空气变食物：中国科学家实现从一氧化碳到蛋白质的人工合成
中国农业科学院饲料研究所10月30日宣布，我国在一碳生物合成领域取得重大突破性进展：全球首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成，并已形成万吨级工业产能。这一举突破了天然蛋白质植物合成的时空限制，为弥补我国农业最大短板——饲用蛋白对外依存度过高提供了国之利器，同时对促进国家“双碳”目标实现深具意义。
项目首席科学家、中国农科院饲料所研究员薛敏博士介绍，蛋白质的天然合成通常要在植物或植物体内具有固氮功能的特定微生物体内，由自然光合作用形成碳水化合物的糖类，再经过三羧酸循环途径多个复杂的生物转换与酶促反应，形成蛋白质合成需要的氨基酸，进而合成为蛋白质。其中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。
她强调，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，则不受此限，故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前沿科学技术。
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中国农科院饲料所与北京首朗生物技术有限公司经多年联合攻关，突破了乙醇梭菌蛋白核心关键技术，大幅度提高反应速度（22秒合成），创造了工业化条件下一步生物合成蛋白质收率最高85%的世界纪录。
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，“无中生有”制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白，将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳，实现了从0 到1的自主创新，具有完全自主知识产权。
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，“不与人争粮、不与粮争地”，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，可减排二氧化碳2.5亿吨，节省耕地10亿亩（以平均亩产大豆300斤计）。
科学发现中“捅破一层窗户纸”的创新，有时就能发掘出巨大潜能，“‘乙醇梭菌蛋白’成为饲料原料新产品”的案例就是明证。
10月30日，中国农业科学院饲料研究所（以下简称饲料所）与北京首钢朗泽新能源科技有限公司（以下简称首钢朗泽）共同举办新闻发布会，宣布了他们合作研发团队近期取得的突破性进展：在国际上首次实现了从一氧化碳（CO）到蛋白质的合成，并已形成万吨级的工业生产能力。基于合作成果，首钢朗泽凭借乙醇梭菌蛋白一举获得中国第一张饲料原料新产品证书。
捅破“窗户纸”，“废物”竟是宝
“创新成果‘窗户纸’的捅破，来源于饲料所与首钢朗泽的偶然结合。”饲料所饲料加工创新团队首席科学家薛敏向《中国科学报》简要讲述了背后的故事。
数年前，首钢朗泽专注于气体生物发酵合成乙醇工艺研发。研究人员在中试产线上发现，在乙醇分离蒸馏过程中还有一种“麻烦的粘稠的物质”，于是就把它分离出来想要弄清楚其成分。经人指点，首钢朗泽后来把样品送到了饲料所。
不测不知道。饲料所发现，这些险被丢弃的粘稠物居然主要是蛋白质（乙醇梭菌蛋白）。
乙醇梭菌最早是1994年比利时科学家从兔子肠道分离出来、一种可以从一氧化碳产生乙醇的厌氧菌。薛敏告诉记者，它特殊也特殊在这儿：几乎关注能源的人都只关注它能生产乙醇，菌体被当做废弃物丢弃；而专注于蛋白研究的对单细胞蛋白关注点，主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等传统被认为可食用菌种上。因此，乙醇梭菌蛋白在蛋白质领域长期“默默无闻”。
面对这个具有超常黏度的蛋白，饲料所研究团队开始琢磨：它能不能在低淀粉膨化饲料中发挥其功能？于是他们多走了一步：对乙醇梭菌蛋白的功能特性、营养价值、加工适宜性等做了系统研究，发现它的粗蛋白质含量可高达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。
一言以蔽之，该产品具有优异的饲料蛋白质原料特性。饲料所研究团队找来多种养殖鱼类做实验，发现该产品非常适合用作鱼类饲料。
得知这一情况，饲料所与首钢朗泽决心联手攻关，把丢弃的“宝”捡回来。
历经6年研发和论证，从年产300吨到5000吨再到万吨级，首钢朗泽走通了饲料原料新产品从中试到大规模生产的产业化之路，饲料所也在“不经意间”推动了乙醇梭菌蛋白从未知菌体到饲料产业的广泛应用。
工业尾气做原料，22秒“一步生物合成”
该成果的一大亮点是，项目中合成乙醇梭菌蛋白的原料之一为工业尾气，工业尾气中大量的CO是利用乙醇梭菌生产菌体蛋白和乙醇的极佳原料。而工业尾气不仅成本极低，其来源也很是广泛：包括钢厂、铁合金厂、电石厂等等，资源量非常丰富。
据介绍，首钢朗泽旗下北京首朗生物科技有限公司（以下简称首朗生物）利用富含CO的工业尾气，已开发出全新饲料蛋白产品乙醇梭菌蛋白（注册商标“富渔樂”）。该蛋白产品已于8月27日获得农业农村部颁发的新产品证书，这也是我国首张饲料原料新产品证书。
当然，生物合成蛋白不仅需要碳源，还需要氮源。首钢朗泽高级副总裁晁伟介绍说，首朗生物以钢厂尾气中的CO为碳源、氨水为氮源，经优化的厌氧发酵工艺，实现22秒快速转化，高效产出乙醇和乙醇梭菌蛋白，实现了无机物向有机物的一步转化。
“这是迄今国际上发现的最高效生物固碳/固氮生产模式。”薛敏说，22秒是指输入CO合成气，生物转化产出乙醇和菌体蛋白醪液的时间。后续，蛋白醪液经加工制成干粉。
此外，由于乙醇梭菌经空气暴露可全部灭活，菌体经离心浓缩和喷雾干燥后即为乙醇梭菌蛋白产品，生产成本远低于酵母及微藻等单细胞蛋白产品。这也意味着，利用该成果进行微生物高效合成蛋白质，具有显著的性价比优势。
一石三鸟，蛋白“无中生有”意义重大
发布会上，动物营养学家、中国工程院院士印遇龙通过视频连线对该成果的突破性予以肯定：“该成果实现工业化的意义很大，希望团队进一步扩大生产。”
中国农科院饲料研究所所长戴小枫告诉《中国科学报》，一步生物合成饲料蛋白实现工业化生产的意义，在于有助于我国摆脱“大豆进口依赖综合征”和助力实现“碳中和”。
据测算，中国每年至少可产生约1.2万亿立方米富含CO的工业尾气，如将这些工业尾气采用生物发酵技术进行高效清洁利用，可年产乙醇梭菌蛋白1000万吨，用于替代鱼粉和大豆蛋白。
戴小枫说，以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%）计，相当于2800万吨进口大豆当量，这相当于我国大豆年进口量的1/3。同时，人工合成蛋白还开辟了一条“低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质”的新途径，每生产1000万吨该蛋白，相当于减少二氧化碳排放2.5亿吨。
国家粮食和物资储备局科学研究院首席研究员李爱科认为，该成果最大的亮点在于“以微生物蛋白生产来破解蛋白质短缺难题”。
他介绍说，我国从20世纪80年代就将“微生物蛋白生产”列为研究课题，国际上也长期研究从碳化合物合成蛋白的问题，但一直都没能实现产业化，而联合研发团队正是让这一构想成为现实。他说，对我国而言，如果能实现人工合成蛋白更大规模的产业化，将对我国饲料蛋白供应、粮食安全等意义重大。
中国农业科学院生物技术研究所研究员林敏将该成果与生物固氮作了比较，他提出，国际上喜欢将生物固氮比喻成“空气面包术”，那么或许可以将不依赖植物的人工合成蛋白比作“铁罐里生产酒和肉”。
已形成万吨级工业产能，仍有科学问题待解
对于乙醇梭菌蛋白作为饲料蛋白新产品的获批，农业农村部畜牧兽医局饲料饲草处处长黄庆生评价说，该产品通过了全国饲料评审委员会关于其安全性、有效性、环境影响评价的审定，“值得颁发我国第一张饲料原料新产品证书”。
晁伟在发布会上透露，目前，基于该技术成果、经过多年布局，首朗生物已经实现了人工合成乙醇梭菌蛋白中试的三年稳定生产，并于今年完成了万吨级蛋白产能的产线建设。并且，2022年还将进一步扩产，“向3万吨产能进发”。
晁伟告诉《中国科学报》，之所以快马加鞭大幅扩产能，一方面是“理想主义”，希望饲料蛋白新产品的大量推广能够切实降低我国大豆对外依存度、助力“碳中和”；另一方面是“现实需求”，自从部分企业对新产品评估使用、发现其优点之后，“胃口”大增，现在乙醇梭菌蛋白“供不应求”。
10月21~27日，首钢朗泽生物固碳技术作为“碳中和”领域代表技术之一，受邀在“十三五”科技创新成就展“美丽中国展区”参加展览。
不过，戴小枫对《中国科学报》表示，目前联合研发团队虽已取得了重要的研究成果，但还只是“一群幸运的孩子捡到了沙滩上美丽的贝壳”，未来还要对一氧化碳生物合成蛋白质的理论机理、分子作用等科学问题展开深入研究。
薛敏也告诉《中国科学报》，虽然此前与首钢朗泽共同在科技部国家重点研发“蓝色粮仓”项目研究框架中已就“乙醇梭菌蛋白对豆粕的替代”“乙醇梭菌蛋白对水产动物的营养分析”等问题开展了研究，并先后于国内期刊《动物营养学报》及国际期刊《水产养殖研究》《动物饲料科学与技术》等发表了论文，但还有大量科学工作可以开展。她表示，未来在兼顾科学问题研究的过程中，也会关注工程问题的突破，进一步推动科技成果更好地实现向经济主战场的转化。
相关参考文献：
论文：
1. 乙醇梭菌蛋白替代豆粕对草鱼生长性能及血浆生化指标及肝胰脏和肠道组织病理的影响. 动物营养学报, 2018, 30,4190-4201
2. 黑鲷幼鱼饲料中单细胞梭菌蛋白代替部分鱼粉的研究，DOI：10.1111/are.14446
3. 饲料中添加新型乙醇梭菌蛋白对建鲤幼鱼生长性能、抗氧化能力和免疫力均有显著的促进作用，DOI：10.1016/j.aqrep.2020.100572
4. 饲料中添加同源乙醇梭菌蛋白对吉富罗非鱼幼鱼的肠道吸收、抗氧化状态和免疫反应的调节，DOI：10.1111/are.15454
5. 饲料中添加乙醇梭菌蛋白对养殖罗非鱼幼鱼生长、体成分、血浆参数指标的改善及与生长和肝脏相关基因AMPK/TOR/PI3K信号通路的影响，DOI：10.1016/j.anifeedsci.2021.114914
