随着畜牧业不断发展，我国蛋白饲料需求量逐渐增加。因此，利用现代微生物技术生产优质且廉价的蛋白饲料成为研究热点，微生物蛋白在解决世界粮食与蛋白饲料短缺问题方面具有较大潜力。1968年美国麻省理工的科学家首次在会议上提出将单细胞蛋白（single cell protein，SCP）作为微生物蛋白的最佳替代术语[1]。SCP是指在适宜的条件下，利用各种基质培养微生物获得的菌体蛋白。SCP的生产菌种包括：细菌、真菌、酵母和藻类。其中，真菌、细菌和酵母菌具有较快的生长速度和较高的蛋白质含量，是SCP的主要生产菌种。SCP中30%~80%为蛋白质，还含有碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质等其他的营养素[2]。同时，SCP富含赖氨酸、蛋氨酸等多种必需氨基酸，这些必需氨基酸不仅可以加工成食品，为人类提供营养[3]，还可用于饲料加工应用于水产养殖和畜牧业中，以提高饲料的消化率，且较传统动植物蛋白具有一定的优势。在工业和农业生产中，使用废物和副产物等不同的有机氮源，并利用环境中的无机氮源生产单细胞蛋白，进而转化为人类和动物的宝贵食品或饲料产品，不仅对环境友好，还是一种健康的商业活动。但由于野生菌种的性能较低和廉价原料开发困难，限制了SCP的产量。随着现代生物技术发展，利用诱变育种手段进行改造可获得高产蛋白的突变株，从而提高SCP的产量。利用农产品固废生产SCP不仅能够促进农业增效，使农民增收，实现农业经济的可持续发展，对于促进节能减排、保护生态环境、减少大气污染也具有重要意义。文章对近年来SCP生产技术的应用研究进行归纳，系统总结SCP生产菌种及育种技术、SCP生产原料和SCP在饲料中的应用，为SCP在我国饲料中的进一步应用与推广提供参考。1单细胞蛋白生产菌种及产量提高技术1.1细菌细菌具有繁殖速度快和适应性强的特点，能够在20~120 min内迅速繁殖，可利用的原料也十分广泛，主要为石油衍生物和纤维性物质，其SCP含量高达50%~80%（干重）[4]。Chumpol等[5]利用紫色非硫细菌（purple nonsulfur bacteria）生产SCP，与虾饵料混合饲喂白对虾，不仅促进了虾的生长，还提高了存活率。Kurbanoglu等[6]利用蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）NRRLB-3711、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）NRRLNRS-744和大肠杆菌（Escherichia coli）于30 ℃条件下在公羊角水解液中进行发酵，获得的SCP含量分别为68%、71%和66%。Øverland等[7]利用甲烷球菌（Methylococcus capsulatus、Ralstoniasp、Brevibacillus agri、Aneu rinibacillus sp.）以甲烷为底物产生的蛋白含量为67%~73%。Zha等[8]选取甲基单胞菌（Methylomonas）和嗜甲基菌（Methylophilus）在废水中发酵，获得的干物质蛋白含量高于41%，并且含有多种必需氨基酸。各种细菌生产的SCP蛋白含量见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.T001表1各种细菌生产的SCP蛋白含量细菌蛋白含量/%文献来源Bacillus cereus68.0Kurbanoglu等[6]Bacillus subtilis71.0Kurbanoglu等[6]Escherichia coli66.0Kurbanoglu等[6]Methylococcus capsulatus、Ralstonia sp.、Brevibacillus agri、Aneurinibacillus sp.67.0~73.0Øverland等[7]Methylomonas、Methylophilus41.0Zha等[8]Bacillus subtilis sp.26.0Wongputtisin等[9]Bacillus licheniformis38.0Liu等[10]Rhodopseudomonas sp.11.0Soon等[11]Rhodopseudomonas blastica66.7Kornochalert等[12]Rhodobacter sphaeroides Z0852.0He等[13]Bacillus pumilis46.0Liu等[14]Haloarcula sp. IRU176.0Taran等[15]1.2真菌真菌含有多种营养物质且菌体较大，被广泛应用于SCP的生产。真菌的菌体蛋白含量为30%~60%，且富含氨基酸，符合粮农组织关于人类营养中的蛋白质和氨基酸的标准[16]。真菌SCP除能够提供蛋白质外，还可以提供B族维生素。常亮等[17]选取白地霉（Geotrichum candidum）、啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、根霉菌（Rhizopus oryzae）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和绿色木霉（Trichoderma viride）在苹果渣培养基上进行固态发酵（SSF），苹果渣蛋白质含量由7.985 mg/g提高至15.149 mg/g。张海静[18]选取黑曲霉（Aspergillus niger）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、产朊假丝酵母（Candida utilis）和白地霉（Geotrichum candidum）发酵酱油渣。结果显示，获得发酵产物中真蛋白含量达到32.11%，粗纤维含量降低至16.82%，较发酵前相比，真蛋白含量提高30.5%，粗纤维含量降低44.8%，并且粗蛋白含量达到36.55%。黑曲霉（Aspergillus niger）等真菌生产的SCP蛋白含量见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.T002表2各种真菌生产的SCP蛋白含量真菌蛋白含量/%文献来源Aspergillus niger、Bacillus subtilis、Candida utilis、Geotrichum candidum36.55张海静[18]Aspergillus niger、Penicillium32.17苏玲[19]1.3酵母菌酵母菌是目前生产SCP的多种微生物中，应用最为广泛的一类。酵母菌的菌体蛋白含量为45%~55%，具有菌体大和营养质量高等优点。且酵母菌的发酵底物来源广泛，多种工业废弃物、下脚料物质以及生活垃圾和水果、食物残渣均可应用于进行发酵生产酵母菌SCP。Aggelopoulos等[20]利用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）在食品工业废物（糖蜜和啤酒糟）中进行发酵，所得SCP含量为39%。Zhao等[21]利用产朊假丝酵母（Candida utilis）在辣椒粉废弃物中进行发酵，生产SCP蛋白含量为29%。Agnieszka等[22]利用产朊假丝酵母（Candida utilis）在马铃薯废水上发酵，获得的蛋白含量为49%。乔君毅等[23]利用产朊假丝酵母（Candida utilis）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）在豆渣中进行发酵，获得的蛋白含量为27.05%。产朊假丝酵母（Candida utilis）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等酵母菌生产的SCP蛋白含量见表3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.T003表3各种酵母菌生产的SCP蛋白含量酵母菌蛋白含量/%文献来源Saccharomyces cerevisiae39.00Aggelopoulos等[20]Candida utilis29.00Zhao等[21]Candida utilis49.00Kurcz等[22]Candida utilis、Saccharomyces cerevisiae27.05乔君毅等[23]Hansenula anomalaJ-125.91杨丽华等[24]Candida krusei、Kluyveromyces marxianus48.00Yadav等[25]Candida tropicalis56.00Gao等[26]Candida utilis48.00Jalasutram等[27]Hanseniaspora uvarum49.00Hashem等[28]Yarrowia lipolytica48.00~54.00Cui等[29]Wickerhamiella domercqiae30.46鲁旭锋等[30]1.4藻类藻类是自养型生物，具有广泛的遗传多样性特征。藻类生长需要无机营养物质（主要为氮和磷）、水和二氧化碳。藻类粗蛋白含量在30%~80%之间[31]，不仅能生产蛋白质，还可以提供ω-3脂肪酸、矿物质盐和维生素[32]。Jadeja等[33]在苏打水工业废水中发酵藻类，获得产物的蛋白含量14.0%~18.2%。Ys等[34]培养盐藻（Dunaliella salina）获得蛋白质含量为5%~97%。Muys等[35]发现，小球藻（Chlorella）和螺旋藻（Spirulina）获得的蛋白含量分别为47.8%和48.4%。各种藻类生产的SCP蛋白含量见表4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.T004表4各种藻类生产的SCP蛋白含量藻类蛋白含量/%文献来源Chaetomorpha antennina14.0~18.2Jadeja等[33]Ulva fasciata13.7~18.6Jadeja等[33]Dunaliella salina5.0~97.0Ys等[34]Chlorella47.8Muys等[35]Chlorellasp.14.4~52.3Putri等[36]Chlorella salina51.0Spalvins等[37]Spirulina48.4Muys等[35]1.5诱变技术在提高单细胞蛋白产量中的应用SCP作为一种可持续、可再生的蛋白质资源具有良好的应用前景。SCP具有蛋白含量高、富含必需氨基酸和多种维生素等特点，但SCP的产量、生长速率以及发酵过程中的遗传稳定性和终产物的回收率仍是目前所面临的问题。通过多种诱变手段，提高SCP产量、生长速率和发酵过程中的遗传稳定性成为趋势。马霞飞等[38]研究采用紫外诱变的技术手段，通过筛选得到高产蛋白的酿酒酵母菌M（Saccharomyces cerevisiae strain YI59）和N2（Saccharomyces cerevisiae isolate AA2）。张立宏等[39]以酿酒酵母（Saccharomy cescerevisiae）与产朊假丝酵母（Candida utilis）为出发菌株，通过紫外诱变得到两株蛋白产量显著提高且性能稳定的突变株。常用诱变技术的特点对比见表5。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.T005表5常用诱变技术的特点对比诱变技术技术特点文献来源物理诱变紫外诱变应用最早、最广泛，致突变作用最明显，可长期使用；还具有突变率高、恢复突变困难、使用方便经济等特点张立宏等[39]ARTP具有操作简单、安全、环保、突变率高、突变池容量大等特点张雪等[40]、穆航帆[41]重离子辐照具有能量和质量沉积以及典型的布拉格峰的作用，还具有其他常规辐射源所不具备的优点，如能量转移的线性密度高、相对生物效率高、损伤后修复效果小，反映了生物体具有突变率高、突变谱广、突变稳定、周期短等特点刘秀梅等[42]、梁英等[43]化学诱变与物理诱变相比，化学诱变具有广泛的菌株范围，由于其与菌株DNA的相互作用而引起碱基变化，故化学试剂诱变相对更具特异性马霞飞等[38]本课题组前期以酿酒酵母和产朊假丝酵母为出发菌株，通过高压芒刺电场和重离子诱变筛选得到高产蛋白的突变菌株，发酵反刍动物饲料，显著提高了饲料蛋白含量[42]。2单细胞蛋白的生产原料微生物发酵合成SCP的原料较为广泛，主要分为能源类物质、温室气体及废弃生物质。如多种工业废弃物、下脚料物质（淀粉、糖蜜等），生活垃圾和水果、可燃废物或副产品（天然气、石油副产品、乙醇、甲醇、生物质等）以及二氧化碳等温室气体[44]。目前多为利用微生物发酵农业废弃物生产SCP，以弥补饲料蛋白的空缺。玉米秸秆经过酸解后发酵，产品蛋白含量可提高4倍，粗纤维分解率超过50%[45]。菌酶协同发酵工艺可将农业废弃物中的某些营养物质进行更为充分的降解和发酵，不仅改善了饲料风味和适口性，还可以提高饲料原料的利用价值[46]。随着现代微生物技术的创新突破和节能减排理念的推广，能源类物质和温室气体成为可被微生物利用的碳源。目前全球二氧化碳的排放量已严重超标，运用碳捕集、利用及封存（CCUS）技术[47]将其储存并应用于微藻等光合微生物的生长，通过现代微生物技术转化为高质量SCP。研究发现，利用甲烷球菌（Methylococcus capsulatus、Ralstonia sp、Brevibacillus agri、Aneurini-bacillus sp.）以甲烷为底物产生的蛋白含量为67%~73%[13]。目前，可利用CO2生产SCP的微藻主要包括螺旋藻（Spirulina）、巴夫藻（Pavlova）和等边金藻（Isochrysis）等[48]。Rasouli等[49]选取微藻和甲烷氧化菌共同处理工业废水，最终回收营养物质，并将其转化为质量合格的饲料级产品。因此，通过微生物技术转化温室气体，不仅能够有效缓解碳排放，还可以实现对碳源的循环再利用。虽然能源类物质和温室气体合成SCP的附加值较高，但对工艺也具有一定要求。好氧性甲烷菌及微藻的SCP生产工艺流程[50]见图1、图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.F001图1好氧性甲烷菌SCP生产工艺流程10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.030.F002图2微藻SCP生产工艺流程3SCP的应用人类饮食中65%的蛋白质从植物中摄取，35%从动物中摄取[51]。SCP生产成本低、工艺简单、营养丰富，是满足全球蛋白质需求的有效方案。SCP含有丰富的蛋白质及多种维生素和无机盐，可直接作为食品生产饼干、饮料和奶制品，可作为食品蛋白质组分添加到汤料或饮料中强化营养[52]。SCP还可以作为补充蛋白质、维生素和无机盐的食品添加剂。由于人类对肉类蛋白的需求不断增加，导致畜牧业、水产养殖业压力增大，蛋白饲料缺乏成为首要问题。而SCP中含有的高蛋白含量、多种维生素和必需氨基酸可以替代部分常规蛋白饲料。3.1单细胞蛋白在水产饲料中的应用Hansen等[53]发现，将产朊假丝酵母菌作为大西洋鲑鱼饵料中的蛋白质成分，能够提高大西洋鲑鱼的生长性能，对存活率及健康均无显著影响，且大西洋鲑可以更好地消化吸收蛋白。Salze等[54]通过试验发现，SCP可以作为鲑鱼饵料中蛋白质成分，同时促进鲑鱼的消化吸收。Teuling等[55]研究发现，在饲喂罗非鱼幼鱼的饵料中添加处理过的微藻SCP，提高了罗非鱼幼鱼的消化率。Yossa等[56]研究发现，在罗非鱼饵料中添加SCP可提高饵料营养利用率，同时降低了饲料成本。研究发现，在饲喂虹鳟鱼鱼苗过程中添加细菌SCP，鱼苗的体重较饲喂鱼粉的鱼苗体重有所增加[57-58]。Chen等[59]研究表明，在黑鲷鱼饵料中添加SCP，对其生长性能、抗氧化能力和消化酶活性无不良影响。Biswas等[60]研究发现，在日本黄尾鱼饵料中添加细菌SCP对黄尾鱼的生长性能无显著影响，表明细菌SCP是一种安全有效的蛋白质来源。在凡纳滨对虾饵料中添加酿酒酵母，对其生长及消化无显著影响[61-62]。Chen等[63]研究表明，在凡纳滨对虾饵料中添加水解酵母和地衣芽孢杆菌，对虾的生长性能无显著影响，但对其肠道健康和免疫应答产生了积极影响。Li等[64]研究发现，以丁酸梭状芽孢杆菌活细胞饲喂南美对虾，对虾的生长性能、免疫能力和对溶血性弧菌的抵抗力得到改善。研究表明，在太平洋白对虾饵料中添加SCP，对虾的生长性能、饲料利用率和存活率均无不利影响[65-66]。Hamidoghli等[67]研究发现，在南美白对虾饵料中添加SCP，对虾体重增加，生长率和饲料转化率显著提高。上述研究均表明，SCP具有作为水产蛋白饲料的潜力。3.2单细胞蛋白在单胃动物饲料中的应用Pourelmi等[68]研究表明，在饲喂肉鸡时添加SCP可以降低饲料成本。Hombegowda等[69]研究发现，在肉鸡日粮中添加5%的SCP替代豆粕，有利于改善肉鸡的生长速度、胸肌产量和肠道健康状况，并且能够改善肉鸡冷冻储存的口感。Ndazigaruye等[70]研究表明，在肉鸡饲料中添加克氏芽孢杆菌能够提高肉鸡的生长性能。Khan等[71]研究发现，饲喂肉鸡时使用SCP替代豆粕蛋白，肉鸡的饲料转化率未受影响，表明SCP可作为肉鸡的饲料来源。研究表明，日粮中添加SCP对肉鸡的血液、骨骼和肉质无不良影响[72-73]。Pourelmi等[74]通过试验发现，在肉鸡日粮中添加SCP，低添加量时对肉鸡生长性能无影响，而高添加量则会提高肉鸡的死亡率。尹秀娟等[75]发现，使用3%的单细胞蛋白和蛋白肽替代鱼粉饲喂断奶仔猪，其生长性能、养分消化和肠道形态与饲喂正常日粮水平类似。Tan等[76]研究发现，日粮中添加酵母SCP可以提高母猪的采食率。3.3单细胞蛋白在反刍动物饲料中的应用Ndaru等[77]发现，日粮中添加SCP能够促进大尾寒羊的生长，提高饲料转化率。Mezzetti等[78]研究发现，在哺乳期奶牛饲料中添加SCP，对其瘤胃和肝脏具有积极作用。Somboonchai等[79]研究表明，在肉牛饲料中添加豆粕SCP，对浓缩物的摄入量、消化率和肉质无不良影响，但可以降低饲料的成本。Zhang等[80]研究发现，在肉牛饲料中添加酵母SCP可使瘤胃pH值保持稳定。Phesatcha等[81]研究表明，日粮中添加酵母SCP可以提高肉牛的采食量。综上所述，SCP作为反刍动物饲料，可提高瘤胃的缓冲能力、降低瘤胃pH值，并稳定瘤胃微生物区系。4展望SCP是蛋白质的良好替代品，因SCP含有大量动物体内的必需氨基酸且生产成本较低，具有较好的发展前景。利用合成生物学和发酵工程等生物技术，将温室气体作为生产SCP的原料，具有重要的经济价值和社会意义。因此，未来可应用前沿科学技术选育优质微生物菌种，扩大生产SCP原料的规模，加大高效低耗新型发酵反应装置研究力度，进一步优化SCP的生产工艺，使SCP在动物饲料中的应用更为广泛，改善畜牧、水产养殖业蛋白饲料资源短缺的形势。