來源 | 科學(xué)網(wǎng)     作者 | 趙廣立

科學(xué)發(fā)現(xiàn)中“捅破一層窗戶紙”的創(chuàng)新，有時就能發(fā)掘出巨大潛能，“‘乙醇梭菌蛋白’成為飼料原料新產(chǎn)品”的案例就是明證。

10月30日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所（以下簡稱飼料所）與北京首鋼朗澤新能源科技有限公司（以下簡稱首鋼朗澤）共同舉辦新聞發(fā)布會，宣布了他們合作研發(fā)團(tuán)隊近期取得的突破性進(jìn)展：在國際上首次實(shí)現(xiàn)了從一氧化碳（CO）到蛋白質(zhì)的合成，并已形成萬噸級的工業(yè)生產(chǎn)能力?；诤献鞒晒?，首鋼朗澤憑借乙醇梭菌蛋白一舉獲得中國第一張飼料原料新產(chǎn)品證書。

飼料原料新產(chǎn)品證書 首鋼朗澤供圖

“創(chuàng)新成果‘窗戶紙’的捅破，來源于飼料所與首鋼朗澤的偶然結(jié)合?！憋暳纤暳霞庸?chuàng)新團(tuán)隊首席科學(xué)家薛敏向《中國科學(xué)報》簡要講述了背后的故事。

數(shù)年前，首鋼朗澤專注于氣體生物發(fā)酵合成乙醇工藝研發(fā)。研究人員在中試產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)，在乙醇分離蒸餾過程中還有一種“麻煩的粘稠的物質(zhì)”，于是就把它分離出來想要弄清楚其成分。經(jīng)人指點(diǎn)，首鋼朗澤后來把樣品送到了飼料所。

不測不知道。飼料所發(fā)現(xiàn)，這些險被丟棄的粘稠物居然主要是蛋白質(zhì)（乙醇梭菌蛋白）。

乙醇梭菌最早是1994年比利時科學(xué)家從兔子腸道分離出來、一種可以從一氧化碳產(chǎn)生乙醇的厭氧菌。薛敏告訴記者，它特殊也特殊在這兒：幾乎關(guān)注能源的人都只關(guān)注它能生產(chǎn)乙醇，菌體被當(dāng)做廢棄物丟棄；而專注于蛋白研究的對單細(xì)胞蛋白關(guān)注點(diǎn)，主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等傳統(tǒng)被認(rèn)為可食用菌種上。因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白質(zhì)領(lǐng)域長期“默默無聞”。

面對這個具有超常黏度的蛋白，飼料所研究團(tuán)隊開始琢磨：它能不能在低淀粉膨化飼料中發(fā)揮其功能？于是他們多走了一步：對乙醇梭菌蛋白的功能特性、營養(yǎng)價值、加工適宜性等做了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)它的粗蛋白質(zhì)含量可高達(dá)80%以上，18種氨基酸占蛋白質(zhì)比例達(dá)到94%，為單純蛋白質(zhì)類型；10種必需氨基酸含量及其結(jié)構(gòu)比例接近魚粉，遠(yuǎn)優(yōu)于豆粕。

一言以蔽之，該產(chǎn)品具有優(yōu)異的飼料蛋白質(zhì)原料特性。飼料所研究團(tuán)隊找來多種養(yǎng)殖魚類做實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品非常適合用作魚類飼料。

得知這一情況，飼料所與首鋼朗澤決心聯(lián)手攻關(guān)，把丟棄的“寶”撿回來。

歷經(jīng)6年研發(fā)和論證，從年產(chǎn)300噸到5000噸再到萬噸級，首鋼朗澤走通了飼料原料新產(chǎn)品從中試到大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化之路，飼料所也在“不經(jīng)意間”推動了乙醇梭菌蛋白從未知菌體到飼料產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。

該成果的一大亮點(diǎn)是，項目中合成乙醇梭菌蛋白的原料之一為工業(yè)尾氣，工業(yè)尾氣中大量的CO是利用乙醇梭菌生產(chǎn)菌體蛋白和乙醇的極佳原料。而工業(yè)尾氣不僅成本極低，其來源也很是廣泛：包括鋼廠、鐵合金廠、電石廠等等，資源量非常豐富。

據(jù)介紹，首鋼朗澤旗下北京首朗生物科技有限公司（以下簡稱首朗生物）利用富含CO的工業(yè)尾氣，已開發(fā)出全新飼料蛋白產(chǎn)品乙醇梭菌蛋白（注冊商標(biāo)“富漁樂”）。該蛋白產(chǎn)品已于8月27日獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的新產(chǎn)品證書，這也是我國首張飼料原料新產(chǎn)品證書。

當(dāng)然，生物合成蛋白不僅需要碳源，還需要氮源。首鋼朗澤高級副總裁晁偉介紹說，首朗生物以鋼廠尾氣中的CO為碳源、氨水為氮源，經(jīng)優(yōu)化的厭氧發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)22秒快速轉(zhuǎn)化，高效產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白，實(shí)現(xiàn)了無機(jī)物向有機(jī)物的一步轉(zhuǎn)化。

蛋白飼料生產(chǎn)工藝流程圖 飼料所、首鋼朗澤供圖

“這是迄今國際上發(fā)現(xiàn)的最高效生物固碳/固氮生產(chǎn)模式。”薛敏說，22秒是指輸入CO合成氣，生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)出乙醇和菌體蛋白醪液的時間。后續(xù)，蛋白醪液經(jīng)加工制成干粉。

此外，由于乙醇梭菌經(jīng)空氣暴露可全部滅活，菌體經(jīng)離心濃縮和噴霧干燥后即為乙醇梭菌蛋白產(chǎn)品，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于酵母及微藻等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品。這也意味著，利用該成果進(jìn)行微生物高效合成蛋白質(zhì)，具有顯著的性價比優(yōu)勢。

發(fā)布會上，動物營養(yǎng)學(xué)家、中國工程院院士印遇龍通過視頻連線對該成果的突破性予以肯定：“該成果實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的意義很大，希望團(tuán)隊進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)。”

中國農(nóng)科院飼料研究所所長戴小楓告訴《中國科學(xué)報》，一步生物合成飼料蛋白實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的意義，在于有助于我國擺脫“大豆進(jìn)口依賴綜合征”和助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

據(jù)測算，中國每年至少可產(chǎn)生約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(shù)進(jìn)行高效清潔利用，可年產(chǎn)乙醇梭菌蛋白1000萬噸，用于替代魚粉和大豆蛋白。

戴小楓說，以工業(yè)化生產(chǎn)1000萬噸乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%）計，相當(dāng)于2800萬噸進(jìn)口大豆當(dāng)量，這相當(dāng)于我國大豆年進(jìn)口量的1/3。同時，人工合成蛋白還開辟了一條“低成本非傳統(tǒng)動植物資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料蛋白質(zhì)”的新途徑，每生產(chǎn)1000萬噸該蛋白，相當(dāng)于減少二氧化碳排放2.5億噸。

國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院首席研究員李愛科認(rèn)為，該成果最大的亮點(diǎn)在于“以微生物蛋白生產(chǎn)來破解蛋白質(zhì)短缺難題”。

他介紹說，我國從20世紀(jì)80年代就將“微生物蛋白生產(chǎn)”列為研究課題，國際上也長期研究從碳化合物合成蛋白的問題，但一直都沒能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊正是讓這一構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)。他說，對我國而言，如果能實(shí)現(xiàn)人工合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，將對我國飼料蛋白供應(yīng)、糧食安全等意義重大。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員林敏將該成果與生物固氮作了比較，他提出，國際上喜歡將生物固氮比喻成“空氣面包術(shù)”，那么或許可以將不依賴植物的人工合成蛋白比作“鐵罐里生產(chǎn)酒和肉”。

對于乙醇梭菌蛋白作為飼料蛋白新產(chǎn)品的獲批，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局飼料飼草處處長黃慶生評價說，該產(chǎn)品通過了全國飼料評審委員會關(guān)于其安全性、有效性、環(huán)境影響評價的審定，“值得頒發(fā)我國第一張飼料原料新產(chǎn)品證書”。

晁偉在發(fā)布會上透露，目前，基于該技術(shù)成果、經(jīng)過多年布局，首朗生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人工合成乙醇梭菌蛋白中試的三年穩(wěn)定生產(chǎn)，并于今年完成了萬噸級蛋白產(chǎn)能的產(chǎn)線建設(shè)。并且，2022年還將進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)，“向3萬噸產(chǎn)能進(jìn)發(fā)”。

2021年5月，年產(chǎn)蛋白5000噸的首套鐵合金尾氣生物發(fā)酵工業(yè)裝置在寧夏平羅縣投產(chǎn) 首鋼朗澤供圖

晁偉告訴《中國科學(xué)報》，之所以快馬加鞭大幅擴(kuò)產(chǎn)能，一方面是“理想主義”，希望飼料蛋白新產(chǎn)品的大量推廣能夠切實(shí)降低我國大豆對外依存度、助力“碳中和”；另一方面是“現(xiàn)實(shí)需求”，自從部分企業(yè)對新產(chǎn)品評估使用、發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)之后，“胃口”大增，現(xiàn)在乙醇梭菌蛋白“供不應(yīng)求”。

10月21~27日，首鋼朗澤生物固碳技術(shù)作為“碳中和”領(lǐng)域代表技術(shù)之一，受邀在“十三五”科技創(chuàng)新成就展“美麗中國展區(qū)”參加展覽。

不過，戴小楓對《中國科學(xué)報》表示，目前聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊雖已取得了重要的研究成果，但還只是“一群幸運(yùn)的孩子撿到了沙灘上美麗的貝殼”，未來還要對一氧化碳生物合成蛋白質(zhì)的理論機(jī)理、分子作用等科學(xué)問題展開深入研究。

薛敏也告訴《中國科學(xué)報》，雖然此前與首鋼朗澤共同在科技部國家重點(diǎn)研發(fā)“藍(lán)色糧倉”項目研究框架中已就“乙醇梭菌蛋白對豆粕的替代”“乙醇梭菌蛋白對水產(chǎn)動物的營養(yǎng)分析”等問題開展了研究，并先后于國內(nèi)期刊《動物營養(yǎng)學(xué)報》及國際期刊《水產(chǎn)養(yǎng)殖研究》《動物飼料科學(xué)與技術(shù)》等發(fā)表了論文，但還有大量科學(xué)工作可以開展。她表示，未來在兼顧科學(xué)問題研究的過程中，也會關(guān)注工程問題的突破，進(jìn)一步推動科技成果更好地實(shí)現(xiàn)向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的轉(zhuǎn)化。

本刊：華南師范大學(xué)學(xué)報(自科版), 北大中文核心期刊。 征稿：物理、材料、化學(xué)、環(huán)境等 編輯：譚編 微信：TAN-J-SCNU

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