明，羅非魚(yú)養(yǎng)殖水體中加入光合細(xì)菌后，魚(yú)體內(nèi)各種酶的活性及抗菌能力均比對(duì)照組要高，而且魚(yú)苗的存活率也明顯增加。此外，光合細(xì)菌有利于加快養(yǎng)殖動(dòng)物的生長(zhǎng)速度，對(duì)動(dòng)物疾病也有一定的預(yù)防作用。

在飼喂方面，光合細(xì)菌和其他餌料混合使用，仔魚(yú)在體長(zhǎng)、體重和成活率方面均有顯著提高。還有研究表明，紫色光合細(xì)菌蛋白粉可以替代66%的魚(yú)粉，而不影響海鱸的正常生長(zhǎng)。目前，針對(duì)光合細(xì)菌在水體投放與光合細(xì)菌蛋白替代魚(yú)粉飼喂這兩方面的應(yīng)用研究相對(duì)較少，光合細(xì)菌的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)還需要更多研究和實(shí)踐證明。

（二）真菌

酵母產(chǎn)品是益生菌的一種，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中常作為飼料原料使用。酵母中含有多種免疫刺激物，如β-葡聚糖、甲殼素、甘露寡糖（MOS）等，可提高魚(yú)或蝦的生長(zhǎng)性能、免疫力和抗應(yīng)激能力，其中最受歡迎的菌種有曲霉菌、釀酒酵母、假絲酵母、馬克斯克魯維酵母等。酵母蛋白是真菌蛋白最典型的代表。由于蛋白質(zhì)含量高、富含維生素等有益成分，使酵母在水產(chǎn)飼料中可用來(lái)替代魚(yú)粉。大西洋鮭魚(yú)和凡納濱對(duì)蝦是近期酵母飼養(yǎng)試驗(yàn)的研究熱點(diǎn)。在大西洋鮭魚(yú)飼養(yǎng)試驗(yàn)中使用產(chǎn)朊假絲酵母、馬克斯克魯維酵母分別替代魚(yú)粉，結(jié)果顯示，產(chǎn)朊假絲酵母和馬克斯克魯維酵母可以替代飼料中多達(dá)40%的魚(yú)粉而不影響鮭魚(yú)的生長(zhǎng)性能、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率以及消化率。

在凡納濱對(duì)蝦的養(yǎng)殖試驗(yàn)中，啤酒酵母替代飼料中15%的魚(yú)粉或20%的玉米濃縮蛋白均對(duì)對(duì)蝦生長(zhǎng)性能沒(méi)有負(fù)面影響。此外，用產(chǎn)朊假絲酵母替代50%的魚(yú)粉飼喂凡納濱對(duì)蝦，不但對(duì)凡納濱對(duì)蝦生長(zhǎng)沒(méi)有副作用，甚至與全魚(yú)粉組相比能表現(xiàn)出更高的生長(zhǎng)率。真菌例如酵母等可以通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)生酵母蛋白替代魚(yú)粉，因此真菌可作為非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料原料，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有良好的應(yīng)用前景。

（三）微藻

微藻來(lái)源的單細(xì)胞蛋白在20世紀(jì)末就被認(rèn)為是最可靠的蛋白來(lái)源之一。微藻不僅蛋白質(zhì)含量豐富、氨基酸齊全，還含有天然抗氧化劑—蝦青素，而且可生產(chǎn)ω-3脂肪酸（EPA、DHA），可作為免疫刺激劑使用，因而被廣泛應(yīng)用于食品添加劑及飼料等行業(yè)。近年來(lái)微藻蛋白也在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到了良好的應(yīng)用，微藻逐漸成為被廣泛關(guān)注的單細(xì)胞蛋白源。

微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用形式主要分兩種，一是作為活餌直接投喂幼體，如等鞭金藻、扁藻、纖細(xì)角毛藻等已成功應(yīng)用于水產(chǎn)動(dòng)物的苗種培育中。二是以微藻粉或藻油的形式分別作為水產(chǎn)配合飼料的蛋白源和油脂使用。研究表明，微藻可成功替代水產(chǎn)飼料中10%～40%的魚(yú)粉且對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能沒(méi)有負(fù)面影響。例如，螺旋藻替代異育銀鯽日糧中20%的魚(yú)粉或在虹鱒日糧中添加10%的螺旋藻，均不會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響；在另一項(xiàng)虹鱒的研究中，阿爾梅利柵藻可以替代40%的魚(yú)粉，同樣對(duì)虹鱒生長(zhǎng)率也無(wú)顯著影響。值得一提的是，在珊瑚鱒魚(yú)的日糧中添加10%的螺旋藻可顯著提高珊瑚鱒魚(yú)的生長(zhǎng)性能。

除此之外，微藻脫脂后得到的藻渣也可用作水產(chǎn)飼料，如脫脂微擬球藻可替代歐洲鱸魚(yú)飼料中15%的魚(yú)粉，而不影響魚(yú)類的生長(zhǎng)性能和腸道健康；美國(guó)的Sarker等研究結(jié)果表明，在不影響羅非魚(yú)生長(zhǎng)性能的前提下，脫脂眼點(diǎn)擬微綠球藻可以替代飼料中33%的魚(yú)粉。綜上，微藻類生物一方面能夠?yàn)樗a(chǎn)配合飼料提供蛋白原料，從而在很大程度上解決了蛋白源緊缺的問(wèn)題；另一方面也能夠提供脂肪酸、維生素等天然功能性物質(zhì)，從而提高養(yǎng)殖魚(yú)類抗病能力和肉質(zhì)品質(zhì)。因此，微藻類產(chǎn)品在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用更加趨向多元化，是確保健康水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要資源。

四、討論

盡管單細(xì)胞蛋白是替代魚(yú)粉的重要蛋白源之一，但現(xiàn)存的一些問(wèn)題限制了單細(xì)胞蛋白的廣泛使用。首先是細(xì)菌、真菌生成的單細(xì)胞蛋白中，具有高含量的核酸，而核酸在人體內(nèi)消化后會(huì)形成尿酸，從而可能會(huì)引起人體代謝失衡。因此，在單細(xì)胞加工過(guò)程中可應(yīng)用不同的物理和化學(xué)處理手段，進(jìn)一步減少單細(xì)胞中核酸的含量，如超聲波破碎法、濃鹽法等。超聲波破碎法是一種效果理想、條件溫和的破碎方法，適用于多數(shù)微生物破碎，但在使用過(guò)程中要嚴(yán)格把控破碎時(shí)間的長(zhǎng)短，以及破碎功率的大小，否則會(huì)導(dǎo)致單細(xì)胞蛋白的失活變性。

除了高核糖核酸含量外，單細(xì)胞蛋白回收率偏低，在生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品受到污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，這也是導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高的原因，從而限制了應(yīng)用推廣。某些單細(xì)胞蛋白含有一些不可消化的物質(zhì)，如葡聚糖和甘露聚糖等，使單細(xì)胞蛋白質(zhì)飼料的消化率比常規(guī)蛋白源低，此外，細(xì)菌蛋白中的細(xì)菌多糖會(huì)與日糧中的蛋白質(zhì)結(jié)合從而阻礙蛋白質(zhì)的消化。通過(guò)改進(jìn)加工方法，如增加菌體破碎、蛋白質(zhì)分離或自溶等步驟，可提高單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品的蛋白質(zhì)消化率。

單細(xì)胞蛋白的突出特點(diǎn)是能進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，因此在飼料工業(yè)中還是具有非常廣闊的應(yīng)用前景。具體表現(xiàn)為一是原料來(lái)源廣泛，工業(yè)污水、啤酒廢液、廢甜菜粕等均可作為原料來(lái)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料，從而協(xié)助解決工業(yè)污染物對(duì)環(huán)境的影響，并變廢為寶，創(chuàng)造新的價(jià)值；二是生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量大，通過(guò)微生物的發(fā)酵，便可大規(guī)模生產(chǎn)，適宜條件下微生物繁殖速度極快，可達(dá)到很高的生產(chǎn)效率；三是不受季節(jié)環(huán)境的影響，可全年全天候生產(chǎn)，占地面積小，僅需發(fā)酵罐即可生產(chǎn)，單位面積產(chǎn)量可觀。