科技日?qǐng)?bào)記者 吳葉凡

食物蛋白是人類(lèi)重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。近年來(lái)，世界人口持續(xù)增長(zhǎng)導(dǎo)致蛋白需求大幅增加。有數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2050年，全球人口將超過(guò)90億，食品蛋白需求將增長(zhǎng)30%—50%。

我國(guó)是蛋白消費(fèi)量最大的國(guó)家，且消費(fèi)量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。在不久前舉辦的主題為“單細(xì)胞蛋白生物制造戰(zhàn)略需求與技術(shù)挑戰(zhàn)”的香山科學(xué)會(huì)議上，專(zhuān)家學(xué)者建議，促進(jìn)單細(xì)胞蛋白生物制造技術(shù)創(chuàng)新，保障我國(guó)蛋白資源供給。

什么是單細(xì)胞蛋白？有哪些合成單細(xì)胞蛋白的技術(shù)路徑？會(huì)上，多位專(zhuān)家就上述問(wèn)題進(jìn)行了探討。

傳統(tǒng)方式難以滿足高蛋白需求

“我國(guó)蛋白供給正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。”中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員吳信開(kāi)門(mén)見(jiàn)山指出問(wèn)題。

當(dāng)前，種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為我國(guó)蛋白主要供給方式。但這兩種傳統(tǒng)的供給方式在供給蛋白數(shù)量、質(zhì)量和可持續(xù)等方面均存在不利影響因素。以大豆為例，它富含蛋白，是畜牧業(yè)飼用豆粕的主要來(lái)源。吳信介紹，生產(chǎn)1億噸大豆需要7億多畝土地資源，而我國(guó)人均可耕種土地資源嚴(yán)重不足，難以滿足蛋白原料的供給需求。

我國(guó)大豆對(duì)外依存度較高。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年我國(guó)進(jìn)口糧食1.6億噸，大豆占比超過(guò)6成，達(dá)9941萬(wàn)噸。吳信指出，近年來(lái)，在極端天氣、國(guó)際局勢(shì)等多方面不利影響下，全球大豆產(chǎn)量繼續(xù)下降，供需矛盾愈演愈烈，推高了畜牧業(yè)成本，也影響了我國(guó)糧食安全。

單細(xì)胞蛋白，也叫微生物蛋白，是通過(guò)對(duì)各種工農(nóng)業(yè)廢料及石油廢料進(jìn)行大規(guī)模人工培養(yǎng)，得到的蛋白資源，主要包括酵母蛋白、細(xì)菌蛋白和藻類(lèi)蛋白等類(lèi)型。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種可用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的菌株，如細(xì)菌、真菌、微藻等。

由于微生物的生長(zhǎng)繁殖速率快，因此單細(xì)胞蛋白的單位面積蛋白生產(chǎn)效率大大高于種植大豆等傳統(tǒng)方式。“為保障穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)資源供給，我們要努力推動(dòng)‘向微生物要蛋白’?！眳切耪f(shuō)。

推動(dòng)一碳原料規(guī)?；瘧?yīng)用

“傳統(tǒng)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的過(guò)程中，大多以可食用的糖基碳源為原料。但糖基碳源仍依賴種植，生產(chǎn)成本高?！眳切耪J(rèn)為，結(jié)合我國(guó)國(guó)情以及新一代單細(xì)胞蛋白的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)推動(dòng)使用不依賴種植的一碳原料合成單細(xì)胞蛋白。

甲醇、甲烷、二氧化碳、一氧化碳等一碳原料不僅來(lái)源廣泛，而且價(jià)格低廉。中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員王鈺介紹，以甲醇為例，它易于運(yùn)輸，比糖基碳源具有更高的能量密度，可以利用煤炭等石化資源進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，也可以利用生物質(zhì)、二氧化碳等可再生資源作為原料進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。在我國(guó)化工和煉油行業(yè)中甲醇年均產(chǎn)量達(dá)8000萬(wàn)噸以上。

此外，吳信還提到，甲醇作為單細(xì)胞蛋白合成原料還具有質(zhì)量穩(wěn)定可控的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)一碳原料的高效利用與轉(zhuǎn)化，近年來(lái)，研究者構(gòu)建了多樣的微生物底盤(pán)作為一碳生物制造的核心催化劑，并已實(shí)現(xiàn)了較高水平的單細(xì)胞蛋白的生物合成。

“巴斯德畢赤酵母是一類(lèi)能夠利用甲醇作為唯一碳源和能源的酵母菌?！眳切沤榻B，2023年，我國(guó)已建成首套以甲醇為碳源的巴斯德畢赤酵母水解蛋白萬(wàn)噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化示范工廠，并順利投產(chǎn)。

“該工廠應(yīng)用的發(fā)酵工藝安全、高效，能夠穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行100天以上，發(fā)酵系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保，無(wú)‘三廢’產(chǎn)生，解決了發(fā)酵企業(yè)環(huán)保壓力大的問(wèn)題。該體系實(shí)現(xiàn)了低成本、高產(chǎn)出，生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白品質(zhì)高，不僅具有高蛋白的特征，而且富含寡肽、多肽、多糖等，可開(kāi)發(fā)高附加值蛋白、肽或酶類(lèi)產(chǎn)品?！眳切耪f(shuō)。

記者了解到，今年9月，該工廠十萬(wàn)噸巴斯德畢赤酵母水解蛋白項(xiàng)目順利簽約，投產(chǎn)后年產(chǎn)量將相當(dāng)于每年百萬(wàn)畝土地種植的大豆蛋白當(dāng)量。

加強(qiáng)工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品開(kāi)發(fā)利用

除了一碳原料，我國(guó)還有著豐富的工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物資源，如秸稈、豆渣、酒糟等，也可以開(kāi)發(fā)為合成單細(xì)胞蛋白的原料。

記者了解到，目前我國(guó)每年玉米種植面積約6億畝，玉米秸稈產(chǎn)量一般為玉米糧食產(chǎn)量的1.3—1.6倍，每年大約有7億噸。玉米秸稈中蘊(yùn)含著與普通糧食基本相當(dāng)?shù)目偰?，還含有許多對(duì)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育有益的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

“目前，因?yàn)閮?chǔ)藏過(guò)程易霉變、易產(chǎn)生真菌毒素等原因，秸稈低值利用較為普遍，未得到高效的轉(zhuǎn)化利用。面對(duì)蛋白資源短缺和潛在的秸稈資源浪費(fèi)，應(yīng)積極推動(dòng)秸稈單細(xì)胞蛋白的生物創(chuàng)制工作?！敝袊?guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員高樂(lè)說(shuō)。

高樂(lè)解釋?zhuān)斩捴械哪举|(zhì)纖維素具有多化學(xué)組分、多層次超分子結(jié)構(gòu)，致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是秸稈難以降解的主要原因。構(gòu)建高產(chǎn)降解酶系—復(fù)合菌系統(tǒng)是解聚秸稈的有效途徑。這一途徑的核心在于利用菌酶協(xié)同特性、菌群互養(yǎng)模式，最大限度地發(fā)揮多樣性菌與酶的互作關(guān)系，有效提高秸稈中木質(zhì)纖維素的解聚效率。

記者了解到，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃相關(guān)項(xiàng)目的支持下，吳信團(tuán)隊(duì)在秸稈高效降解工程菌高通量選育及改造、與秸稈結(jié)構(gòu)特性高度適配的酶制劑定制化開(kāi)發(fā)、菌酶協(xié)同固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)創(chuàng)制等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

團(tuán)隊(duì)搭建了完整的秸稈規(guī)?；锖铣娠曈玫鞍椎娜湕l技術(shù)體系，突破了秸稈抗降解屏障、蛋白轉(zhuǎn)換的技術(shù)瓶頸，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、秸稈規(guī)?；锖铣娠曈玫鞍椎南到y(tǒng)工程及產(chǎn)業(yè)化示范，精準(zhǔn)解決秸稈資源化利用效率低和傳統(tǒng)蛋白短缺兩大難題。

“該技術(shù)體系可應(yīng)用于多種工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，大幅提升原料品質(zhì)和性價(jià)比，為工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的高值化利用提供了可持續(xù)的解決方案，對(duì)緩解人畜爭(zhēng)糧和糧食安全問(wèn)題有重要戰(zhàn)略意義。”吳信說(shuō)。