近日，西北農(nóng)林科技大學曹陽春教授團隊在《科學通報》發(fā)表了題為“單細胞蛋白在動物飼料工業(yè)中的應用及展望”的綜述文章，系統(tǒng)總結了單細胞蛋白（single cell protein, SCP）在動物飼料領域的最新研究進展。文章重點介紹了SCP的營養(yǎng)特性、綠色可持續(xù)原料來源及生產(chǎn)工藝的技術突破，并從SCP在畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用效果、潛在優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向等方面進行了闡述。作者希望該綜述能夠為解決蛋白飼料短缺問題、推動畜牧業(yè)綠色發(fā)展及新型飼料資源的開發(fā)應用提供借鑒與思路。

背景介紹

全球人口持續(xù)增長、耕地資源緊張及氣候變化加劇，使蛋白質供需矛盾日益突出。長期以來，豆粕和魚粉是畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要蛋白質來源。然而，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受土地、水資源及漁業(yè)可持續(xù)性限制，傳統(tǒng)蛋白飼料已難以滿足快速增長的需求。與此同時，飼料蛋白生產(chǎn)過程帶來的環(huán)境壓力，如溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化問題，也日益受到關注。SCP作為一種新型蛋白資源，因其高蛋白含量、氨基酸組成合理、原料來源廣泛及生產(chǎn)過程綠色可控，逐漸成為國內外學界和產(chǎn)業(yè)界的關注焦點（圖1）。

圖 1. SCP 的總體利用與全球分布情況

內容簡介

文章綜述了單細胞蛋白的起源與發(fā)展。SCP這一概念誕生于1968年麻省理工學院的一次學術會議，用來取代早期的“微生物蛋白”說法。它指的是利用細菌、酵母、真菌或微藻等微生物培養(yǎng)獲得的高蛋白質生物質。早在一戰(zhàn)期間，德國就曾嘗試用酵母制備食物來緩解糧食短缺。此后，隨著石油化工副產(chǎn)物和農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用，SCP在20世紀60?70年代進入工業(yè)化階段，英國ICI公司更是建成了當時世界最大的生物反應器。盡管“Pruteen”等早期產(chǎn)品因成本問題停產(chǎn)，但SCP憑借高蛋白含量、營養(yǎng)均衡及綠色環(huán)保的優(yōu)勢，如今被聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織正式定義為未來最具潛力的動物飼料與食品蛋白來源之一。

SCP的來源多樣，主要合成SCP的微生物有絲狀真菌、酵母、細菌和微藻。真菌和酵母是最早應用的SCP來源，富含蛋白和維生素，廣泛用于飼料和食品。細菌生長最快，蛋白含量最高，可利用甲烷、甲醇、二氧化碳等“C1原料”，實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)，還能兼顧環(huán)境治理。微藻則因含有高蛋白和ω-3脂肪酸，被譽為“未來蛋白工廠”，同時具備強大的二氧化碳固定能力（圖2）。不同微生物賦予SCP各自的優(yōu)勢：有的富含必需氨基酸，有的能分解秸稈廢棄物，有的改善動物免疫力。通過工藝優(yōu)化與生物工程改造，SCP正成為突破飼料蛋白短缺、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵解決方案。

圖2. SCP微生物來源及其蛋白組成

文章總結了SCP的優(yōu)勢不僅在于“高蛋白”，更在于它能利用各種可再生原料為底物產(chǎn)生SCP（圖3）。從農(nóng)業(yè)廢棄物、果蔬皮渣，到工業(yè)副產(chǎn)物、甲醇、甲烷，甚至二氧化碳，都能被不同的微生物轉化為優(yōu)質蛋白。比如，甲烷菌可以把沼氣變成營養(yǎng)和魚粉相當?shù)牡鞍祝粴溲趸毦苻D化二氧化碳合成氨基酸；而“電-碳-蛋白”系統(tǒng)更是利用綠色電力和CO?，打造未來的零碳蛋白工廠（圖4）。這樣不僅降低成本，還能減少對土地和糧食的依賴，實現(xiàn)“廢物變食物”，為全球蛋白危機提供綠色解決方案。

圖 3. SCP 生產(chǎn)原料與發(fā)酵路徑圖

圖4. CO2合成甲醇并用于SCP生產(chǎn)的途徑示意圖

SCP 生產(chǎn)流程包括 通過原料預處理、菌種選擇與擴培、發(fā)酵培養(yǎng)及后處理，將農(nóng)業(yè)或工業(yè)副產(chǎn)物高效轉化為可食用或可用的蛋白產(chǎn)品（圖 5 ）。隨著科技的進步， SCP 其 生產(chǎn)工藝也在不斷升級。從原料預處理到發(fā)酵方式，再到合成生物學的精準改造，每一步都在變得更高效、更綠色（圖 6 ）。比如，先進的酶法和離子液體預處理，讓農(nóng)作物秸稈、果蔬廢渣都能變身高蛋白資源；膜反應器和智能發(fā)酵系統(tǒng)，大大提升了氣體底物的轉化效率；而通過基因編輯和進化優(yōu)化，科學家還能讓微生物 “ 量身定制 ” ，把甲烷、甲醇甚至二氧化碳轉化為優(yōu)質蛋白?？梢哉f， SCP 正在把 “ 廢物 ” 變 “ 食物 ” ，把 “ 碳排放 ” 變 “ 營養(yǎng) ” ，為未來可持續(xù)飼料開辟新路徑。

圖 5. SCP 的生產(chǎn)工藝流程圖

圖 6. SCP 蛋白生產(chǎn)工藝的改進

此外，微生物產(chǎn)生的SCP蛋白含量高達50%–80%，氨基酸組成接近動物蛋白，還富含B族維生素、礦物質和不飽和脂肪酸，是豆粕和魚粉的有力替代品。更令人驚喜的是，SCP還能提升免疫力、保護腸道健康、促進動物生長，堪稱“功能性蛋白”。在家禽、豬、牛羊和水產(chǎn)養(yǎng)殖中，研究已證明適量添加SCP可顯著改善生長性能、優(yōu)化肉蛋奶品質，還能減少對海洋魚粉等有限資源的依賴。無論是提高產(chǎn)蛋率、改善牛肉營養(yǎng)價值，還是讓三文魚、白蝦更健康生長，SCP都展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。它正在成為綠色養(yǎng)殖的關鍵突破口，讓“廢物變飼料、養(yǎng)殖更可持續(xù)”的未來更近一步。

當然，SCP產(chǎn)業(yè)也面臨菌種穩(wěn)定性、工藝成本、核酸含量及標準體系等挑戰(zhàn)。未來，隨著合成生物學、共培養(yǎng)策略、氣體發(fā)酵與光伏驅動等前沿技術的突破，SCP有望真正走向大規(guī)模應用，為畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖乃至全球食品安全提供綠色、可持續(xù)的解決方案。

西北農(nóng)林科技大學動物科技學院曹陽春教授和中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所吳信研究員為本文共同通訊作者。王臘梅博士為論文第一作者。該工作得到了國家自然科學基金青年科學基金項目（ 3250200693）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFD1300201）、陜西省“杰出青年科學基金”(2024-JC-JCQN-25)、寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目(2023BCF01036)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部青藏高原放牧牦牛藏羊動物營養(yǎng)與飼草料重點實驗室開放基金（2025-YYKF-03 ）資助。

文章信息

王臘梅，王碭碭，蘆晶，等. 單細胞蛋白在動物飼料工業(yè)中的應用及展望 . 科學通報, 2025.

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5190

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5190.

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