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悠悠万事，吃饭为大，粮食安全是国之大者。随着生猪养殖高速发展，饲料原料总量尤其是蛋白质饲料原料不足是可持续养殖业的阻碍，也是限制我国饲料工业发展的最重要因素。因此，进一步提高现有蛋白资源的利用率、积极寻找新的蛋白源、开辟新的蛋白饲料资源，是缓解我国蛋白资源短缺的有效途径。
基于此，2023年10月20日，CPICP、北斗农科融媒体、蓄康生物、猪好多网联合在CPICP大讲堂举办了非常规原料和生物饲料应用技术系列讲座与点评会，特邀中科院天津工业生物技术研究所研究员吴信进行《功能性蛋白生物合成研发》的专题分享，吴信研究员全面而详细地阐释了蛋白原料相关的重要议题，包括这个领域的背景与意义、国内外现状与问题、一碳资源及蛋白创制、秸秆蛋白源开发、富含功能性肽蛋白源生物创制案例、以及这个领域的未来发展趋势展望。这些内容系统地概述了利用生物技术实现蛋白源可持续供给的前沿进展,为缓解当下饲料行业所面临的蛋白源短缺困境，提供了重要的技术路径和应用参考。本文旨在呈现吴信研究员在此次专题汇报中的核心观点以及针对相关专家提出问题的专业解答，以飨读者。
随着居民收入稳步增长、消费水平不断提高，对肉、蛋、奶的消费量日益旺盛，带动了饲料粮需求的不断增加。然而，我国饲用蛋白资源高度依赖国际市场，在全球贸易保护主义抬头、地缘政治冲突风险加大的背景下，保障国家蛋白资源安全供给面临不小的压力，而微生物发酵生产是重要替代途径。一般来讲，微生物发酵饲料包括固态发酵饲料、单细胞蛋白和发酵代谢产物等产品，其中单细胞蛋白，不仅氨基酸组分齐全，可利用率高，还含有多种维生素、无机盐、脂肪和糖类等，是优质的蛋白原料替代品。
一碳资源及蛋白创制进展
1、CO生物创制单细胞蛋白研发。乙醇梭菌蛋白是以分离于兔子肠道的乙醇梭菌为发酵菌种，以含CO、CO₂的钢铁、铁合金、石化炼油、电石、煤化工等工业尾气和氨水为主要原料，“无中生有”进行液态发酵培养、离心、干燥而获得的新型单细胞蛋白。
2.CO₂生物创制单细胞蛋白研发。罗氏菌利用CO₂合成单细胞蛋白（中科院天津所）过程：首先，优化通气比例、培养基、培养条件，对罗氏菌工程改造，提升其H₂利用和CO固定能力；其次，优化产氢条件(电极、电压)，驯化罗氏菌，并对核酮糖1，5-二磷酸羧化酶过表达菌株进行培养；
3. 低碳醇碳资源生物创制单细胞蛋白研发。核心创新：利用煤炭工业产物甲醇、同时基于绿氢技术回收工业过程中排放的CO₂，以车间制造蛋白原料，实现不依赖耕地和时空的生产方式，减碳和生产我国耕地资源限制的食品和饲料蛋白原料。
秸秆蛋白新资源开发
众所周知，我国农作物秸秆资源丰富，利用生物技术把秸秆转化为饲料，是解决饲料粮、把握粮食安全的重要途径。
吴信研究员表示秸秆等碳资源生物创制单细胞蛋白研发有四个步骤：抗营养因子降解菌株选育、创建秸秆降解关键酶元件理性改造技术、增强秸秆炼制中降解效率、定制开发仿生型纤维解聚制剂（应用：利用人工智能系统定制原料匹配的固态发酵工艺，优化仿生型纤维素解聚体系，开发多种低值原料来源的饲用蛋白产品）。
此外，饲用植物精准发酵与应用关键技术研发也非常关键，该技术优选了适合于种养平衡的中草药，创新地方特色的种养平衡模式；还优选了桑叶、苎麻、巨苋草、构树等饲用作物，替代常规饲粮缓解饲料原料短缺问题，改善猪禽产品品质，增强免疫。
那么，富含功能性肽蛋白源生物创制案例有哪些呢？第一、功能性抗氧化酶生物合成；第二、富硒铁锌等功能性蛋白生物合成；第三、虾青素等类胡萝卜素。
整体来讲，秸秆是一种很好的大宗非粮型饲料原料，在生产饲料蛋白过程中无废气、无废渣、无毒，可避免“秸秆燃烧还田”造成的大气污染，实现绿水青山、金山银山的循环可持续和谐发展，促进乡村振兴战略实施及都市型现代农业建设；与此同时，一碳资源及蛋白创制进展能有效解决大豆进口依赖问题、耕地问题、碳排放问题等三大制约中国可持续发展的难题。
专家研讨
吴信研究员进行课程分享后，CPICP特别颁发了CPICP授课荣誉证书以作纪念，并开启“探讨答疑”的交流环节。
上海源耀农业股份有限公司的技术总监唐明红博士
问题一：利用一碳或低碳醇碳合成蛋白质实际上就是通过特定的菌种来发酵扩繁，产生的菌体蛋白，这些菌体蛋白与传统意义上的植物蛋白如豆粕有哪些差异？存在哪些危害？
吴信研究员答疑：与传统饲料原料如豆粕等蛋白原料相比，菌体蛋白的氨基酸种类更全面、比例更符合动物对蛋白质营养的需要。此外，与植物性饲料蛋白相比，微生物蛋白抗营养因子少更容易被消化吸收。其潜在风险主要在于：需选择安全无毒的菌株进行发酵、产品需进行全面安全性评估、需监管部门批准确保安全使用。
问题二： 目前国内通过这些手段方式生产的蛋白有没有性价比？量产情况如何？商业价值如何？
吴信研究员答疑：一碳蛋白根据目前万吨级工程化结果，成本较传统的酵母蛋白成本降低，投资回报率较高，将来用于食品饲料工业的前景广阔；秸秆糟渣资源量巨大成本很低，几个省份开始了万吨级工程化，生产单细胞蛋白综合成本对标植物蛋白成本降低，投资低见效快。
问题三： 通过秸秆和饲用植物生产饲料蛋白，除了抗营养因子问题，还有霉菌毒素、植物碱等一些有害物质，如何处理？这些蛋白产品对适口性有何影响？
吴信研究员答疑：通过好氧微生物发酵作用，微生物代谢产生的酶可对原料中霉菌毒素进行不同程度的降解、提高饲料安全性。微生物好氧发酵过程中，除产生的菌体蛋白外，还会产生一些小肽、消化酶、以及芳香类物质，可以增加饲料适口性、提高诱食性、提高动物采食量。
河南银发牧业有限公司常务副总裁李建房博士
问题一：合成生物学技术成为破解一碳化合物生物转化量产廉价单细胞蛋白中瓶颈问题的重要技术手段，那么菌体蛋白的实际效果怎么样？安全性有保障没？
吴信研究员答疑：
1) 菌体蛋白的实际效果主要取决于所使用的合成生物学技术和特定的应用场景。通过合成生物学的工具和方法，可以设计和构建菌株，使其具有更高的产量和更高的产物纯度。此外，合成生物学还能够通过基因调控和优化代谢途径等手段，提高菌体蛋白的表达效率和稳定性。
2) 在实际应用中，菌体蛋白已经在多个领域取得了显著的成果。例如，在食品工业中，菌体蛋白被广泛应用于替代传统的动物蛋白来源，如肉制品和乳制品。这些产品在质地、口感和营养特性上与传统产品相似，并且在环境可持续性和资源利用效率方面具有优势。
3) 关于安全性问题，合成生物学在设计和构建菌株时通常会采取一系列的安全措施。这些措施包括使用非病原性微生物菌株、遗传稳定性的评估、抗菌素标记的去除以及遗传修饰的可逆性等。此外，我们使用的菌种一般都在农业部目录，应用效果都有几十年的验证，另外在美欧还可以作为人造肉的原料之一，我们筛选的野生菌株也正在做动物营养评价测试，菌株也在申请饲料原料目录等等。
问题二：微生物对秸秆的降解性能差异较大，哪些菌株在玉米秸秆生产单细胞蛋白上更具有应用前景？以及秸秆的预处理和水解方法哪种在毒素控制和杂菌污染控制方面更具有安全性？
吴信研究员答疑：单纯从科研角度，很多丝状真菌、白腐菌、褐腐菌都可以利用天然生境中秸秆材料，的确降解效率差异较大，不同菌株对秸秆的降解机制有差异,需要筛选适宜的菌株组合进行协同降解。我们团队，从应用角度，选育的高效降解秸秆的工程菌和工业酶，都是在饲用目录的菌株，可以更快投入应用。预处理和酶解，现在都已经产业化了，也有相关纤维多糖类产品，非常安全，抑制物几乎检测不到。
临沂科技职业学院现代农业系，动物医学专业负责人万建美博士
问题一：一些低蛋白的粗饲料经发酵处理后蛋白含量显著提高至20%以上，这类发酵原料主要应用于哪些动物饲料？成本如何？
吴信研究员答疑：
1) 通常用于饲养需要高蛋白饲料的动物。秸秆来源的建议用于反刍动物也可以拓展到母猪生长育肥猪等，其他来源的可以根据原料本身的基础值进行评价。
2) 成本方面，发酵处理的粗饲料的经济效益取决于多个因素，包括原料成本、发酵过程成本、发酵产物的蛋白质含量和市场需求。一般来说，发酵处理通常会增加一些成本，例如微生物培养、发酵设备和时间。然而，这些成本可能会被高蛋白质产物的市场价值所抵消，特别是在需要高蛋白饲料的市场中。
3) 成本效益的评估需要综合考虑各种因素，包括原料的可用性、动物饲养的特定需求、市场价格波动等。发酵处理可以是一种有效的方式，提高低蛋白粗饲料的蛋白含量，以满足动物饲养的要求，同时也减少了对更昂贵的高蛋白饲料的需求。
问题二：从您的课件可以看出，经发酵处理的的产品可能会产生诸多功能，如肉品质改善、抗氧化等方面有作用，能请您再多介绍一下你们目前所观察到的一些有功能作用吗？
吴信研究员答疑：
1) 营养增强：发酵产物富含蛋白质、氨基酸、维生素和矿物质等营养成分。这些物质可以提供必需的营养元素，促进生长、修复和代谢过程。此外，发酵处理还可以改善食物中的抗营养因子含量，使其更易于消化和吸收。
2) 生物活性物质产生：在发酵过程中，一些微生物可能会产生具有生物活性的物质，如多糖和抗菌肽等。这些物质具有抗菌、抗炎、免疫调节等多种生物活性。例如我们在动物试验过程中发现免疫、应激等方面的改善，仔猪存活率也有明显提升。
3) 改善口感:发酵可以优化氨基酸组成,增强鲜味,也可产生风味物质改善口感。
猪好多网的观众提问：秸秆的纤维素之外的纤维处理有什么好方法？
吴信研究员答疑：
1) 酸碱处理：可以将纤维转化为可溶解的产物，进而用于生物质发酵产生有用的化合物或能源。但是需要注意其使用浓度和酸碱类型，提高其安全性和环保性；
2) 酶解：将秸秆的纤维素和半纤维素转化为可发酵的糖类。这些糖类可以被微生物用作碳源，生产单细胞蛋白。我们课题组开发了一系列的特异性酶，提升纤维素降解效率和效果。
3) 生物预处理：在一些情况下，可以使用特定类型的微生物来进行生物预处理，以改变秸秆的结构，使其更容易受到后续的发酵过程的影响。这种方法有助于提高秸秆的可降解性。
4) 热处理：如蒸汽爆破等，可以使纤维素抗降解屏障破坏，使纤维素更容易被生物质发酵微生物利用。
猪好多网的观众提问：现代化酵母"细胞工厂"投产后的经济价值与大豆种植相比如何？
吴信研究员答疑：
1) 投资成本：建设现代化酵母"细胞工厂"通常需要大规模的资金投入，包括设备、设施和研发费用。与此相比，大豆种植的起始投资通常较低。
2) 生产效率：酵母"细胞工厂"能够实现精确控制和高效生产特定化合物，因此在单位面积或单位时间内可以获得高产量。大豆种植则需要更多的土地和时间才能获得相似的产量。
3) 市场需求：经济价值还取决于市场对生产的化合物的需求。酵母"细胞工厂"生产的化合物具有更大的价值。大豆的市场需求通常与食品和饲料相关，而酵母"细胞工厂"的产品可以涵盖更广泛的领域。
4) 可持续性：现代化酵母"细胞工厂"生产通常更可持续，因为它可以更有效地利用资源，减少废物和环境影响。这对于追求可持续发展的市场来说可能具有额外的经济价值。从我们的实际应用来看，车间模式生产蛋白，由于不依赖土地，土地利用效率可以提升1000倍，每吨蛋白制造可以节约用水90%以上，并且不使用农药化肥，可以有效减少污染。
5) 成本效益：经济价值还受到生产过程的成本效益的影响。如果酵母"细胞工厂"的生产成本较低，可能会在竞争激烈的市场中更具竞争力。
北斗农科的观众提问：除了硒和胡萝卜素之外还能提供哪些功能物质？
吴信研究员答疑：我们课题组在人类保健食品和动物营养方面布局了一系列功能性产品，例如，围绕抗衰老和抗氧化的系列功能性肽、虾青素、胡萝卜素、NMN以及相关酶、纳豆激酶等等功能性酶，都有相关成熟的技术和产品。除此之外，还有富含支链氨基酸的蛋白，可用于营养补充和食品工业。
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