科學通報 | 曹陽春/吳信團隊聯合綜述單細胞蛋白在動物飼料領域的應用及展望

近日，西北農林科技大學曹陽春教授團隊在《科學通報》發表了題為“單細胞蛋白在動物飼料工業中的應用及展望”的綜述文章，系統總結了單細胞蛋白（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的營養特性、綠色可持續原料來源及生產工藝的技術突破，并從SCP在畜禽和水產養殖中的應用效果、潛在優勢、產業化面臨的挑戰及未來發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、推動畜牧業綠色發展及新型飼料資源的開發應用提供借鑒與思路。

背景介紹

全球人口持續增長、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養殖的主要蛋白質來源。然而，傳統農業受土地、水資源及漁業可持續性限制，傳統蛋白飼料已難以滿足快速增長的需求。與此同時，飼料蛋白生產過程帶來的環境壓力，如溫室氣體排放和水體富營養化問題，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過程綠色可控，逐漸成為國內外學界和產業界的關注焦點（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獲得的高蛋白質生物質。早在一戰期間，德國就曾嘗試用酵母制備食物來緩解糧食短缺。此后，隨著石油化工副產物和農業廢棄物的高效利用，SCP在20世紀60?70年代進入工業化階段，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”等早期產品因成本問題停產，但SCP憑借高蛋白含量、營養均衡及綠色環保的優勢，如今被聯合國糧農組織和世界衛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”，實現低成本大規模生產，還能兼顧環境治理。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。通過工藝優化與生物工程改造，SCP正成為突破飼料蛋白短缺、實現可持續發展的關鍵解決方案。

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生SCP（圖3）。從農業廢棄物、果蔬皮渣，到工業副產物、甲醇、甲烷，甚至二氧化碳，都能被不同的微生物轉化為優質蛋白。比如，甲烷菌可以把沼氣變成營養和魚粉相當的蛋白；氫氧化細菌能轉化二氧化碳合成氨基酸；而“電-碳-蛋白”系統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“廢物變食物”，為全球蛋白危機提供綠色解決方案。

圖 3. SCP 生產原料與發酵路徑圖

圖4. CO2合成甲醇并用于SCP生產的途徑示意圖

SCP 生產流程包括 通過原料預處理、菌種選擇與擴培、發酵培養及后處理，將農業或工業副產物高效轉化為可食用或可用的蛋白產品（圖 5 ）。隨著科技的進步， SCP 其 生產工藝也在不斷升級。從原料預處理到發酵方式，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；膜反應器和智能發酵系統，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質蛋白?？梢哉f， SCP 正在把 “ 廢物 ” 變 “ 食物 ” ，把 “ 碳排放 ” 變 “ 營養 ” ，為未來可持續飼料開辟新路徑。

圖 5. SCP 的生產工藝流程圖

圖 6. SCP 蛋白生產工藝的改進

此外，微生物產生的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、牛羊和水產養殖中，研究已證明適量添加SCP可顯著改善生長性能、優化肉蛋奶品質，還能減少對海洋魚粉等有限資源的依賴。無論是提高產蛋率、改善牛肉營養價值，還是讓三文魚、白蝦更健康生長，SCP都展現出獨特優勢。它正在成為綠色養殖的關鍵突破口，讓“廢物變飼料、養殖更可持續”的未來更近一步。

當然，SCP產業也面臨菌種穩定性、工藝成本、核酸含量及標準體系等挑戰。未來，隨著合成生物學、共培養策略、氣體發酵與光伏驅動等前沿技術的突破，SCP有望真正走向大規模應用，為畜禽、水產養殖乃至全球食品安全提供綠色、可持續的解決方案。

西北農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)、寧夏回族自治區重點研發計劃項目(2023BCF01036)和農業農村部青藏高原放牧牦牛藏羊動物營養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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