我国率先突破工厂化条件下利用一氧化碳大规模生产蛋白质
实现工厂化、大规模、成本收益可行的实用性、创新性、战略性技术重大突破

10月30日,中国农业科学院饲料所和北京首钢朗泽新能源科技有限公司共同发布:经过多年研究攻关,我国率先突破工厂化条件下利用一氧化碳大规模生产蛋白质,并已经形成万吨级的工业生产能力。乙醇梭菌蛋白已于今年8月获得饲料和饲料添加剂新产品证书,是我国针对一种新饲料原料颁发的第一张证书。

饲料原料新产品证书 首钢朗泽供图

率先突破工厂化条件下利用一氧化碳大规模生产蛋白质

记者了解到,北京首钢朗泽新能源科技有限公司通过六年多研究攻关,突破了乙醇梭菌蛋白制备核心关键技术,实现了一碳气体一步生物合成蛋白质收率最高85%的重大成果,大幅度提高反应速度(22秒合成)、原料物质和能量的转化效率,并成功实现工业化应用。中国农业科学院饲料研究所与其合作开展乙醇梭菌蛋白营养价值评定与蛋白构效关系研究,并共同在国家重点研发计划——蓝色粮仓项目框架内推广该产品在饲料行业中的应用。

据介绍,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的钢铁厂、铁合金厂、电石厂尾气和氨水为主要原料,进行液态发酵培养、离心、干燥而获得的新型单细胞蛋白。乙醇梭菌蛋白结构简单,以蛋白质、肽聚糖、微量元素及少量的代谢产物乙酸为主。

在自然界,起始蛋白质的天然合成一般要在植物或者植物体内具有固氮功能的特定微生物体内,在自然光合作用下经过三羧酸循环途径多个环节复杂的生物转换与酶促反应形成蛋白质,涉及复杂的遗传表达、生化合成、生理调控等生命过程,反应缓慢、物质和能量的转化效率较低,最终积累的蛋白质含量低。

在人工条件下,利用天然存在的一氧化碳和氮源(氨)大规模生物合成蛋白质,长期以来被国际学术界认为是影响人类文明发展和对生命现象认知的革命性的前沿科学与技术。如今这一颠覆性技术被中国的科学家团队率先突破。

该项研究以含一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料,制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,实现了工业化规模的从无到有(从无机物到有机物)具有完全自主知识产权。”北京首钢朗泽新能源科技有限公司副总裁晁伟博士介绍。

蛋白饲料生产工艺流程图 饲料所、首钢朗泽供图

进口大豆蛋白饲料卡脖子难题有新解

“将无机的氮和碳通过细菌成规模转化为有机的氮和碳,制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,不与人争粮、不与粮争地对确保我国粮食安全、经济安全和绿色可持续发展具有重大意义。”中国农业科学院饲料研究所所长、国家中药材产业技术体系岗位科学家戴小枫表示。


中国农业科学院饲料研究所所长、国家中药材产业技术体系岗位科学家戴小枫

作为世界饲料生产和消费第一大国,近年来我国大豆进口最高年份已超过1亿吨。其中,饲用蛋白原料对外依存度长期保持在80%以上。乙醇梭菌蛋白颠覆了传统天然蛋白质生产的模式,物质和能量转化效率大幅度提升,既突破自然光合固碳、固氮系统利用太阳能、反应速度缓慢的局限,也突破了天然蛋白质植物合成的时空限制,开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质的新途径和工业化生产优质蛋白质的新纪元。为解决进口大豆蛋白饲料的卡脖子问题提供了国之利器,也有望成为实现温室气体零排放和工业流程绿色再造的国之重器。

专家估算,以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白(蛋白含量83%))计,相当于2800万吨进口大豆(蛋白含量30%)当量,可减少CO2排放2.5亿吨。

“如果能在我国所有的钢铁冶金、电石、煤化工和石化企业应用,将是一场人类对碳循环、碳利用、碳捕集有效促进的碳革命,经济、社会和生态效益将十分显著,战略意义重大。”


2021年5月,年产蛋白5000吨的首套铁合金尾气生物发酵工业装置在宁夏平罗县投产 首钢朗泽供图

乙醇梭菌蛋白是优异的饲料蛋白质原料

中国农业科学院饲料研究所首席科学家薛敏研究员介绍,乙醇梭菌蛋白相比传统的植物种植生产蛋白质原料效率高70万倍,具有很高的营养价值,蛋白质含量高达80%以上,氨基酸结构平衡,易于消化;同时具有优异的饲料蛋白质原料加工特性,富含核苷酸等功能性物质,利于改善饲料品质,研究结果表明其是一类可广泛应用的优质饲料蛋白源。

中国农业科学院饲料研究所首席科学家薛敏研究员

中国农业科学院饲料研究所对乙醇梭菌蛋白的功能特性、营养价值、加工适宜性等进行了较为系统的研究,发现该产品中粗蛋白质含量可达80%以上,18种氨基酸占蛋白质比例达到94%,为单纯蛋白质类型;10种必需氨基酸含量及其结构比例接近鱼粉,远优于豆粕;蛋白质消化率>95%;菌体细胞破壁后以分子量1 kDa以下的小分子肽为主,占60.74%以上;乙醇梭菌蛋白酶解后易释放小分子多肽,且酶解6h后,小肽比例优于目前绝大部分蛋白质饲料原料。

那么作为动物饲料,乙醇梭菌蛋白的有效性和安全性如何呢?中国农业科学院饲料研究所与首钢朗泽合作研究发现,10%乙醇梭菌蛋白替代20%豆粕后大幅度提高了草鱼生长性能和肠道健康,饲料的营养有效性极佳,表明乙醇梭菌蛋白在动物饲料中与鱼粉的营养效价相当,优于豆粕。

安全性研究表明,当乙醇梭菌蛋白在饲料中的添加比例至3-4.5%时,能显著改善动物肠道和肝脏健康的功能;当添加比例增加到18-20%时,对养殖动物生长性能、饲料利用率、血液生化指标和肝肠组织形态等均未见有不良影响及损伤,是一种安全性较高的优质蛋白质饲料原料。

此外,乙醇梭菌蛋白还有诸多优异特性,其极性基团含量丰富,产品粘度较高,可以显著提高饲料加工中混合物料的峰值粘度和保持粘度;热焓变、弹性模量和损耗模量均小于鱼粉,加工时所需热能少、刚性和韧性较小,易于加工;添加乙醇梭菌蛋白可以提高膨化饲料颗粒内部孔隙均匀性,有利于提高饲料吸油率、减少漏油率;适量添加乙醇梭菌蛋白可以显著提高混合物料饲料中的二硫键数量,有利于改善饲料流变品质和适口性;使用场景和适用谱宽,是一类可广泛应用的优质饲料蛋白来源。


中国农业科学院饲料研究所对乙醇梭菌蛋白的功能特性、营养价值、加工适宜性等进行系统研究

目前,该产品已在广东海大集团、恒兴股份等多家饲料企业应用,对饲料及水产养殖产品营养价值和质量提升显著。


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