22秒，鋼鐵企業生產尾氣中的一氧化碳經厭氧發酵，就能產出乙醇和乙醇梭菌蛋白。我國科學家突破自然光合固碳、固氮系統利用太陽能、反應速度緩慢的局限，突破了天然蛋白質物合成的時空限制，在國際上首次實現利用一氧化碳合成蛋白質。中國農業科學院飼料研究所（以下簡稱“農科院飼料所”）和北京首鋼朗澤科技股份有限公司（以下簡稱“首鋼朗澤”）經過多年共同研究攻關，率先突破工廠化條件下利用一氧化碳一步法生產蛋白質，并已形成萬噸級的工業生產能力。首朗生物開發的全新飼料蛋白產品已于去年獲得農業農村部頒發的新產品證書，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，中國大豆以后不用依賴進口了。”“無中生肉，尾氣也可以做出四菜一湯了。”同時，也有質疑聲音，這是真的嗎？到底是怎么生產出來的？是否已經產業化了？

蛋白人工合成取得新突破

　　一氧化碳，公認的有害氣體。蛋白質，生物體內一切細胞、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，卻被中國農業科學院研究團隊用一種物質連接到一起。這種物質，就是在“一氧化碳合成蛋白質”中起關鍵作用的乙醇梭菌。

　　早在1994年，科學家在乙酸梭菌中加入一氧化碳進行液態發酵，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，最主要的原料只有三種：一氧化碳、乙醇梭菌、氨水。其中，乙醇梭菌承擔著“發酵”的重任。而發酵過程中，一氧化碳和氨水則會經過氧化反應形成蛋白質的重要組成部分——氨基酸。通過對這個液態發酵液的進一步培養、離心和干燥，就能獲得結構簡單的乙醇梭菌蛋白。這是一個非常緩慢且低效的過程。

　　農科院飼料所飼料加工創新團隊首席科學家薛敏介紹，早在20世紀90年代，國外就開始研究利用乙醇梭菌等食氣菌以一碳氣體為碳源生產小分子醇類產品，但未關注菌體本身作為蛋白質飼料的可能性。大多數能源研究集中在用一氧化碳生物發酵合成乙酸、乙醇、異丙醇等化學品，對菌體合成蛋白質及其功能性研究很少，菌體蛋白大多被當作廢棄物丟棄；而單細胞蛋白研究關注點主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等傳統被認為可食用的菌種上，導致了乙醇梭菌蛋白在蛋白質領域長期“默默無聞”。

　　我國科學家卻讓這個過程所需的時間大大縮短。經過中國農業科學院研究團隊的優化，目前，這個過程已經被縮短到22秒，且獲得率高達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尾氣，工業尾氣中大量的一氧化碳是利用乙醇梭菌生產菌體蛋白和乙醇的極佳原料。而工業尾氣不僅成本極低，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。

　　據介紹，由首鋼朗澤開發出的全新飼料蛋白產品已于2021年8月獲得農業農村部頒發的新產品證書，這也是我國首張飼料原料新產品證書。

　　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，經優化的厭氧發酵工藝，實現22秒快速轉化，高效產出乙醇和乙醇梭菌蛋白，實現了無機物向有機物的一步轉化。

　　此外，由于乙醇梭菌經空氣暴露可全部滅活，菌體經離心濃縮和噴霧干燥后即為乙醇梭菌蛋白產品，生產成本遠低于酵母及微藻等單細胞蛋白產品。這也意味著，利用該成果進行微生物高效合成蛋白質，具有顯著的性價比優勢。

破解蛋白質短缺難題

　　動物飼料里兩類東西必不可少：玉米和豆粕。行業一直在探索研發優質、易獲得、穩定廉價的蛋白質飼料。為支撐我國規模龐大的養殖業，2021年我國飼料產量達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含量，據簡單估算需要純蛋白質飼料8000萬噸。

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

　　據了解，乙醇梭菌蛋白不僅具備優良的營養價值和加工特性，其環保價值也非常亮眼。乙醇梭菌蛋白的蛋白質含量高達80%以上，18種氨基酸占蛋白質比例達到94%，10種必需氨基酸含量及結構比例接近魚粉并遠優于豆粕，具有優異的蛋白質原料特性。乙醇梭菌蛋白的營養價值和目前水產行業普遍認為營養價值最好的原料魚粉接近，且遠超于豆粕。相關專家表示，乙醇梭菌蛋白的推廣應用能夠大大降低中國對進口飼用蛋白原料的依賴程度，以工業化生產1000萬噸乙醇梭菌蛋白計，可減少2800萬噸大豆進口量。

　　農科院飼料所所長戴小楓指出，一步生物合成飼料蛋白實現工業化生產，有助于我國擺脫“大豆進口依賴綜合征”和實現“碳中和”。

　　李愛科認為，該成果最大的亮點在于“以微生物蛋白生產來破解蛋白質短缺難題”。他介紹說，我國從20世紀80年代起就將“微生物蛋白生產”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，但一直都沒能實現產業化，而聯合研發團隊讓這一構想變為現實。生物合成蛋白更大規模的產業化對我國飼料蛋白供應、糧食安全等意義重大。

打通產業化之路

　　在河北曹妃甸這個填海造地“長”出來的小島上，鋼電園區內矗立著首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司一座座高聳的高爐，不遠處就是首鋼朗澤的河北分公司。該公司副總經理張春悅指著一排20多米高的發酵罐介紹，我國是世界上最大的鋼鐵冶金生產國，在工業冶煉過程中會產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，經過預處理后進入發酵罐，乙醇梭菌和尾氣在里面進行快速反應，產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建成全流程鋼鐵工業尾氣生物發酵中試示范裝置（年產乙醇300噸）。經過持續不斷的N輪試驗，終于打通了全系統工藝流程。中試成功后，2016年，全球首套年產4.5萬噸鋼鐵工業尾氣生物發酵法制燃料乙醇大工業裝置動工。2018年5月，一次調試成功產出燃料乙醇合格產品；6月，首次產出乙醇梭菌蛋白，走通了飼料原料新產品從中試到大規模生產的產業化之路。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化成功，建成了像目前的商業化工廠，也是全球首套從實驗室轉化成了工業化生產。而且發酵菌體對于氣源的適用性很強，所以可復制性比較強。新技術可實現二氧化碳減排33%以上，氮氧化物減排90%以上，對于實現“碳達峰”“碳中和”目標具有重要作用。

　　河北首朗新能源科技有限公司總經理宋慶坤介紹，新技術實現了從零到一的自主創新和從一到N的快速復制，開辟了一條低成本非傳統動植物資源生產優質飼料蛋白的新途徑，公司計劃在不遠的將來，至少要實現100萬噸乙醇和10萬噸飼料蛋白的產能規模，屆時每年可節約糧食300萬噸，耕地約800萬畝，每年可替代化石能源達到200萬噸以上，減少碳排放達到250萬噸以上。

　　（高娜 綜合整理）