22秒，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)尾氣中的一氧化碳經(jīng)厭氧發(fā)酵，就能產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白。我國科學(xué)家突破自然光合固碳、固氮系統(tǒng)利用太陽能、反應(yīng)速度緩慢的局限，突破了天然蛋白質(zhì)物合成的時空限制，在國際上首次實現(xiàn)利用一氧化碳合成蛋白質(zhì)。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所（以下簡稱“農(nóng)科院飼料所”）和北京首鋼朗澤科技股份有限公司（以下簡稱“首鋼朗澤”）經(jīng)過多年共同研究攻關(guān)，率先突破工廠化條件下利用一氧化碳一步法生產(chǎn)蛋白質(zhì)，并已形成萬噸級的工業(yè)生產(chǎn)能力。首朗生物開發(fā)的全新飼料蛋白產(chǎn)品已于去年獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的新產(chǎn)品證書，為我國一碳原料制備新型菌體蛋白項目開啟了大門。

　　一時間，反響強烈，國人振奮。“有了這技術(shù)，中國大豆以后不用依賴進(jìn)口了。”“無中生肉，尾氣也可以做出四菜一湯了。”同時，也有質(zhì)疑聲音，這是真的嗎？到底是怎么生產(chǎn)出來的？是否已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了？

蛋白人工合成取得新突破

　　一氧化碳，公認(rèn)的有害氣體。蛋白質(zhì)，生物體內(nèi)一切細(xì)胞、組織的重要組成部分。這看似南轅北轍毫不相干的兩種物質(zhì)，卻被中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究團(tuán)隊用一種物質(zhì)連接到一起。這種物質(zhì)，就是在“一氧化碳合成蛋白質(zhì)”中起關(guān)鍵作用的乙醇梭菌。

　　早在1994年，科學(xué)家在乙酸梭菌中加入一氧化碳進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵，以此來制備乙醇梭菌蛋白，已成為生物飼料原料的常用方法之一。通常來說，用這種方法制備蛋白質(zhì)，最主要的原料只有三種：一氧化碳、乙醇梭菌、氨水。其中，乙醇梭菌承擔(dān)著“發(fā)酵”的重任。而發(fā)酵過程中，一氧化碳和氨水則會經(jīng)過氧化反應(yīng)形成蛋白質(zhì)的重要組成部分——氨基酸。通過對這個液態(tài)發(fā)酵液的進(jìn)一步培養(yǎng)、離心和干燥，就能獲得結(jié)構(gòu)簡單的乙醇梭菌蛋白。這是一個非常緩慢且低效的過程。

　　農(nóng)科院飼料所飼料加工創(chuàng)新團(tuán)隊首席科學(xué)家薛敏介紹，早在20世紀(jì)90年代，國外就開始研究利用乙醇梭菌等食氣菌以一碳?xì)怏w為碳源生產(chǎn)小分子醇類產(chǎn)品，但未關(guān)注菌體本身作為蛋白質(zhì)飼料的可能性。大多數(shù)能源研究集中在用一氧化碳生物發(fā)酵合成乙酸、乙醇、異丙醇等化學(xué)品，對菌體合成蛋白質(zhì)及其功能性研究很少，菌體蛋白大多被當(dāng)作廢棄物丟棄；而單細(xì)胞蛋白研究關(guān)注點主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等傳統(tǒng)被認(rèn)為可食用的菌種上，導(dǎo)致了乙醇梭菌蛋白在蛋白質(zhì)領(lǐng)域長期“默默無聞”。

　　我國科學(xué)家卻讓這個過程所需的時間大大縮短。經(jīng)過中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究團(tuán)隊的優(yōu)化，目前，這個過程已經(jīng)被縮短到22秒，且獲得率高達(dá)85%，由此打開了乙醇梭菌蛋白人工合成的新大門。該成果的一大亮點是，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)尾氣中大量的一氧化碳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，其來源也很廣泛，包括鋼廠、鐵合金廠、電石廠等，資源量非常豐富。

　　據(jù)介紹，由首鋼朗澤開發(fā)出的全新飼料蛋白產(chǎn)品已于2021年8月獲得農(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。

　　首鋼朗澤高級副總裁晁偉介紹說，該項目以鋼廠尾氣中的一氧化碳為碳源、氨水為氮源，經(jīng)優(yōu)化的厭氧發(fā)酵工藝，實現(xiàn)22秒快速轉(zhuǎn)化，高效產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白，實現(xiàn)了無機物向有機物的一步轉(zhuǎn)化。

　　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。

破解蛋白質(zhì)短缺難題

　　動物飼料里兩類東西必不可少：玉米和豆粕。行業(yè)一直在探索研發(fā)優(yōu)質(zhì)、易獲得、穩(wěn)定廉價的蛋白質(zhì)飼料。為支撐我國規(guī)模龐大的養(yǎng)殖業(yè)，2021年我國飼料產(chǎn)量達(dá)2.93億噸，居世界首位，再加上自配料，飼料年消耗量約有4.5億噸。如果不算能量飼料中的蛋白質(zhì)含量，據(jù)簡單估算需要純蛋白質(zhì)飼料8000萬噸。

　　國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院首席研究員李愛科表示，近年來，我國優(yōu)質(zhì)飼用蛋白原料極度缺乏，不得不大量進(jìn)口，對外依存度長期保持在70%以上。我國每年進(jìn)口魚粉150萬噸左右，進(jìn)口大豆1億噸左右，飼用豆粕的年消費量約7000萬噸。一段時間內(nèi)，我國無法擺脫飼用蛋白原料對外依存度很高的局面。自主創(chuàng)新研發(fā)新型非糧蛋白質(zhì)資源，逐步降低對大豆、魚粉的進(jìn)口依賴，開辟產(chǎn)業(yè)發(fā)展新領(lǐng)域，無疑是國家的重大戰(zhàn)略需求。

　　據(jù)了解，乙醇梭菌蛋白不僅具備優(yōu)良的營養(yǎng)價值和加工特性，其環(huán)保價值也非常亮眼。乙醇梭菌蛋白的蛋白質(zhì)含量高達(dá)80%以上，18種氨基酸占蛋白質(zhì)比例達(dá)到94%，10種必需氨基酸含量及結(jié)構(gòu)比例接近魚粉并遠(yuǎn)優(yōu)于豆粕，具有優(yōu)異的蛋白質(zhì)原料特性。乙醇梭菌蛋白的營養(yǎng)價值和目前水產(chǎn)行業(yè)普遍認(rèn)為營養(yǎng)價值最好的原料魚粉接近，且遠(yuǎn)超于豆粕。相關(guān)專家表示，乙醇梭菌蛋白的推廣應(yīng)用能夠大大降低中國對進(jìn)口飼用蛋白原料的依賴程度，以工業(yè)化生產(chǎn)1000萬噸乙醇梭菌蛋白計，可減少2800萬噸大豆進(jìn)口量。

　　農(nóng)科院飼料所所長戴小楓指出，一步生物合成飼料蛋白實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，有助于我國擺脫“大豆進(jìn)口依賴綜合征”和實現(xiàn)“碳中和”。

　　李愛科認(rèn)為，該成果最大的亮點在于“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年代起就將“微生物蛋白生產(chǎn)”列為研究課題，國際上也長期在研究從碳化合物合成蛋白的問題，但一直都沒能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊讓這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實。生物合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化對我國飼料蛋白供應(yīng)、糧食安全等意義重大。

打通產(chǎn)業(yè)化之路

　　在河北曹妃甸這個填海造地“長”出來的小島上，鋼電園區(qū)內(nèi)矗立著首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司一座座高聳的高爐，不遠(yuǎn)處就是首鋼朗澤的河北分公司。該公司副總經(jīng)理張春悅指著一排20多米高的發(fā)酵罐介紹，我國是世界上最大的鋼鐵冶金生產(chǎn)國，在工業(yè)冶煉過程中會產(chǎn)生大量含有一氧化碳、二氧化碳等的尾氣，公司一般建在這些鋼鐵廠、鐵合金廠旁邊，把尾氣收集起來通過管道運輸，經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入發(fā)酵罐，乙醇梭菌和尾氣在里面進(jìn)行快速反應(yīng)，產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白。

　　2012年，首鋼朗澤投資6000余萬元在曹妃甸首鋼京唐公司院內(nèi)建成全流程鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵中試示范裝置（年產(chǎn)乙醇300噸）。經(jīng)過持續(xù)不斷的N輪試驗，終于打通了全系統(tǒng)工藝流程。中試成功后，2016年，全球首套年產(chǎn)4.5萬噸鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制燃料乙醇大工業(yè)裝置動工。2018年5月，一次調(diào)試成功產(chǎn)出燃料乙醇合格產(chǎn)品；6月，首次產(chǎn)出乙醇梭菌蛋白，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。河北首朗新能源科技有限公司總工程師莫志朋表示，在沒有任何參考的情況下，從實驗室通過中試的轉(zhuǎn)化成功，建成了像目前的商業(yè)化工廠，也是全球首套從實驗室轉(zhuǎn)化成了工業(yè)化生產(chǎn)。而且發(fā)酵菌體對于氣源的適用性很強，所以可復(fù)制性比較強。新技術(shù)可實現(xiàn)二氧化碳減排33%以上，氮氧化物減排90%以上，對于實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)具有重要作用。

　　河北首朗新能源科技有限公司總經(jīng)理宋慶坤介紹，新技術(shù)實現(xiàn)了從零到一的自主創(chuàng)新和從一到N的快速復(fù)制，開辟了一條低成本非傳統(tǒng)動植物資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料蛋白的新途徑，公司計劃在不遠(yuǎn)的將來，至少要實現(xiàn)100萬噸乙醇和10萬噸飼料蛋白的產(chǎn)能規(guī)模，屆時每年可節(jié)約糧食300萬噸，耕地約800萬畝，每年可替代化石能源達(dá)到200萬噸以上，減少碳排放達(dá)到250萬噸以上。

　　（高娜 綜合整理）