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

中國(guó)農(nóng)科院飼料研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)飼料所)與北京首鋼朗澤新能源科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)首鋼朗澤)共同舉辦新聞發(fā)布會(huì)，宣布了他們的合作研發(fā)團(tuán)隊(duì)近期取得的突破性進(jìn)展。他們?cè)趪?guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了從一氧化碳(CO)到蛋白質(zhì)的一步工業(yè)化生物合成，并已形成萬(wàn)噸級(jí)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(guó)第一張飼料原料新產(chǎn)品證書(shū)。

捅破“窗戶(hù)紙”，“廢物”竟是寶

“創(chuàng)新成果‘窗戶(hù)紙’的捅破，源于飼料所與首鋼朗澤的偶然結(jié)合。”飼料所飼料加工創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家薛敏向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》簡(jiǎn)要講述了背后的故事。

數(shù)年前，首鋼朗澤專(zhuān)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(xiàn)上發(fā)現(xiàn)，在乙醇分離蒸餾過(guò)程中還有一種“麻煩的黏稠物質(zhì)”，于是就把它分離出來(lái)想要弄清楚其成分。經(jīng)人指點(diǎn)，首鋼朗澤后來(lái)把樣品送到了飼料所。

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

乙醇梭菌最早于1994年由比利時(shí)科學(xué)家從兔子腸道分離出來(lái)，是一種可從一氧化碳產(chǎn)生乙醇的厭氧菌。薛敏告訴記者，這個(gè)菌很特殊，幾乎關(guān)注能源的人都只關(guān)注它能生產(chǎn)乙醇，而菌體本身被當(dāng)作廢棄物丟棄;專(zhuān)注于蛋白研究的人面對(duì)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)的可食用菌種上。因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白質(zhì)領(lǐng)域長(zhǎng)期“默默無(wú)聞”。

面對(duì)這個(gè)具有超常黏度的蛋白，飼料所研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思考它能不能在低淀粉膨化飼料中發(fā)揮功能。于是他們多走了一步：對(duì)乙醇梭菌蛋白的功能特性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、加工適宜性等做了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)其粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)80%以上，18種氨基酸占蛋白質(zhì)比例達(dá)94%，為單純蛋白質(zhì)類(lèi)型;10種必需氨基酸含量及其結(jié)構(gòu)比例接近魚(yú)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(duì)找來(lái)多種養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品非常適合用作魚(yú)類(lèi)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(lái)。

歷經(jīng)6年研發(fā)和論證，從年產(chǎn)300噸到5000噸再到萬(wàn)噸級(jí)，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(dòng)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。

工業(yè)尾氣做原料，22秒“一步生物合成”

該成果的一大亮點(diǎn)是，項(xiàng)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(lái)源也很廣泛，包括鋼廠(chǎng)、鐵合金廠(chǎng)、電石廠(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)首朗生物)利用富含CO的工業(yè)尾氣，開(kāi)發(fā)出全新飼料蛋白產(chǎn)品乙醇梭菌蛋白(注冊(cè)商標(biāo)“富漁樂(lè)”)。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(shū)，這也是我國(guó)首張飼料原料新產(chǎn)品證書(shū)。

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(jí)副總裁晁偉介紹說(shuō)，首朗生物以鋼廠(chǎng)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(wú)機(jī)物向有機(jī)物的一步轉(zhuǎn)化。

“這是迄今國(guó)際上發(fā)現(xiàn)的最高效生物固碳/固氮生產(chǎn)模式。”薛敏說(shuō)，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(shí)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?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。

一石三鳥(niǎo)，蛋白“無(wú)中生有”意義重大

發(fā)布會(huì)上，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家、中國(guó)工程院院士印遇龍通過(guò)視頻連線(xiàn)對(duì)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(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)。”

飼料所所長(zhǎng)戴小楓告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一步生物合成飼料蛋白實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)有助于我國(guó)擺脫“大豆進(jìn)口依賴(lài)綜合征”和實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

據(jù)測(cè)算，中國(guó)每年至少可產(chǎn)生約1.2萬(wàn)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(wàn)噸，替代魚(yú)粉和大豆蛋白。

戴小楓說(shuō)，以工業(yè)化生產(chǎn)1000萬(wàn)噸乙醇梭菌蛋白(蛋白含量83%)計(jì)，相當(dāng)于2800萬(wàn)噸進(jìn)口大豆當(dāng)量，即我國(guó)大豆年進(jìn)口量的1/3。同時(shí)，工業(yè)化生物合成蛋白還開(kāi)辟了一條“低成本非傳統(tǒng)動(dòng)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(wàn)噸該蛋白，相當(dāng)于減少二氧化碳排放2.5億噸。

國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院首席研究員李?lèi)?ài)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(lái)破解蛋白質(zhì)短缺難題”。

他介紹說(shuō)，我國(guó)從20世紀(jì)80年代起就將“微生物蛋白生產(chǎn)”列為研究課題，國(guó)際上也長(zhǎng)期在研究從碳化合物合成蛋白的問(wèn)題，但一直都沒(méi)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)讓這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。他說(shuō)，如果能實(shí)現(xiàn)生物合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，對(duì)我國(guó)飼料蛋白供應(yīng)、糧食安全等意義重大。

中國(guó)農(nóng)科院生物技術(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(guó)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(lài)植物的生物合成蛋白比作“鐵罐里生產(chǎn)酒和肉”。

已形成萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)產(chǎn)能，仍有科學(xué)問(wèn)題待解

對(duì)于乙醇梭菌蛋白獲批成為飼料蛋白新產(chǎn)品，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局飼料飼草處處長(zhǎng)黃慶生表示，該產(chǎn)品通過(guò)了全國(guó)飼料評(píng)審委員會(huì)關(guān)于其安全性、有效性、環(huán)境影響評(píng)價(jià)的審定，“值得頒發(fā)我國(guó)第一張飼料原料新產(chǎn)品證書(shū)”。

晁偉在發(fā)布會(huì)上透露，目前，基于該技術(shù)成果、經(jīng)過(guò)多年布局，首朗生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生物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(wàn)噸級(jí)蛋白產(chǎn)能的產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)。而且，2022年還將進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)，“向3萬(wàn)噸產(chǎn)能進(jìn)發(fā)”。

晁偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，之所以快馬加鞭大幅擴(kuò)大產(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(guó)大豆對(duì)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(duì)新產(chǎn)品評(píng)估試用、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，受邀在國(guó)家“十三五”科技創(chuàng)新成就展“美麗中國(guó)展區(qū)”參加展覽。

不過(guò)，戴小楓表示，目前聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)雖然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(lái)還要對(duì)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(wèn)題展開(kāi)深入研究。

薛敏也告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，雖然此前與首鋼朗澤共同在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“藍(lán)色糧倉(cāng)”項(xiàng)目研究框架中已就“乙醇梭菌蛋白對(duì)豆粕的替代”“乙醇梭菌蛋白對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)分析”等問(wèn)題開(kāi)展了研究，并先后于國(guó)內(nèi)期刊《動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)》及國(guó)際期刊《水產(chǎn)養(yǎng)殖研究》《動(dòng)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(kāi)展。她表示，未來(lái)在兼顧科學(xué)問(wèn)題研究的過(guò)程中，也會(huì)關(guān)注工程問(wèn)題的突破，進(jìn)一步推動(dòng)科技成果更好地向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化。(記者 趙廣立)

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