科学通报 | 曹阳春/吴信团队联合综述单细胞蛋白在动物饲料领域的应用及展望

近日，西北农林科技大学曹阳春教授团队在《科学通报》发表了题为“单细胞蛋白在动物饲料工业中的应用及展望”的综述文章，系统总结了单细胞蛋白（single cell protein, SCP）在动物饲料领域的最新研究进展。文章重点介绍了SCP的营养特性、绿色可持续原料来源及生产工艺的技术突破，并从SCP在畜禽和水产养殖中的应用效果、潜在优势、产业化面临的挑战及未来发展方向等方面进行了阐述。作者希望该综述能够为解决蛋白饲料短缺问题、推动畜牧业绿色发展及新型饲料资源的开发应用提供借鉴与思路。

背景介绍

全球人口持续增长、耕地资源紧张及气候变化加剧，使蛋白质供需矛盾日益突出。长期以来，豆粕和鱼粉是畜禽与水产养殖的主要蛋白质来源。然而，传统农业受土地、水资源及渔业可持续性限制，传统蛋白饲料已难以满足快速增长的需求。与此同时，饲料蛋白生产过程带来的环境压力，如温室气体排放和水体富营养化问题，也日益受到关注。SCP作为一种新型蛋白资源，因其高蛋白含量、氨基酸组成合理、原料来源广泛及生产过程绿色可控，逐渐成为国内外学界和产业界的关注焦点（图1）。

图 1. SCP 的总体利用与全球分布情况

内容简介

文章综述了单细胞蛋白的起源与发展。SCP这一概念诞生于1968年麻省理工学院的一次学术会议，用来取代早期的“微生物蛋白”说法。它指的是利用细菌、酵母、真菌或微藻等微生物培养获得的高蛋白质生物质。早在一战期间，德国就曾尝试用酵母制备食物来缓解粮食短缺。此后，随着石油化工副产物和农业废弃物的高效利用，SCP在20世纪60‒70年代进入工业化阶段，英国ICI公司更是建成了当时世界最大的生物反应器。尽管“Pruteen”等早期产品因成本问题停产，但SCP凭借高蛋白含量、营养均衡及绿色环保的优势，如今被联合国粮农组织和世界卫生组织正式定义为未来最具潜力的动物饲料与食品蛋白来源之一。

SCP的来源多样，主要合成SCP的微生物有丝状真菌、酵母、细菌和微藻。真菌和酵母是最早应用的SCP来源，富含蛋白和维生素，广泛用于饲料和食品。细菌生长最快，蛋白含量最高，可利用甲烷、甲醇、二氧化碳等“C1原料”，实现低成本大规模生产，还能兼顾环境治理。微藻则因含有高蛋白和ω-3脂肪酸，被誉为“未来蛋白工厂”，同时具备强大的二氧化碳固定能力（图2）。不同微生物赋予SCP各自的优势：有的富含必需氨基酸，有的能分解秸秆废弃物，有的改善动物免疫力。通过工艺优化与生物工程改造，SCP正成为突破饲料蛋白短缺、实现可持续发展的关键解决方案。

图2. SCP微生物来源及其蛋白组成

文章总结了SCP的优势不仅在于“高蛋白”，更在于它能利用各种可再生原料为底物产生SCP（图3）。从农业废弃物、果蔬皮渣，到工业副产物、甲醇、甲烷，甚至二氧化碳，都能被不同的微生物转化为优质蛋白。比如，甲烷菌可以把沼气变成营养和鱼粉相当的蛋白；氢氧化细菌能转化二氧化碳合成氨基酸；而“电-碳-蛋白”系统更是利用绿色电力和CO₂，打造未来的零碳蛋白工厂（图4）。这样不仅降低成本，还能减少对土地和粮食的依赖，实现“废物变食物”，为全球蛋白危机提供绿色解决方案。

图 3. SCP 生产原料与发酵路径图

图4. CO2合成甲醇并用于SCP生产的途径示意图

SCP 生产流程包括 通过原料预处理、菌种选择与扩培、发酵培养及后处理，将农业或工业副产物高效转化为可食用或可用的蛋白产品（图 5 ）。随着科技的进步， SCP 其 生产工艺也在不断升级。从原料预处理到发酵方式，再到合成生物学的精准改造，每一步都在变得更高效、更绿色（图 6 ）。比如，先进的酶法和离子液体预处理，让农作物秸秆、果蔬废渣都能变身高蛋白资源；膜反应器和智能发酵系统，大大提升了气体底物的转化效率；而通过基因编辑和进化优化，科学家还能让微生物 “ 量身定制 ” ，把甲烷、甲醇甚至二氧化碳转化为优质蛋白。可以说， SCP 正在把 “ 废物 ” 变 “ 食物 ” ，把 “ 碳排放 ” 变 “ 营养 ” ，为未来可持续饲料开辟新路径。

图 5. SCP 的生产工艺流程图

图 6. SCP 蛋白生产工艺的改进

此外，微生物产生的SCP蛋白含量高达50%–80%，氨基酸组成接近动物蛋白，还富含B族维生素、矿物质和不饱和脂肪酸，是豆粕和鱼粉的有力替代品。更令人惊喜的是，SCP还能提升免疫力、保护肠道健康、促进动物生长，堪称“功能性蛋白”。在家禽、猪、牛羊和水产养殖中，研究已证明适量添加SCP可显著改善生长性能、优化肉蛋奶品质，还能减少对海洋鱼粉等有限资源的依赖。无论是提高产蛋率、改善牛肉营养价值，还是让三文鱼、白虾更健康生长，SCP都展现出独特优势。它正在成为绿色养殖的关键突破口，让“废物变饲料、养殖更可持续”的未来更近一步。

当然，SCP产业也面临菌种稳定性、工艺成本、核酸含量及标准体系等挑战。未来，随着合成生物学、共培养策略、气体发酵与光伏驱动等前沿技术的突破，SCP有望真正走向大规模应用，为畜禽、水产养殖乃至全球食品安全提供绿色、可持续的解决方案。

西北农林科技大学动物科技学院曹阳春教授和中国科学院天津工业生物技术研究所吴信研究员为本文共同通讯作者。王腊梅博士为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金青年科学基金项目（ 3250200693）、国家重点研发计划（2024YFD1300201）、陕西省“杰出青年科学基金”(2024-JC-JCQN-25)、宁夏回族自治区重点研发计划项目(2023BCF01036)和农业农村部青藏高原放牧牦牛藏羊动物营养与饲草料重点实验室开放基金（2025-YYKF-03 ）资助。

文章信息

王腊梅，王砀砀，芦晶，等. 单细胞蛋白在动物饲料工业中的应用及展望 . 科学通报, 2025.

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5190

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5190.

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