甲烷氧化菌产单细胞蛋白及其在水产饲料中的应用.pdf
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1、水产动物2023年第44卷第22期 总第691期甲烷氧化菌产单细胞蛋白及其在水产饲料中的应用 宋增武1 孙立瑞1 锁博海1 刘思淼1 葛怿泽1 辛嘉英1,2*(1.哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨 150076;2.中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室,甘肃兰州 730000)摘 要:随着我国水产行业的迅速发展,鱼粉蛋白资源出现严重匮乏,开发新型非粮蛋白饲料成为解决蛋白资源短缺的重要途径。甲烷氧化菌生产的单细胞蛋白因其高蛋白、低脂肪、不饱和脂肪酸含量高、必需氨基酸种类丰富等特点,已成为水产养殖中动、植物蛋白的良好替代品。文章主要综述了甲烷氧化菌产单细
2、胞蛋白的研究现状、营养特性以及对水产动物的生长性能、饲料转化率、肠道健康等方面的影响,并对甲烷氧化菌产单细胞蛋白的应用前景进行展望,为甲烷氧化菌产单细胞蛋白的开发与利用提供理论参考。关键词:甲烷氧化菌;甲烷;单细胞蛋白;水产饲料;应用doi:10.13302/ki.fi.2023.22.011中图分类号:S816.4 文献标识码:A 文章编号:1001-991X(2023)22-0064-08Single Cell Protein Production by Methane-Oxidizing Bacteria and Its Application in AquafeedsSONG Zeng
3、wu1 SUN Lirui1 SUO Bohai1 LIU Simiao1 GE Yize1 XIN Jiaying1,2*(1.Key Laboratory for Food Science and Engineering,Harbin University of Commerce,Heilongjiang Harbin150076,China;2.State Key Laboratory for Oxo Synthesis&Selective Oxidation,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Science
4、s,Gansu Lanzhou 730000,China)Abstract:With the rapid development of aquatic industry in our country,there is a serious shortage of fishmeal protein resources,and the development of new non-food protein feeds has become an important way to solve the shortage of protein resources.Single-cell protein p
5、roduced by methane oxidizing bacteria has become a good substitute 作者简介:宋增武,硕士,研究方向为发酵与生物催化。*通讯作者:辛嘉英,教授,博士生导师。收稿日期:2023-07-18基金项目:中央支持地方高校改革发展资金人才培养支持计划项目(高水平人才)304017;黑龙江省自然科学基金项目LH2020C06317 HOYLE R J.Digestive secretion after dietary variation in the American lobster(Homarus americanus)J.Journal
6、 of the Fisheries Research Board of Canada,1973,30:1647-1653.18 VAN WORMHOUDT A,CECCALDI H,MARTIN B.Adaptation of the level of hepatopancreatic digestive enzymes in P.serratus to the composition of experimental dietsJ.Aquaculture,1980,21:63-78.19 ROSAS C,CUZONG,GAXIOLA G.Influence of dietary carbohy
7、drate on the metabolism of juvenile Litopenaeus stylirostrisJ.Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2000,249:181-198.20 胡毅.凡纳滨对虾饲料配方优化及几种饲料添加剂的应用D.博士学位论文,青岛:中国海洋大学,2007.21 张加润,黄忠,林黑着,等.饲料中不同蛋白含量对斑节对虾幼虾生长及消化酶的影响J.海洋渔业,2012,34(4):429-437.22 ROSAS C,CUZON G,TABOADA G,et al.Effect of dietar
8、y protein and energy levels on growth,oxygen consumption,haemolymph and digestive gland carbohydrates,nitrogen excretion and osmotic pressure of Litopenaeus vannamei(Boone)and L.setiferus(Linne)juveniles(Crustacea,Decapoda;Penaeidae)J.Aquaculture.Research,2001,32:531-547.23 郭冉,刘永坚,田丽霞,等.不同玉米淀粉水平对凡纳滨
9、对虾肝胰腺脂肪代谢的影响J.中山大学报,2011,50:105-109.24 李雪鹤,郭冉,贾高旺.2种盐度和3种糖源对凡纳滨对虾生长和糖代谢的影响J.动物营养学报,2019,31(9):4387-4395.25 CHRISTINA L,AKSHAYA P,PANANTHARAYIL S A,et al.Effect of varying levels of dietary protein on the growth performances of Indian white shrimp Penaeus indicus(H.Milne Edwards)J.Aquaculture,2019,51
10、9:734736.(编辑:王博瑶,)64SILIAO GONGYE2023年第44卷第22期 总第691期for animal and vegetable protein in aquaculture because of its high protein,low fat,high unsaturated fatty acid content and rich variety of essential amino acids.This paper revieweds the current status of research on the production of single cell
11、protein by methanogenic oxidizing bacteria,its nutritional properties,and its effects on growth performance,feed conversion rate,and intestinal health of aquatic animals,etc.Finally,it provides an outlook on the future application of methane oxidizing bacteria produced unicellular protein and provid
12、es a reference for the development and utilization of single cell protein produced by methane oxidizing bacteria.Key words:methane oxidizing bacteria;methane;single cell protein;aquatic feed;applications联合国粮食及农业组织预测,到2030年,水产养殖生物将占世界海产品供应量的53%1,全球水产养殖产量将增加2 600万吨,额外需要4 000万吨饲料2,而水产养殖的进一步增长可能受到饲料资源短缺
13、的限制3-4。由于水产动物对蛋白质含量要求较高,一般是畜禽的24倍,因此目前水产饲料中蛋白质的主要来源是利用鱼、虾、蟹制成的鱼粉,其中含有高质量的蛋白质和必需氨基酸以及未知生长因子,具有良好的适口性、较高的消化吸收率5,可保证水产养殖生物保持较快速度生长,提高收益。鱼粉的广泛使用直接导致了鱼粉饲料供应不足,价格居高不下6-7,因此急需利用现有自然资源寻找可替代蛋白饲料,进而开发高质量的替代饲料资源8-9。从这个意义上说,单细胞蛋白(Single Cell Protein,SCP)是替代鱼粉蛋白的有效解决方案10-11。单细胞蛋白,也被称为微生物蛋白、菌体蛋白,是指利用酵母、霉菌、藻类等单细胞生
14、物经过发酵培养和扩增之后获得的生物体蛋白12-14。人类在几个世纪前就开始把微生物用作食物和饲料,许多微生物自古以来就被用作饮食的一部分,例如公元前2500年,发酵酵母就被用作面包的发酵剂,公元前50-100年,埃及人和希腊人使用乳酸菌处理牛奶和奶酪15,非洲人把具有“蛋白之王”之称的螺旋藻用作食物来弥补当地人缺少的蛋白质16。单细胞蛋白的生产技术是在100多年前发展起来的,而大规模生产是在20世纪出现的。第一次世界大战前后,德国认识到可以使用微生物作为微生物蛋白质大量生产,因而,面包酵母是在添加铵盐的糖蜜培养基中产生的17-18。自此以后从细菌、真菌和藻类培养物中产生的蛋白质被广泛用于食物和
15、饲料中,由于其蛋白质含量高、所含的必需氨基酸种类丰富、脂肪含量低、含有多种微量元素,可以用作膳食补充剂添加在动物饮食中,也可以作为部分蛋白的替代品19-21。文章对甲烷氧化菌产SCP的营养特性及在水产饲料中的应用效果等作以综述,综合评价营养价值对水产动物生长性能及健康的影响。为甲烷氧化菌产SCP在水产饲料领域中的利用和开发提供参考依据。1 甲烷氧化菌的特性及新菌株的分离鉴定1.1 甲烷氧化菌的特性甲烷氧化菌是一类利用甲烷作为唯一碳源和能源的革兰氏阴性菌,按照是否利用环境中的氧气作为电子受体,可分为好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌两大类。工业上常用于生产单细胞蛋白的是型甲烷氧化菌中的-变形菌门,应
16、用较多的是Methylococcus capsulatus(Bath)菌株22-23。他们是一类独特的革兰氏阴性细菌,偏好氧气浓度较高的环境,并且更容易进行一些基因操作(见表1)。表1 甲烷氧化菌的分类24-26项目好氧甲烷氧化菌厌氧甲烷氧化菌类型、X型型型古菌细菌门变形菌变型属疣微菌门厌氧甲烷氧化古菌NC10 门属(种)Methylomonas,Methylobacter,Methylosoma,Methylosarcina,Methylomicrobium,Methylohalobius,Methylocaldum,Methylothermus,Methylosphaera,Methylo
17、coccusMethylosinus,Methylocystis,Methylocella,Methyloccapsa,MethyloferulaMethylokorusinfernorum,Acidimethylosilex,fumarolicumMethyloacidakamchatkensisANME-1,ANME-3,ANME-2a,ANME-2b,ANME-2c,ANME-2dCandidatus Methylomirabilis oxyfera65水产动物2023年第44卷第22期 总第691期甲烷氧化菌生长时,以甲烷作为碳和能源的主要来源,把甲烷转化成二氧化碳27-28,产生富含
18、蛋白质的生物质29-30,生物质中85%95%来源于CH431。甲烷氧化菌的特征酶是甲烷单加氧酶(MethaneMonooxygenase,MMO)32。甲烷氧化菌在MMO作用下把甲烷氧化为甲醇,在甲烷转化的第一步之后,甲醇被氧化成甲醛,甲醛可以进一步氧化或同化为细胞碳固定途径的底物。甲醇的氧化由甲醇脱氢酶(Methanol dehydrogenase,MDH)催化,对于革兰氏阴性嗜甲烷细菌,甲醇脱氢酶以特定形式存在于胞质中,并利用含有吡咯喹啉醌(Pyrroloquinoline Quineone,PQQ)作为其催化辅助因子。产生的甲醛可以以三种方式被使用:第一种是进一步氧化成CO2;第二种是
19、通过核酮糖单磷酸(RuMP)循环同化;第三种通过丝氨酸循环同化。上述两个循环的操作导致产生丙酮酸,然后产生乙酰辅酶A作为进一步细胞代谢的关键中间体。在RuMP途径中,甲醛用于合成果糖-6-磷酸,并使用指定的核酮糖磷酸合成酶通过糖磷酸中间体进一步转化为核酮糖-5-磷酸,用于生物质生长33。1.2 甲烷氧化菌新菌株的分离鉴定甲烷氧化菌在自然界中分布十分广泛,湿地、稻田、泥潭沼泽、污水污泥等都有甲烷氧化菌的存在,近年来也有许多学者分理出具有优良蛋白潜质的菌株。顾华兵等34从污泥中分离、筛选获得一株甲烷氧化菌 MO-01,根据该菌株的形态学、生理生化试验和16S rDNA序列同源性分析,证实该菌株与M
20、ethylobacterium zatmanii菌株有99%的同源性,属于Methylobacterium属,优化了甲烷氧化菌的发酵条件,为以后放大生产SCP提供了科学基础。Thu等35从厌氧发酵器的废水中分离出新的菌株氧化甲烷BG3菌株,确定该菌株为甲基单胞菌属,BG3菌株的生物质作为牲畜的优质蛋白质来源,具有巨大的应用潜力。2 甲烷氧化菌生产 SCP 及其与其他菌共培养生产SCP2.1 甲烷氧化菌生产SCP20世纪90年代一家挪威公司用荚膜甲基球菌生产了SCP,但由于当时廉价的植物蛋白、微生物培养技术等限制,市场竞争激烈,造价较高的微生物蛋白无法继续发展。近年来,微生物领域迅猛发展,大豆等
21、植物蛋白价格持续上涨,导致水产饲料成本上涨36。而甲烷氧化菌以甲烷为唯一碳源和能量,不受土地、光照等因素限制,且生产出的SCP蛋白含量高,吸引企业进行产品商业化,表2为甲烷氧化菌生产单细胞蛋白的商业化产品。表2 甲烷氧化菌生产的单细胞蛋白商业化产品产品Feed KindUniproteinString ProKnipBio Meal原料甲烷甲烷甲醇甲醇菌种Methylococcus capsulatusMethylococcus capsulatusMethylococcus capsulatusMethylobacterium extorquens粗蛋白含量(%)7175.17175.170
22、.672.550.964.6应用高品质的鱼粉蛋白仔猪饲料、马铃薯粉、鱼粉蛋白禽畜饲料、水产饲料水产饲料参考文献Wang等37;Bomgardner38Nyyssl等39;Ciani等40Wang等37;Rajesh等41Jones等42;Hardy等432.2 甲烷氧化菌与其他菌共培养生产SCP甲烷氧化菌来生产单细胞蛋白主要分为单一菌种和两种及两种以上混合菌进行培养生产,单一菌种生长较慢,而混合菌培养中非甲烷菌可以为甲烷菌提供所需的影响因子,可以减少代谢过程中的副产物对甲烷氧化菌的抑制。早在2002年,Bothek等44将甲基球菌 Bath(Methylococcus capsulatus B
23、ath)分别和动脉瘤杆菌属(Aneurinibacillus)、农业短芽孢杆菌(Brevibacillus agri)、罗尔斯顿属(Ralstonia)进行共培养,研究发现非甲烷菌可以除去生物反应器中的有机碳、乙酸等,从而促进甲烷氧化菌的生长。Nunes等45选用了产碱杆菌、动脉瘤芽孢杆菌、农业短芽孢杆菌三种不同的异养细菌,分别进行和甲烷氧化菌共培养。研究发现异养细菌不会利用会在甲烷进行代谢,但是可以消耗反应器中的有机碳,进而增加了生物量的积累浓度,提高单细胞蛋白的产量,为甲烷氧化菌和其他微生物共培养提供了新思路。Rasouli等46把小球藻(Chlorella sorokiniana)和荚膜
24、甲基球菌(Methylococcus capsulatus)共培养生产SCP,发现可以把工业废水中的营养物质转换为SCP,66SILIAO GONGYE2023年第44卷第22期 总第691期蛋白质组成与传统的蛋白质来源相似,表明藻类或细菌的生物质可以替代它们作为不同动物的饲料成分。Hill 等47把嗜碱性甲基微球菌 20z(Methylomicrobium alcaliphilum 20z)和蓝藻聚球菌PCC 7002(Synechococcus PCC 7002)进行共培养,和单一菌种生长组做对比,发现混合菌生长的时间更久,获得更高的生物量,可以为生产SCP提供新思路。这种共培养技术在利用
25、不同气体流的能力方面是可扩展的,其生物成分由模型细菌构建,可以通过代谢定制来生产一系列生物燃料和生物产品。肖扎等48用甲基单胞菌和嗜甲基单胞菌属进行共培养研究,以污水污泥厌氧消化产生的沼气和废弃废水作为碳氮源来生产SCP,甲基单胞菌的作用是将甲烷氧化为甲醇,而嗜甲基菌的作用是同化积累的甲醇,以避免过量的甲醇对甲基单胞菌生长的抑制49,所生产的蛋白质可以达到细胞干重的41%以上,其中决定了动物生长情况和鳃结构完整性的组氨酸的含量分别是豆粕和鱼粕的1.67倍和2.09倍50。孙立瑞等51把甲烷氧化菌和光合菌进行共培养,把光合菌和甲烷氧化菌离心后的上清液和超声破碎的沉淀分别加入甲烷氧化菌和光合菌中,
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