氨化秸秆原料生产单细胞蛋白饲料研究开发

为贯彻习近平总书记关于“保障粮食安全，要在增产和减损两端同时发力，持续深化食物节约各项行动”的重要指示精神，落实《中共中央、国务院关于做好2023年全面推进乡村振兴重点工作的意见》关于深入实施饲用豆粕减量替代行动要求，持续推进饲用豆粕减量替代，我们提出了本研究方案。研究以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻落实党的二十大精神，完整、准确、全面贯彻新发展理念，树立大食物观，以低蛋白、低豆粕、多元化、高转化率为目标，聚焦“提质提效、开源增料”，统筹利用植物动物微生物等蛋白饲料资源，推行提效、开源、调结构等综合措施，加强饲料新产品、新技术、新工艺集成创新和推广应用，引导饲料养殖行业减少豆粕用量，促进饲料粮节约降耗，为保障粮食和重要农产品稳定安全供给作出贡献。本项目将创建一种使用现有的农业废弃物（玉米秸秆）高效合成微生物蛋白的新技术，利用包含氢氧化钠、尿素等碱性物质和产纤维素等降解酶和淀粉合成酶的微生物，与酿酒酵母等进行联合生物转化，可以把玉米秸秆中的纤维素高效水解成糖、淀粉，同时在有氧或无氧条件下低成本发酵生产微生物蛋白。本项目的生物制造过程中无须辅酶和能量输入，没有糖损失以及设备投资小，为满足微生物蛋白生物合成的经济性要求提供了可能。本项目的研发将减少豆粕等产品的使用，减少秸秆燃烧造成的碳排放，为低碳发展贡献一份力量，本项目研发整装成套的固废资源化利用技术，形成固废问题创新性解决方案，为提高我国资源利用效率，支撑生态文明建设做出贡献。

（1）秸秆的前期氨碱复合处理的研究

    选择适当的氨化物与碱，通过OH-离子打断木质素和半纤维素之间的酯键，使大部分木质素、部分半纤维素溶于碱，把镶嵌在木质素-半纤维素复合物中的纤维素释放出来，提高消化率。有机物与氨发生氨解反应，破话木质素与纤维素/半纤维素之间的酯键，并形成铵盐，为后期的微生物利用提供基质。

（2）秸秆产SCP后期复合菌系的研究

   选择产纤维素等降解酶和淀粉合成酶的微生物，与酿酒酵母等进行联合生物转化，把玉米秸秆中的纤维素高效水解成糖、淀粉，同时在有氧或无氧条件下低成本发酵生产微生物蛋白。并研究适宜的发酵条件与生产工艺。

单细胞蛋白（SCP)是利用各种工农业生产废弃物和其他养分对细菌、酵母、微藻等单细胞生物以及霉菌等结构简单的多细胞生物进行大规模培养得到的蛋白质资源。SCP主要是微生物的细胞质团，除了蛋白质，还含有脂质、碳水化合物、核酸、无机盐和维生素等成分。对于SCP的研究有助于缓解世界性的饲料资源紧缺和危机。传统农业生产需要消耗相当多的土地、淡水和燃料等资源;而种植业使用的化肥、畜牧业排放的废物等还会带来环境问题。因此，通过细胞培养获得蛋白质及其他营养物质成为了现代农业的发展方向之一，特别是SCP。作为微生物来源的蛋白质替代资源，SCP包含所有动物需要的必需氨基酸，还含有维生素和较为丰富的微量元素。此外，SCP的生产不受气候、地理和水文等环境条件的制约，可利用各种废弃物和廉价的其他底物，已经成为占地面积较小、生产效率较高的工业化生产模式。总之，对各种SCP产品的开发与利用已经成为解决蛋白质饲料资源缺乏的重要途径。

    酵母菌在SCP中的应用。用于SCP生产的真菌主要是酵母菌。它在发酵工业中的应用较为成熟，既能进行有氧发酵又能进行无氧。利用酵母菌生产SCP的一个突出优势是同种真菌能够生长的基质种类多样，包括纤维素类生物质、畜禽粪便、工业废水和石油副产品等固液废弃物。同时，酵母能够生长的适宜pH与温度范围较广，具有良好的环境与产物耐受性，在利用废物原料进行发酵生产上具有优势。不同的基质类型与处理方式会显著影响酵母的生长状况与蛋白质含量，因此需要针对不同的生产原料进行发酵工艺优化。一般纤维素类生物质价格低廉、较好取得，但是需要经过酶解或水解等预处理。例如，通过产自溶纤维素顶孢菌的纤维素酶处理稻草或是利用自水解联合酶法处理纸桑的枝条后，再利用酿酒酵母进行发酵，这不仅提高了纤维降解的效率，还能通过酶解底物产生促进酿酒酵母生长的寡糖和可溶性多糖。在脱蛋白马铃薯废水中添加5%的甘油可以使产朊假丝酵母的SCP产量显著升高，但继续提高甘油的浓度(10%～25%)却会抑制酵母的生长。酵母的营养丰富，含有动物需要的所有必需氨基酸，其中苏氨酸和赖氨酸含量较高，不过蛋氨酸含量较低。除了蛋白质，酵母SCP还富含B族维生素，一些酵母还会产生其他维生素，例如解脂耶氏酵母含有维生素E，产朊假丝酵母富含麦角甾醇(维生素D前体)。目前，我国允许作为饲料添加剂使用的酵母有酿酒酵母和产朊假丝酵母2种。酿酒酵母是生物技术研究中的模式生物，也是目前工业生产中使用最广泛的酵母菌种;产朊假丝酵母的生物质中富含谷氨酸，可以代替谷氨酸钠作为增味剂使用。

     秸秆在SCP生产中的应用。我国农业生产规模巨大，在生产活动中会产生大量的副产物，其中一大类是以秸秆为代表的废弃植物茎秆。秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素相互交联，使其具有很高的机械强度。利用以酵母为代表的单一菌株发酵秸秆具有方法简单、成分安全的优势，但是酵母产生的纤维素酶、半纤维素酶较少，对秸秆降解不完全。因此，目前主要利用混合菌种对高纤维类原料进行发酵。其中，霉菌生产纤维素酶分解原料;芽孢杆菌分泌胞外酶降解抗营养因子;酵母菌主要生产SCP，其代谢产物还能为细菌提供营养物质;乳酸菌产生的有机酸可以降低发酵系统的pH，抑制一些有害细菌和真菌的增殖等。

   SCP在畜禽饲粮中的应用。目前，SCP对单胃动物的饲喂试验以肉鸡为代表。由于肉鸡生长快、饲料需求大、对蛋白质质量要求高，因此除了需要以豆粕为代表的植物蛋白质外，还要补充部分氨基酸。研究表明，利用饲粮添加5%的产甲烷菌来源SCP替代豆粕或鱼粉后，肉鸡的平均体重与料重比提高，且十二指肠的绒毛长度和隐窝深度显著增加，肠道形态有所改善。饲喂反刍动物的蛋白质饲料以豆粕为主，通过在饲粮中添加酵母生产的SCP部分替代豆粕是扩展蛋白质饲料来源的有效途径。研究表明，适量的酵母SCP不会对奶牛的生产效率产生显著影响，也不会降低牛奶的质量。在饲粮中添加酵母SCP和缓释尿素，部分替代豆粕后，奶牛的干物质摄食量和产奶量均无显著变化，同时奶牛的氮素利用效率显著提高。基于不同的SCP具有的独特性质，可以开发适于不同种类和不同阶段的单胃动物及反刍动物蛋白质饲料，提高畜牧生产的效率和产品质量。

  总之，SCP作为良好的替代蛋白质饲料，还需要具有更低廉的价格、更安全的成分以及更清晰的应用优势，从而推广应用范围，减少畜牧业生产成本，进而缓解目前的蛋白质资源紧张问题。

参考文献

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（1）技术路线

（2）拟解决的问题

   由于秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素相互交联，使其具有很高的机械强度。利用以酵母为代表的单一菌株发酵秸秆具有方法简单、成分安全的优势，但是酵母产生的纤维素酶、

半纤维素酶较少，对秸秆降解不完全，本研究拟通过氨碱-产纤维素酶微生物-酵母符合处理解决此问题。

（3）预期成果

 (1)参加创新创业大赛；发表1篇文章。

（2）形成一套以秸秆为底物高效生产SCP技术。

2023.12-2024.12 ：以秸秆为底物生产SCP技术的研发。

2024.12-2025.12 ：参加创新创业大赛以及发表学术论文；进行结题报告撰写。