乙醇梭菌蛋白在養(yǎng)殖業(yè)中的研究進展

文│阮鑫 屈健 陳潔 陸春波（浙江省動物疫病預防控制中心）

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

乙醇梭菌蛋白由乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum CICC 11088S）經(jīng)生物發(fā)酵而來，乙醇梭菌最早于1994年由比利時科學家從兔子腸道中分離出來，是一種可將一氧化碳轉化為乙醇的厭氧菌。乙醇梭菌性質特殊，它能生產(chǎn)乙醇，但菌體本身被當作廢棄物丟棄，長期不被關注，因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白質領域一直“默默無聞”。

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。菌體蛋白是近年來隨著微生物發(fā)酵技術逐步應用到飼料工業(yè)生產(chǎn)的新型替代魚粉的蛋白質源，其特點是蛋白質含量高，且氨基酸組成相對齊全，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。

我國在國際上率先實現(xiàn)了從一氧化碳（CO）到蛋白質的一步工業(yè)化生物合成，并已形成萬噸級工業(yè)生產(chǎn)能力。一步生物合成飼料蛋白實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，有助于我國擺脫“大豆進口依賴綜合征”，實現(xiàn)“碳中和”。據(jù)測算，中國每年至少可產(chǎn)約1.2萬億立方米富含CO的工業(yè)尾氣，如將這些工業(yè)尾氣采用生物發(fā)酵技術進行高效清潔利用，可年產(chǎn)乙醇梭菌蛋白1000萬噸來替代魚粉和大豆蛋白。生物合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化對我國飼料蛋白供應、糧食安全等意義重大。

一、乙醇梭菌蛋白特性

乙醇梭桿菌細胞呈桿狀，革蘭氏染色陽性，嚴格厭氧生長，兼性化能自養(yǎng)，與環(huán)境隔離，性狀穩(wěn)定，對氯霉素、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，無有毒基因。中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第465號批準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，無結塊粉末，具有乙醇梭菌蛋白的特殊氣味，無異味。其粗蛋白質高達80%以上，蛋白質消化率高；18種氨基酸占蛋白質94%，為單純蛋白質類型；有10種必需氨基酸，含量及結構比例接近魚粉，其中賴氨酸含量很高，精氨酸含量相對較低。乙醇梭菌蛋白的胃蛋白酶消化率高達90.4%，添加乙醇梭菌蛋白可提高飼料轉化率。

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)氣體預處理、發(fā)酵、蒸餾脫水、菌體分離、噴霧干燥及污水處理6個流程，最后得到乙醇等清潔能源及菌體蛋白。該工藝實現(xiàn)了無機物向有機物的轉化，生產(chǎn)成本低，來源廣泛，開發(fā)潛能巨大，真正做到了“變廢為寶”，獲得了中國第一張飼料原料新產(chǎn)品證書。

三、乙醇梭菌蛋白在養(yǎng)殖業(yè)中的應用

1.乙醇梭菌蛋白在魚類飼料中的應用。乙醇梭菌蛋白作為飼料蛋白新品，目前主要在水產(chǎn)飼料中替代魚粉。蛋白質是魚類最主要的營養(yǎng)和能量來源，蛋白質平衡實際指的是氨基酸平衡，缺失必需氨基酸會使魚類產(chǎn)生一些營養(yǎng)性疾病。

黑鯛飼養(yǎng)試驗結果表明，與飼喂其他飼糧的魚相比，飼喂CAP 58.2%飼糧的魚攝食率顯著降低，蛋白質效率比和飼料效率比顯著提高。與對照組相比，喂食CAP 58.2%飼料的魚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。CAP是一種安全有效的替代蛋白源，在黑鯛飼糧中可替代魚粉量高達58.2%，對生長性能、抗氧化和消化酶活性無不良影響。

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，魚的最終體重、增重百分比、比生長率、蛋白質保留值、蛋白質效率比和條件因子顯著提高，飼料轉化率顯著下降（P＜0.05）。CAP通過調節(jié)生長相關基因、Nrf2信號通路相關基因的mRNA表達，表達TOR信號通路相關基因且得到改善（P＜0.05）。研究表明，在飼糧中添加CAP對生長性能和血清抗氧化能力有積極影響，但對建鯉幼魚的肝臟和腸道無明顯影響。這項研究顯示了將工業(yè)廢物轉化為水產(chǎn)高蛋白飼料的潛力。

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

CAP替代魚粉可影響鱸魚消化酶活性、消化率、血液生化和抗氧化能力，CAP替代魚粉（低于63%水平）對肝臟和腸道組織學形態(tài)無不良影響，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/千克魚粉，對大口黑鱸的生長、飼料利用和腸道組織學產(chǎn)生無不利影響。

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飼料效率、增重率和特定生長率，降低血漿TC、MDA含量；改善脂肪代謝和抗氧化能力，提高了草魚的生長性能，在此范圍內使用安全有效；但當CAP添加量達到10%時會造成肝細胞損傷，降低存活率。

2.乙醇梭菌蛋白在蝦類飼料中的應用。Jiang研究發(fā)現(xiàn)，CAP替代30%魚粉不會對太平洋白蝦生長、腸道組織學和免疫力產(chǎn)生不利影響，過量的CAP通過吞噬體和溶酶體途徑擾亂免疫系統(tǒng)，調節(jié)蛋白質合成相關途徑來降低生長速度。

Ya的研究也表明，CAP可替代30%的飼糧魚粉，對太平洋白蝦的生長和肉質無顯著影響，高含量的CAP（≥45%）降低了生長速度和肉質。

3.乙醇梭菌蛋白在畜禽飼料中的應用。乙醇梭菌蛋白作為新型單細胞蛋白源在上述水產(chǎn)飼料中有評估數(shù)據(jù)，證實屬于無毒級別，在靶動物飼料中，在一定使用范圍內，蛋白質性能與優(yōu)質魚粉相當，優(yōu)于豆粕。但在畜禽養(yǎng)殖中的研究較少，還沒有廣泛應用。吳雨珊研究表明，乙醇梭菌蛋白可顯著提高肉雞飼料轉化率，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，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，促進肉雞生長。

四、乙醇梭菌蛋白應用前景及研究方向

1.畜禽養(yǎng)殖中的應用。我國是魚粉和豆粕的消費大國，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)存在與糧爭地的現(xiàn)象。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下達了《飼料中玉米豆粕加量替代工作方案》，新型飼料及營養(yǎng)添加劑在可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展應用是2021年農(nóng)業(yè)8個學科54個研究熱點之一。

隨著飼料原料基礎參數(shù)評定進度加快，營養(yǎng)價值數(shù)據(jù)庫進一步完善，飼料精準配方和精細加工等技術的加快普及，乙醇梭菌蛋白替代豆粕對顆粒飼料質量的影響，以及隨著替代比例的改變，顆粒飼料質量的變化將是未來研究的重點內容。此外，乙醇梭菌蛋白作為新型飼料，在畜禽養(yǎng)殖中也會迎來更多的關注，這對養(yǎng)殖業(yè)將是巨大的機遇，避免“人畜爭糧”矛盾加劇，同時也解決了工業(yè)尾氣CO對環(huán)境造成污染問題，給社會可持續(xù)發(fā)展帶來重大利益。

2.合成蛋白質的機理。乙醇梭菌蛋白的原料之一是工業(yè)尾氣CO，但CO生物合成蛋白質的理論機理、分子作用等問題還需要進一步研究，這也是乙醇梭菌蛋白被廣泛應用到環(huán)境、農(nóng)業(yè)和制造業(yè)等領域前需要解決的問題。只有全面、系統(tǒng)、深入地掌握乙醇梭菌蛋白合成理論，乙醇梭菌蛋白在動物體內的具體分子作用，才能根據(jù)不同種類或不同階段動物的特點研發(fā)出有針對性的乙醇梭菌蛋白飼料，以便更好地推動科技成果向生產(chǎn)實際進行轉化。

3.乙醇梭菌蛋白在不同動物及同種動物不同階段、生理狀態(tài)的適宜添加量。由已有水產(chǎn)動物評估報告數(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理后，研究其在不同動物及同種動物不同階段、生理狀態(tài)的適宜添加量也是今后的研究方向。