全球人口的增长和生活水平的提高迫切要求向可持续粮食系统的方向转变。目前，相当一部分土地和农业用地用于生产富含蛋白质的饲料，以饲养供人类消费的牲畜。相反，农业活动和食品工业的加速发展使浪费急剧增加，损害了生态系统的经济和环境可持续性。在这种情况下，需要发展一种废物管理综合技术，并改善可持续发展的足迹。基于可再生电子和碳源的微生物蛋白(MP)生产具有替代蛋白质来源的潜力。用于动物饲料的MP生产正在快速增长，其来源包括细菌、藻类和真菌(包括酵母)。由各种微生物生产的MP目前已商业化并投入使用。然而，新的方法和工艺也在研究中，以使MP生产更经济和可持续。目前对MP的研究主要集中在利用含有高蛋白含量的微生物使废料增值，然后将其用于动物饲料。利用这种综合方法，农业废弃物资源升级利用有助于寻找可持续、廉价和环保的蛋白质来源。本文首先介绍了可能用于MP生产的废弃物原料，并综述了MP生产微生物(包括真菌、酵母、细菌和光养微生物)的最新应用进展。详细探讨了MP生产的生物过程和生产技术进展。最后，对多聚乳酸作为动物饲料的应用、面临的挑战和未来的研究前景进行了评价。
到2050年，全球发达国家和发展中国家不断增长的人口和不断提高的生活水平预计将产生每年12.5亿吨的全球肉类需求(Ritala et al. 2017)。畜牧业是一些国家农业经济的重要组成部分。然而，由于饲料转化为蛋白质的生产率较低，满足对传统来源的肉类和乳制品的需求将是不可持续的(Aiking 2011;Alberti et al. 2022)。肉类和乳制品的生产不断增加，以满足全球对动物源性蛋白质的需求。长期以来，畜牧业在维持世界人口的营养需求方面发挥着重要作用。在过去的几十年里，工业和人口的快速发展导致了大多数农业国家新兴畜牧业的发展(Mugagga和Nabaasa 2016)。传统的饲料来源，如绿色饲料和从各种植物中获得的青贮饲料，被认为是不可持续的，无法满足动物养殖对富含蛋白质的饲料的需求(Newman et al. 2023)。因此，需要新的解决方案来实现可持续的蛋白质供应。
另一方面，农业活动和食品工业的加速发展导致农业浪费急剧增加(Garrity et al. 2010;Kesavan and Swaminathan 2008)。仅在美国就产生了约4532万亿英热单位(TBtu)的生物质，约占2020年美国一次能源消费总量的4.9% (Dey et al. 2021)。以农业为基础的工业也产生了大量的废物(Newman et al. 2023)。农业废物来自农场的各种废物流来源，包括农场和农业工业，如动物粪便、蔬菜和从生产到包装活动产生的农场废物(Ahmad Khorairi等人，2021;Asiri和Chu 2022;Díaz-Vázquez et al. 2021)。这些废物损害了生态系统的经济和环境可持续性。为了公共健康和福祉，需要有价值和最先进的回收方法。在这种情况下，需要发展一种废物管理综合技术，并改善可持续发展的足迹。目前，通过回收利用农业工业和食物垃圾进行资源回收和制造增值产品已经显示出巨大的潜力。随着生物燃料、生物材料和其他生物活性化合物等各种产品的开发，同化生物精炼厂的概念正在稳步发展成为一个乐观的解决方案。
Ding et al. 2023;Gervasi et al. 2018;Jones et al. 2020;Nyyss?l?等人，2022;Raziq et al. 2020;Sharif et al. 2021;Zeng et al. 2022;周等。2022a;Zhu et al. 2022)。微生物细胞中产生的蛋白质也被称为MP，是一种有可能同时解决这一问题的选择。以生物量中蛋白质含量高于30%和必需氨基酸为特征的微生物菌株被认为更适合这一目的(Bourdichon et al. 2012;Jiang et al. 2022;Raziq et al. 2020;Yang et al. 2022;Zhou et al. 2022a)。几个世纪以来，微生物一直被传统地用于发酵食品。微藻和真菌衍生的商业产品已经在市场上供人类消费，具有各种商业名称，如螺旋藻、小球藻、盐藻、Aphanizomenon、QuornTM和Algaeon，主要作为保健品(Ritala et al. 2017)。一些严格的监管框架与MP人类消费相关(Bourdichon et al. 2012)。用于动物饲料生产的微生物来源通常比允许用于人类消费的微生物来源更广泛。这是因为动物饲料的安全和质量标准通常与人类饲料不同。用于动物饲料的多聚乳酸生产正在快速增长，其来源为细菌、藻类和真菌(包括酵母)(Asiri和Chu 2022;Khoshnevisan et al. 2022;Woolley et al. 2023;Zheng et al. 2023)。糖发酵动物饲料于1974年在芬兰生产，该工艺以商业名称“PEKILO?”注册，用于欧盟国家。由微生物生产的MP目前已商业化，并被Uniprotein?和丹麦Unibio A/S等公司用作动物饲料，称为FeedKind?(Alloul et al. 2022)。最近，卡塔尔海湾生物技术公司和Unibio合作在卡塔尔建立了一个生产设施，这是海湾地区第一个天然气转化为蛋白质的工厂，最初生产6000吨UniProtein?作为水产养殖牲畜的饲料(Unibio 2022)。虽然有几家公司正在全球范围内致力于天然甲烷饲料和其他可食用食品基质的MP生产，但由于使用化石和可食用资源，生产过程昂贵且不环保(Kalyuzhnaya et al. 2013)。因此，需要更便宜和可持续的底物，从而导致细菌蛋白质生产的咆哮。
目前对MP的研究主要集中在有机废物的增值上，利用含有真菌、酵母、藻类和细菌等微生物的高蛋白含量，然后将其用于动物饲料(Chandra et al. 2021;h
在循环经济和可持续发展的背景下，利用不同的微生物，包括细菌、真菌、酵母、藻类和光养细菌，从农业工业废物中生产微生物蛋白质的示意图
微生物的生长和MP的生产需要适当的碳氮比的碳氮(Ugalde和Castrillo 2002)。来自不同来源的氮以氨、铵盐、亚硝酸盐和/或硝酸盐的形式被微生物利用。通常情况下，45-75%的MP生产总成本来自碳原料，7-15%的总成本来自氮源(Nyyss?l? et al. 2022)。在藻类MP的情况下，大气中的碳是免费的，然而，搅拌将其溶解到密集的藻类培养物中的成本很高(Wang et al. 2022;Xu et al. 2021b)。在全球范围内，农业形式、食品加工单位、餐馆、超市和消费者产生了大量富含有机物和营养物质的废物，包括玉米、大米和小麦等木质纤维素废物(Capanoglu et al. 2022;Chandra et al. 2021;Rosenboom et al. 2022;Talan et al. 2022;t
全球每年产生数百万吨的农业和食物垃圾，其管理不善和倾倒对环境造成不利影响，并对生态系统有害(Nyyss?l?等人，2022)。因此，将有机和富含营养的废物可持续和环境友好地转化为有价值的产品已成为全球的重要目标(Chandra等人，2021;Dey et al. 2021;Nyyss?l? et al. 2022)。通过适当的管理和处理，农业粮食废弃物可以在生态系统的可持续性和能源安全方面发挥至关重要的作用。总体而言，MP生产的废物原料的选择取决于诸如可用性，成本和生产过程的适用性等因素(Awad Saad Allah 2021;Capanoglu et al. 2022;Kumar et al. 2021;Leite et al. 2021;Reihani and Khosravi-Darani 2019)。重要的是要考虑使用农业废物原料生产MP对生产过程的潜在影响以及生产过程本身的环境影响。表1列出了最常报告的用于多聚物生产的农业食品废弃物以及所使用的微生物类型。可用于MP生产的不同废基材各有优缺点。例如，麦麸、甘蔗渣和甜菜纸浆分别是小麦加工和糖加工的副产品，可以用作MP生产的原料(Aker和Robinson 1987;Puligundla and Mok 2021;2020年;Yunus et al. 2015)。这些废原料相对便宜和丰富，它们的使用并不与它们作为食物或饲料作物的使用相竞争。然而，它们的低蛋白质含量可能限制了它们在一些MP生产工艺中的适用性。同样，玉米秸秆和稻草是收获的副产品，可以用作MP生产的原料(Voutilainen et al. 2021)。两者都是相对丰富和低成本的原料。为了有效地将生物质转化为MP，需要对木质素进行生物降解和解聚，而这只能由能够产生木质素降解酶的特定微生物来完成，如芽孢杆菌LD2、瘤状芽孢杆菌sp.和哈茨木霉(Sharma et al. 2022)。重要的是要考虑利用农业废物生产多聚物对减少废物和环境可持续性的潜在影响，以及由此产生的多聚物产品的质量和安全。
利用农业食品废弃物生产多聚物必须符合相关监管标准，包括与食品和饲料安全、环境保护和动物饲料有关的标准，这取决于几个因素，包括废弃物类型、废弃物来源和多聚物的预期用途(Janssen et al. 2022;Nyyss?l?等人，2022;veththirri et al. 2021;Voutilainen et al. 2021;Wadhwa and Bakshi 2016)。不同国家或地区的管理标准可能不同，重要的是要参考当地的法规和准则，以确定特定类型的农业废物的适宜性。例如，在美国，食品和药物管理局(FDA)监管动物饲料，并制定包括MP在内的动物食品成分标准(Jonaitis et al. 2022)。FDA一般允许在动物饲料中使用MP，但必须满足一定的安全和营养要求。在欧洲，从动物饲料的有机废物中生产MP必须符合欧盟(EU)法规规定的法规，其中包括规定了食品安全一般原则的一般食品法法规(EC)第178/2002号和规定了新食品要求的新食品法规(EC)第2015/2283号，包括MP (EFSA Panel on Dietetic Products et al. 2016;欧洲食品安全局营养小组等，2019;L?hteenm?ki-Uutela et al. 2021)。同样，在日本，从农业食品垃圾和城市垃圾中生产MP必须遵守农业、林业和渔业部(MAFF)和卫生、劳动和福利部(MHLW)制定的规定。MAFF规范动物饲料，包括MP，并要求其按照良好饲料生产规范(GFMP)生产(Kondo和Taguchi 2022)。MHLW管理食品安全，并要求用于人类消费的MP符合某些安全标准。在全球范围内，作为动物饲料的最终产品MP应进行纯度、安全性和营养价值测试，并应根据适用的法规和指南进行标签和销售(Pereira et al. 2022)。总体而言，农业废弃物是否适合用于动物饲料生产将取决于一系列因素，遵守监管标准对于确保饲料的安全和质量至关重要。
各种各样的微生物已经显示出产生MP的潜力，包括异养细菌、真菌、微藻、化能自养生物和甲基养生物(Nyyss?l? et al. 2022)。下面提供了用于富含蛋白质的生物质生产的微生物的详细描述。
酵母和真菌在过去被专门用于进行商业规模的工业合成，因为它们具有良好的氨基酸平衡特征，使其成为完整的蛋白质来源。酵母在历史上一直被用作动物和人类食品，并且是有抱负的MP候选人(Nyyss?l? et al. 2022)。许多真菌物种被用作MP，并在市场上以商业品牌出售。例如，从丝状真菌F. venenatum中提取的QuornTM在几十年前由Marlow Foods (UK)推出，并广泛用于人类消费(Wiebe 2004)。真菌MPs通常具有平衡的脂质、蛋白质、纤维和氨基酸组成，符合粮农组织食品补充剂指南(Groenewald et al. 2014)。酵母和真菌MP不仅可以提高食品的营养品质，还可以改善食品的功能特性，如质地和乳化能力(Barzee等人，2021;Sharif et al. 2021;Wiebe 2004)。然而，在处理镰刀菌和曲霉等少数物种时，需要考虑真菌毒素的可能产生(Barzee et al. 2021)。此外，与细菌MP(8-14%)相比，酵母MP可以用作益生菌，含有较高的维生素b成分，并且含有相对较低的核酸(5-12%)，从而降低了健康危害并限制了下游处理成本(alkbani等人，2022;Sen and Mansell 2020;Yao et al. 2020)。酿酒酵母(S. cerevisiae)物种已被广泛研究用于不同的应用，包括生产MP (Abdelwahab et al. 2020;Dunuweera et al. 2021;Gunun et al. 2022;Li et al. 2022a;Sen and Mansell 2020;Tropea et al. 2022)。酿酒酵母，也被称为酿酒酵母，传统上用于生产酵母提取物(Dunuweera等人，2021;Farhan et al. 2021)。脂解耶氏酵母(Y. lipolytica)是另一种酵母品种，由于其能够利用大量碳底物并合成具有高质量脂质的MP (Groenewald et al. 2014;Li et al. 2022a;Yang et al. 2022)。因此，欧洲食品安全局(EFSA)根据欧盟委员会(EFSA Panel on Nutrition et al. 2019)的要求，批准并接受了polytica Y. MP作为食品。丝状真菌Paecilomyces varioti早已被用于PEKILO?注册工艺，生产用于动物饲料生产的MP (eniferBio 2022)。米曲霉(A.oryzae)是另一种在工业规模上研究和应用最多的丝状真菌，特别是在韩国、日本和中国等亚洲国家，用于生产几种发酵产品(Ferreira et al. 2016)。真菌念珠菌(C. utilis)已被中国食品药品监督管理总局批准为安全食品和饲料补充剂，并被美国列入公认安全(GRAS)名单(Kurcz et al. 2018)。C. utilis目前正在进行大量研究，以生产安全可靠的MP，并且由于其更高的产量、蛋白质含量、生长速度和利用不同底物作为营养来源的能力，在合成供人类和动物食用的可食用MP方面显示出很大的前景(carranza - m
此外，使用混合酵母培养物生产MP的兴趣正在增长(Areniello et al. 2023)。混合培养基的使用是有利的，因为不同的培养基进行更广泛的水解活性，提高了对复杂底物的利用。例如，木质纤维素原料需要几种酶才能有效水解，混合真菌培养可以通过产生不同的酶来解决这个问题(Salazar-López et al. 2022)。此外，一个物种的代谢产物可能通过分解各种原料协同工作(veththirri et al. 2021)。据报道，混合微生物培养通过平衡蛋白质、维生素和脂质的组成来增加营养成分。然而，在混合培养中控制和优化MP生产的操作参数可能更复杂，需要仔细设计和生化反应控制(Hashempour-Baltork et al. 2022)。此外，有毒次生代谢物和过程抑制剂的产生是混合培养生产过程中需要解决的另一个挑战(Nyyss?l? et al. 2022)。
微藻因其蛋白质和氨基酸含量高而被认为是MP的重要来源。微藻可以利用各种废弃底物作为营养源生产MP，作为富含蛋白质的动物饲料的大豆饲料替代品(Janssen et al. 2022)。一些用于MP生产的藻类生物量的研究包括小球藻(C.)普通螺旋藻、pyrenoidosa、C. luteoviris、C. robusta、Arthrospira (A.) maxima、platensis、Tetraselmis chui、Odontella aurita、Nannochloropsis oceanica、Nannochloropsis gaditana、Dunaliella salina、Euglena gracilis和Galdieria suluraria (Abiusi et al. 2022;Muys et al. 2019;Nascimento et al. 2022;Sui and vlaemink 2020)。不同菌株的微藻生物量蛋白质含量在30-80%之间(Sui和Vlaeminck 2020)。微藻可以通过光合作用固定二氧化碳(Almomani et al. 2019b)。最近的一项研究表明，像Scenedesmus obliquus (S. obliquus)这样的微藻有可能固定更高浓度的二氧化碳(Molitor et al. 2019)。在本研究中，在CO2浓度为2.5%的条件下，斜棘豆的生长速度超过了之前报道的所有值，即使在CO2浓度为35%且氨基酸含量与大豆相当的情况下，其生长也没有受到太大影响。蓝藻也被称为蓝绿藻，由于其光合能力和表型，通常与微藻分类在一起。螺旋藻和小球藻是最著名的蓝藻，蛋白质含量高达50-70%，目前作为人类和动物食品进行商业销售。目前，全球小球藻和螺旋藻的预计产量分别约为6600和12,000?吨/年(García et al. 2017)。蓝藻不仅富含蛋白质，而且还含有其他必需的食物元素，如小肽、B12、B2、B1、B3、e维生素、脂质和色素。然而，螺旋藻MP含有较低浓度的氨基酸，如半胱氨酸、蛋氨酸和赖氨酸，这使得它不适合作为人类食物的蛋白质(Abiusi et al. 2022;Muys et al. 2019)。正因为如此，目前大多数商业公司的重点是将螺旋藻作为具有优势特性的饲料产品用于动物饲料和水产养殖(Vethathirri et al. 2021)。
光合细菌(PSB)是另一组富含蛋白质的微生物，已显示出产生具有多种代谢能力的MP的潜力(Zhu et al. 2022)。PSB不仅可以生产MP，还可以生产氢气和生物柴油等其他高质量产品(Li et al. 2019)。关于PSB生物量用于MP生产的研究最多的包括:荚膜红杆菌、Ectothiorhodospira、粪红假单胞菌、球形红杆菌、palustris红假单胞菌(Cao et al. 2021;Deseure et al. 2021;Saejung and Chanthakhot 2021;世井和山山2021;Yu et al. 2021, 2022)。虽然根据代谢和操作参数的要求，PSB微生物的种类很多，但它包括四个关键家族，包括紫色非硫细菌(PNSB)如Rhodospirillaceae，紫色硫细菌(PB)如Chromatiaceae，绿色硫细菌(GSB)如Chlorobiaceae和滑动丝状绿色硫细菌(GFB)如Chloroflexaceae (Lu et al. 2019)。PSB具有显著的MP生产效率，具有较高的蛋白质产量(约150 mg/L·d) (Cao et al. 2021)。由于含有辅酶Q10、烟酸、泛酸、5-氨基乙酰丙酸、类胡萝卜素、类胡萝卜素和细菌氯等色素等重要成分，PSB已显示出作为合成增值产品添加剂的潜力。这些色素可以产生红色、紫色或橙色，可以用作乳制品和烘焙产品的天然色素添加剂(Lu et al. 2019)。
虽然目前正在研究各种细菌种类通过异养细菌发酵生产MP，但细菌MP的商业生产主要集中在使用化学自养菌和使用气体底物进行生长的甲烷营养菌(Martin et al. 2013;Sakarika et al. 2022;Woolley et al. 2023)。甲烷营养物种通过单磷酸核酮糖或丝氨酸途径将甲烷氧化为甲醛。早在20世纪70年代末，甲烷氧化菌就开始了MP的商业生产，但由于经济问题，生产停止了。然而，甲烷营养化MP再次引起了微生物饲料生产的关注，目前，各种商业产品以品牌名称销售，如KnipBio(美国)，UniProtein?(丹麦Unibio)和FeedKind?(Calysta，美国)(Khoshnevisan等人。2022;Sakarika et al. 2022;Woolley et al. 2023;Xu et al. 2021b)。KnipBio是第一个获得美国食品和药物管理局GRAS认证的转基因MP产品(Nyyss?l? et al. 2022)。据报道，几种甲烷营养微生物普遍用于从沼气中合成MP，包括甲基球菌、荚膜甲基球菌、甲基藻、嗜甲基藻、Rurimicrobium、Comamonadaceae、嗜甲基藻、buryatense甲基微生物、小甲基藻、甲基单胞菌、嗜酸甲基藻、甲烷甲基单胞菌和嗜酸甲基微生物(Jintasataporn等。2021;Woolley et al. 2023;徐等。2021a, 2020;Zha et al. 2021)。此外，几种甲烷氧化菌如Methyloferula、Methylococcus和Methylocaldum可以固定CO2，这使得它们有利于在同时利用CH4和CO2的沼气中生长(Kim et al. 2022;Kulkarni et al. 2021;Salehi and Chaiprapat 2022)。自养生长的氧化氢细菌(HOB)也被称为Knallgas细菌，在氧气存在的情况下，利用氢作为电子供体为其代谢提供能量，同时将二氧化碳固定在生物质上(Jiang et al. 2022)。用于沼气制MP的常见HOB有富营养化碱性菌Z、氢单胞菌、假单胞菌、水蛭、反硝化副球菌Y5、富营养化拉尔斯顿菌B5786、再生铜球菌H16和反副球菌D6 (Jiang et al. 2022)。氢可以被好氧细菌和厌氧细菌氧化。在厌氧氧化中，CO2通过还原性乙酰辅酶a途径被固定，其中碳主要转化为乙醇和乙酸盐等有机副产物，而不是细胞生物量。然而，在有氧氢氧化中，二氧化碳通过逆三羧酸循环被同化以产生细胞团块(Mu?oz et al. 2015;Pander et al. 2020;Sakarika et al. 2022)。因此，目前的工业过程侧重于合成增值化学品，如乙醇和醋酸酯，而不是用于MP生产的细胞生物质(Pander et al. 2020)。有人建议采用两步法利用醋酸生产MP，首先由产醋酸菌将二氧化碳还原为醋酸，然后利用生产的醋酸作为碳源培养异养酵母或真菌(Bolognesi et al. 2022)。
摘要
1 介绍
2 农业和食物垃圾作为生产多聚塑料的原料
3.生产MP的微生物
4 MP生产流程
5 动物饲料中的MP
6 Enviro 心理影响、观点和挑战
参考文献
致谢
作者信息
道德声明
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MP通常是通过在适当底物上培养特定微生物的发酵过程产生的(Ding et al. 2023)。为此，从不同的来源(包括水、空气和土壤样本)中分离出合适的微生物，然后优化生长条件以获得最大的产品产量(Kurcz et al. 2018)。下面提供了详细的描述。
发酵过程可分为浸没发酵、半固态发酵和固态发酵。在深层发酵过程中，含有微生物生长所需营养物质的底物始终以液体形式存在(Ding et al. 2023)。浸没发酵可在间歇模式、进料间歇反应器和/或连续操作反应器中进行，连续收获生物质，然后进行分离和生物质干燥。与间歇发酵系统相比，补料间歇发酵过程是有利的，例如，它提供更高的生物质生长速率，从而可以提高发酵性能。然而，重要的是要优化影响发酵效率的不同因素，如pH、温度、氧气水平、营养物质浓度(如氮和磷)和C/N比(Ding et al. 2023;Gervasi et al. 2018;Nyyss?l?等人，2022;Ugalde and Castrillo 2002;Zeng et al. 2022)。在这个过程中会产生热量，并不断进行曝气以适当地冷却生物反应器系统。因此，通常，发酵罐设置提供传感器和调节搅拌，pH值，溶解氧和温度。几种富含营养的有机废物正在被探索用于真菌和酵母生物质生产。利用念珠菌MP以沼液为氨氮，以乙酸、乳酸和糖为碳源，最大生物量产量为14.8 g /L，蛋白质含量为46.5%。C/N比对生物量产量有显著影响，C/N比从3增加到15，导致生物量产量减少，说明控制C/N比为3是有益的(Ding et al. 2023)。控制pH是一个重要的因素，因为它可以通过改变酶的作用和膜的通透性来影响生物量的生长。然而，不同的酵母菌株具有不同的pH范围，以达到最佳的微生物生长。例如，C. utilis可以在3.5-8.0的pH范围内生长(Ding et al. 2023)，而candidum Galactomyces candidum和Nectaromyces rattus生长的最佳pH为5.5 (Zhou et al. 2022a)。
另一个显著影响MP产量的因素是磷浓度。磷是微生物必需的营养物质，在各种细胞过程中起着至关重要的作用，包括能量代谢、核酸和蛋白质合成。然而，生长培养基中过量的磷会导致不溶性磷酸盐的形成，从而降低微生物生长和蛋白质合成所需磷的可用性(Goonesekera et al. 2022)。这可能会对MP的产量和质量产生负面影响。另一方面，磷水平不足也会通过减缓细胞生长和减少蛋白质合成来限制MP的产生(Goonesekera等人，2022;Quan et al. 2001;斯特恩和胡佛1979;Zhu et al. 2020)。因此，在生长培养基中保持最佳的磷浓度以最大限度地提高MP的产量是至关重要的。此外，过量的磷会导致环境污染，因为它可以排放到水体中，引起富营养化和藻华(Van Heyst et al. 2022;Zhou et al. 2022b)。因此，必须开发可持续的多酚生产方法，考虑到营养物质的最佳利用和最大限度地减少对环境的影响。
许多有机废物厌氧消化(AD)产生的消化液通常富含乙酸和NH4-N，最近的一项研究研究了预处理消化液作为发酵产生真菌/酵母MP的替代底物(Zeng et al. 2023)。采用电化学-膜混合发酵工艺从消化液中回收铵和乙酸，然后利用酿酒酵母进行发酵。通过电透析(ED)回收乙酸和铵作为原料，并将其喂给酿酒酵母，以获得约0.76-0.86 g/L的MP产量(图2)。根据用于MP生产的微生物类型选择回收生物质的分离工艺。例如，丝状真菌通常通过过滤分离，而细菌则通过离心过程收集。此外，重要的是恢复干燥后所能获得的最大量的富含营养的水分。
用电化学-膜发酵一体化系统从厌氧消化液中回收乙酸和铵用于MP合成的图解。B醋酸和C氨回收，D和E酵母生物量生长采用集成工艺(复制自(Zeng等人)，并获得Elsevier 2023许可)
在半固态发酵过程中，底物以固体状态使用。通过这一过程生产MP包括选择合适的培养基制剂，明确的碳源，准确的培养基净化，仔细选择微生物菌株，生物质分离和最终产品处理(Ritala等人，2017;Thiviya et al. 2022b)。为此目的采用各种底物作为碳源，例如不同的水果和蔬菜废物、食品工业废物、碳氧化物、多糖、几种气态碳氢化合物、乙醇、甲醇、不同工业废水的废水，包括啤酒厂和其他固体有机废物(Areniello等人，2022;Puligundla and Mok 2021;国产一卡2卡3卡4卡影视果冻Thiviya et al. 2022b;Zhang et al. 2018)。这种类型的发酵需要一种特殊类型的生物反应器，经过精心设计，以确定质量和能量的转换和运输(Selvaraj等人，2021;Sharif et al. 2021)。生物质培养涉及几个操作，例如使用搅拌的多相混合，从气泡相到液相的氧气输送到微生物，以及最终从水相到周围环境的热量传递(Molfetta et al. 2022;Sharif et al. 2021;?li?ewska和Chlebicz-Wójcik 2020)。这种发酵工艺需要较高的初始投资和运行成本。
虽然真菌MP通常在水下发酵中合成，但越来越多的人关注采用固态发酵为微生物培养提供物理支持，并为生产各种增值产品提供营养(Cerda等人，2019;Kumar et al. 2021;Leite et al. 2021;Melnichuk et al. 2020;Sharif et al. 2021;Vauris et al. 2022)。固态发酵具有更高的营养价值、更少的废水产生和更低的能源成本等优点(Kumar et al. 2021)。固态发酵中MP的生产可以在不同的环境条件下使用各种微生物在各种反应器设计中进行(Godoy et al. 2018;Vauris et al. 2022)。该工艺不仅适用于MP的合成，还能够生产各种其他产品，如乙醇、酶、有机酸、肽、几种维生素和香料(Aita等人，2019;Cerda et al. 2019;Godoy et al. 2018;Hashempour-Baltork et al. 2022;Li et al. 2022a;Liu et al. 2018;Melnichuk et al. 2020;Vauris et al. 2022;Zhang et al. 2018)。顾名思义，该工艺需要纯固体形式的原料，如农业形式的废物，如麦麸和/或米糠，橙浆，糖蜜，啤酒的废粮，家禽垃圾;和废TTTZZZ668.SU黑料不打烊入口辣椒粉等(Aita et al. 2019;Olukomaiya et al. 2019;Sharif et al. 2021)。原料接种选定的微生物，并在控制操作参数的平板上传播，如适当的湿度(60-65%)、连续供氧、控制温度、必需营养物质浓度和pH值(Aita et al. 2019;Kumar et al. 2021)。然而，在使用这种复杂的废物时，意想不到的有毒次级副产品的形成构成了重大风险。因此，目前的研究重点是开发新的合成工艺，以提高更复杂的废物底物的废物副产物的利用效率。在这项工作中，提出了一种综合方法，同时采用固态和水下发酵(Khonngam and Salakkam 2019;Liu et al. 2020;martmarture等人，2021;Olukomaiya et al. 2019;普雷马拉塔等人;villegas - massassdez et al. 2022)。
底物组成、浓度、阴离子和阳离子的存在以及反应时间、溶解氧、pH和温度等操作参数对发酵过程中MP的产生有很大影响。生物处理的基质成本占总生产成本的一半(Padoan et al. 2022;Zeng et al. 2022)。目前研究的重点是寻找更便宜的原料大规模生产。底物的成本和严格的灭菌是使用纯培养发酵时的两个主要问题。目前，对农业和食品安全价值的研究越来越受到关注，世界各地的研究人员都在通过提出许多食物垃圾再利用的策略来研究它(Zeng et al. 2022)。来自农业和食品工业的有机废物成分已被认为是低成本的原料，通过发酵生产几种生物驱动的增值产品。农业废弃物包括水稻和小麦秸秆、木薯废弃物、橘子皮、甘蔗、造纸厂废弃物、制糖业废水(Saejung和Salasook 2020)、锯末、玉米芯、甜菜浆、椰子废弃物、葡萄废弃物、芒果废弃物等，已被研究作为利用各种微生物生产MP的底物(Cao et al. 2021)。制糖业废水是高度污染的，其产生过程包括甘蜜柚在线观看免费版高清蔗洗涤、压榨、蒸发、结晶、糖蜜制备和最终产品精炼。制糖工业废水主要由具有高化学需氧量(COD)的有机碳组成，因此可以通过培养微生物成为MP生产的良好原料(Kushwaha 2015)。Chewapat等人利用制糖工业废水作为碳源研究了MP的生产，并报道了粪粪球菌生物量蛋白质含量超过50%，适合用作动物饲料，同时减少80%的COD (Saejung and Salasook 2020)。实验设置涉及在一个3 L光生物反应器中分批培养粪肠球菌，使用制糖工业废物作为共底物。据报道，所产生的生物质具有高浓度的必需氨基酸，如亮氨酸和赖氨酸。
农业工业和一些其他废物流产生的废物富含短链和长链有机酸，然而，不同微生物利用这些有机酸生产MP的情况仍不清楚。有必要了解由有机酸含量丰富的废饲料生产的MP的生物量组成和蛋白质含量。最近，Zeng等人使用不同的有机酸生产酿酒酵母的MP，并报道了在20 g/L的醋酸COD下0.94 g/L的MP (Zeng et al. 2022)。酿酒酵母生物量和蛋白质浓度随乙酸浓度的增加而增加。此外，醋酸和乳酸被认为是酿酒酵母生产MP的合适短链有机酸。在另一组实验中，发现醋酸盐与乳酸盐、油酸盐或亚油酸盐的混合物可以提高MP的产量。长链脂肪酸亚油酸酯和油酸酯通常存在于食物垃圾的厌氧消化中，可以作为MP生产的良好共底物。
虽然这些废物是合成MP的优良原料，但需要对其进行预处理以改善其物理化学和生物特性(Chandra等人，2021;Dey et al. 2021;Hashem et al. 2022;Hashempour-Baltork et al. 2022;Ugalde and Castrillo 2002;Yang et al. 2022)。几种物理化学和生物过程被用于处理。重要的是要找到最佳的转化过程，可以从有机废物中释放最大的单体，以获得最高的次级代谢物，如碳源、营养物质、酚类、淀粉和纤维素、蛋白质和脂质(Godoy等人，2018;Hashempour-Baltork et al. 2022;Sakarika et al. 2022;Suriyapha et al. 2富二代f2app官网下载安装020;Vauris et al. 2022;Yang et al. 2022;Zeng et al. 2023)。这些化合物是MP生产过程后期酶解和发酵的二级底物。为了实现这一目标，正在应用几种方法，包括对基质进行物理/化学和生物联合处理(khonnam和Salakkam 2019;Li et al. 2022a;Newman et al. 2023;Xu et al. 2021a)。机械研磨、微波、蒸汽爆破和热水处理是用于物理预处理的方法(Leite et al. 2021;Molfetta et al. 2022;Zhu et al. 2022)。而在化学处理中，包括强酸在内的化学物质用于水解生物质结构。生物预处理通过使用商业酶和/或选定的微生物进行。然而，最近研究人员正在努力直接使用有机废物底物进行发酵，而无需预处理，以降低成本(Gervasi et al. 2018)。例如，Teresa等人(Gervasi et al. 2018)在没有任何预处理的情况下，利用酿酒酵母从混合果蔬FW中通过有氧发酵生产MP。该工艺生产的MP蛋白质含量为39.8%，高于许多先前报道的研究。另一种避免昂贵预处理的方法是利用废物消化后获得的消化液。由乙酸、乳酸等有机酸和其他长期VFAs组成的厌氧消化液可以被几种真菌和细菌菌株(如酿酒酵母)直接消耗，无需预处理(Zeng et al. 2022)。
微藻、光合细菌(PSB)和蓝藻在开放池塘或光生物反应器中在控制的环境和操作参数下生长(Capson-Tojo et al. 2020;Janssen et al. 2022)。在任何一种生产设置中，高强度光照是培养微藻和蓝藻的主要要求。露天池塘的藻类养殖被普遍认为是适宜和经济的，但它也存在一些缺点，包括低生产率和潜在的污染问题。光生物反应器中微生物的生长可受到几个因素的影响，包括碳和氮源、温度、pH值、原料的化学成分、光照强度、氧饱和度和水力停留时间(Alloul et al. 2019;Almomani et al. 2019a;Capson-Tojo et al. 2020;Laskowska et al. 2017)。光氧态是光养微生物最重要的操作参数。据报道，高NH4+?N浓度(2000 mg NH4+?N/L)可使PSB蛋白质含量提高至65.0%，因为它为细胞生长和蛋白质合成提供了合适的氮资源(Yang et al. 2017)。许多农业工业废水已在具有合理蛋白质含量的光生物反应器中用于MP生产(Alloul et al. 2019;Capson-Tojo et al. 2020;h
在实验室规模的研究中，通常使用瓶和小型玻璃反应器(透明丙烯酸材料)进行微生物生长实验，其中包括磁力搅拌、人工光源、进出流量泵、pH值和温度监测温度计(Liu et al. 2016;孟等人2017;Yang et al. 2018)。提出了几种光生物反应器的设计和操作策略，以提高生物质产量。带有用于悬浮生物量生长的透明扁平容器的平板光生物反应器已用于PBS和微藻培养(Carone et al. 2022;Chen et al. 2011;Gabrielyan et al. 2022;h
不同平板光生物反应器用于藻类生物质生产的设计与性能。利用乳废水生产藻类生物质的平板光生物反应器的图形演示(复制自(Ravi Kiran和Venkata Mohan 2022)，获得Elsevier 2023许可)B用于培养小球藻的平板垂直光生物反应器的总体方案和C主反应器单元的照片，包括储层、底部、盖子、悬浮液、LED模块、LED、电源、平台、温度指示器和传感器、供电管、和喷雾器(转载自(Gabrielyan et al. 2022)，并获得MDPI 2022的许可)。D微泡固定CO2平板光生物反应器工艺流程图E平板光生物反应器中藻类生物量浓度(转载自(Carone et al. 2022)，获得Elsevier 2022许可)
生物电化学系统(BESs)已广泛应用于水/废水处理和资源回收等领域。近年来，BESs在微藻生长中的应用也引起了人们的关注。膜提供了一个通道来迁移营养物质，并可以将微藻从水相溶液中分离出来。生物燃料电池的研究通常集中在单室和双室微生物燃料电池以及具有高效有机物利用和养分回收的微生物电化学系统上。很少有研究人员研究利用BESs系统培养富蛋白微藻生产MP (Pan et al. 2021)。例如，Pan等人报道了在三室微藻BES中培养普通小球藻，同时利用农用工业废水生产MP，在最佳操作环境下获得了0.87-1.11 g dw/L的生物量增长。同样，其他几项研究也报道了不同BESs对高蛋白含量微藻生长的潜力(Bolognesi et al. 2022;Cevik et al. 2020;Elmaadawy et al. 2022;Elshobary等人2021;Jadhav et al. 2019;Sharma et al. 2020;Yang et al. 2021b)。
较高的经济成本、光线穿透、较长的微生物适应期和季节性天气变化是抑制光养生物从废物原料中广泛产生MP的一些障碍(Ayre等人，2017)。由于PBS生长技术的最新发展，PSB生产MP可以解决光养系统中出现的一些问题。PSB是光异养生物，利用有机碳作为合成代谢底物和红外(IR)光谱来产生能量(h
禽类废水中PSB生长的光生物反应器示意图(上)和有UV-VIS吸收膜和没有UV-VIS吸收膜的生物反应器图片(下)。B整个运行期间的生物质产量C饲喂家禽废水不同阶段生物反应器内的微生物群落结构(转载自(h
PSB也能在弱光下生长，并能在厌氧条件下适应低温。PSB对高氨浓度的耐受性和在室外系统中生长的能力使PSB成为农业-工业废物产生MP的潜在微生物。光照是提高整体光养系统成本的关键因素，禁止其用于MP生产。最近的研究正在通过利用阳光作为能源来降低PSB的MP生产成本来解决这一因素(Capson-Tojo et al. 2020)。然而，关于在室外环境中实际使用混合PSB培养物生产MP的研究有限(h
虽然直接发酵是一种成熟的生产多聚物的技术，但存在存在于农业工业废物中的重金属、农药和氯化碳氢化合物潜在生物积累的风险(Luo等人，2012;Martin et al. 2013;Puligundla and Mok 2021;Sakarika et al. 2022;Salehi and Chaiprapat 2022)。与这些污染物的毒性相关的问题可以通过将废物转化为微生物可以轻松利用的无毒底物来解决，例如通过有机生物质的AD生产沼气(Acosta等人，2020;Kim et al. 2022;Pander et al. 2020;van der Ha et al. 2012;Verbeeck et al. 2019)。这种方法在商业上更具吸引力，因为它可以将不同的废物流一起用于MP生产。图5描绘了沼气生产与AD工艺液流的工艺整合，合成用于动物饲料生产的MP。该过程的第一步是有机废物的AD(在多个底物的情况下共消化)，随后通过与选定的甲烷化菌在封闭生物反应器中发酵沼气生产MP (Bertasini等人，2022;Tsapekos et al. 2021;Zha et al. 2021)。沼气发酵在无菌培养基中进行，无菌培养基中含有微生物生长所需的营养物质。生产过程的优化受多种因素控制，包括生物甲烷氧比、AD消化液营养物质浓度、温度、反应时间、沼气浓度、湿度和pH (Martin et al. 2013;Puligundla and Mok 2021;Sakarika et al. 2022;Tsapekos et al. 2021)。在这一过程中，沼气成分可以显著影响产甲烷微生物培养物的生长(Cantera et al. 2016)。不同的微生物菌株有不同的生长和底物利用，了解选择最合适的微生物培养物和废物流作为底物的必要条件是很重要的(Areniello et al. 2023;Banks et al. 2022;Li et al. 2022b)。生成的生物质然后用于蛋白质提取，这需要生物质分离和干燥。寻找合适的分离技术以经济有效地收获生物质，以及干燥研究是制备最终产品的关键过程(Lee和Stuckey 2022;Sakarika et al. 2022)。报道了几种分离技术，包括重力沉降絮凝。目前正在研究喷雾和太阳能干燥作为可持续和具有成本效益的技术(Hu et al. 2022;Lee and Stuckey 2022)。最后对干燥后的产品进行分析，以找出总蛋白质、氨基酸、维生素、盐和其他感兴趣的参数的含量(Bonan et al. 2022;Lee and Stuckey 2022;Salehi and Chaiprapat 2022)。
农场有机废物厌氧消化和生产沼气发酵生产动物饲料用MP的工艺整合。这两个过程的结合反映了农业废物流向可再生饲料/食品的综合增值。该过程包括论证和分析所生产的饲料与目前使用的动物饲料相比既安全又有益
为了保证MP作为动物饲料的可持续性和经济可行性，生物甲烷作为原料可能是一个有吸引力的选择。生物甲烷是一种可行的底物，因为它是有机废物(农场粪便、有机农业废物、垃圾填埋场、食物垃圾等)AD的主要副产品(Acosta et al. 2020;Mu?oz et al. 2015;Puligundla and Mok 2021;Sakarika et al. 2022;Woolley et al. 2023;Xu et al. 2021a)。目前的研究重点是利用选定的甲烷氧化菌如Methylocystis parvus和Methylococcus capsulatus (Comesa?a-Gándara et al. 2022;G?sicka等人2021;Salehi and Chaiprapat 2022;Tsapekos et al. 2021;Zha et al. 2021)。此外，营养丰富的消化产物，厌氧消化的产物，可以提供氮和磷，而不是使用昂贵的化学营养素。使用这种综合方法，有机废物资源升级回收可以大大有助于寻找可持续，更便宜和环境友好的蛋白质来源(Tsapekos等人，2021)。然而，由于早期的大部分工作都集中在天然气和常规营养源的使用上，因此缺乏对从AD流中工业规模生产MP的研究。从农业有机废物中升级沼气和养分回收是大规模生产多聚塑料而不需要相应增加能源消耗的唯一可行方法。
由甲烷气体好氧发酵产生的MP具有独特的效益。甲烷营养微生物是富含蛋白质的生物质，蛋白质含量大于75%，具有取代传统蛋白质来源的潜力(Angelidaki等人，2018;Puligundla and Mok 2021;van der Ha et al. 2012;Verbeeck et al. 2019;Wang et al. 2022;Xu et al. 2021a)。在不同的温度、湿度等环境条件下，能够利用各种含有多种有机化合物的废物，是该工艺的关键优势(Li et al. 2022b;Martin et al. 2013;Puligundla and Mok 2021;Sakarika et al. 2022;Tsapekos et al. 2021)。然而，这一过程将沼气中的二氧化碳排放到空气中，这是一个缺点，因为二氧化碳是气候变化的主要原因。此外，由于在生物反应器培养基中直接形成沼气和O2的混合物，存在爆炸风险(Molitor et al. 2019;Mu?oz et al. 2015;Van Peteghem et al. 2022;Yang et al. 2021a)。
为了克服二氧化碳排放问题，提出了几种替代策略作为可能的解决方案，包括在单阶段过程中共同培养自养HOB和甲烷氧化菌(Areniello等人，2023;Chen et al. 2022;Hu et al. 2022;Lin et al. 2022)。然而，HOB的应用需要氢气，氢气通常是由高能耗的水电解方法产生的，并且存在爆炸的风险，也引起了安全问题。另一种有前景的替代工艺是在光养生物反应器中整合甲烷营养和藻类生物质生产，其中藻类固定产生的CO2，而藻类产生的O2被甲烷营养菌用作电子受体(Areniello et al. 2023;Azarpour et al. 2022;Balagurunathan et al. 2022;Wada et al. 2022)。该工艺优于甲烷营养化和甲烷营养化- hob工艺，因为它可以在不需要任何外部氧气的情况下共同转化沼气中的CH4和CO2。氢气和甲烷气体需要溶解在水介质中才能被微生物利用，然而，这些气体的溶解度差是它们在MP生产中的应用的瓶颈(Areniello et al. 2023)。几种生物反应器配置，如控制搅拌系统和u型环等形状，已被设计为传统反应器的替代方案，以解决溶解度问题(Nizovtseva等人，2022;Nyyss?l?等人，2022;Tyagi et al. 2022)。天然气通常被用作MP生产的甲烷气的来源。然而，在AD过程中，氢气是在产酸阶段作为中间产物产生的，由产甲烷的古菌迅速转化为甲烷。因此，除非有意抑制甲烷的形成以生产生物氢，否则通过HOB以沼气为基础的MP生产不被认为是一种合适的工艺，而生物氢到目前为止在商业上是不可用的(Khoshnevisan等人，2022;Nyyss?l? et al. 2022)。
解决与沼气使用相关问题的另一种策略是对其进行升级，以获得所需的特性(Khoshnevisan et al. 2022)。沼气升级可以通过几种物理化学和生物过程来完成，如吸收和吸附，这些过程已经商业化，可以用于MP生产(Luo et al. 2012)。它也可以使用生物过程来完成，其中包括电化学手段来执行底物的原位或非原位还原，例如在甲烷菌存在的情况下将CO2转化为CH4 (Martin et al. 2013;Mu?oz et al. 2015;Verbeeck et al. 2019)。例如，Acosta等人(Acosta et al. 2020)报道了从升级沼气中生产MP，其中应用电化学过程从厌氧消化产生的沼气流中分离CO2和CH4。CH4与H2混合的电化学升级沼气显示出高质量和高数量的MP生产，表明电化学分离是沼气升级生产MP的可行选择，如图6所示。利用太阳能驱动的电化学过程可以有效地将沼气中的CO2与CH4分离，同时生成H2和O2 (Kumar et al. 2016;Matassa et al. 2016)。对可再生光伏驱动的生物质生产潜力的定量分析表明，利用这种可再生资源生产的MP的生产效率高于传统作物(图6C) (Leger et al. 2021)。在本研究中，研究了利用太阳能将空气中的CO2转化为微生物生物量的效率，结果表明，在蛋白质产量和单位土地面积热值方面，以MP为基础的粮食生产落后于大豆等主要作物的种植(图6D)。该研究的结论是，多源粮食可以在很大程度上满足日益增长的粮食需求，并有助于分享未来不足的土地资源。
厌氧消化与电化学沼气升级一体化工艺方案概述A电化学升级沼气生产MP工艺示意图B沼气流中CO2通量及其相应的去除和电流效率(Acosta et al. 2020)。pv驱动的MP生产-太阳能MP能量转移示意图。每个转化步骤都与一个能量效率相关联，对应于用于电合成碳底物的电分数，D pv驱动MP生产的蛋白质产量作为辐照度的函数。分析了不同的电子供体和同化途径，并与传统作物(如大豆，蛋白质产量最高的主食)进行了比较(转载自(Leger et al. 2021)，并获得Elsevier 2021的许可)。
利用有机废物作为碳氮源被认为是一种可行的选择。AD工艺的上清液被认为是后续甲烷氧化菌生产MP的丰富氮源。然而，AD工艺的上清液的铵浓度很高，在1000 - 3000 mg-NH4 +?N/L之间，需要稀释以达到所需的铵浓度(Acosta et al. 2020)。据报道，在甲烷营养生物反应器中生产的生物质蛋白质含量在40-60%(以干细胞重量(DCW)为基础)的范围内，高于常用的动物饲料豆粕的蛋白质含量。因此，基于mp的饲料可以替代传统的蛋白质来源作为动物饲料添加剂。
H2S通常是AD产生的沼气的一个组成部分，其浓度可能会根据所使用的底物而变化(Angelidaki等人，2018;Miltner et al. 2017;Salehi and Chaiprapat 2019)。最近，一些研究报道了H2S对MP蛋白质含量的有害影响(Xu et al. 2020)。据报道，利用天然气生产生物质的效率明显高于利用含H2S的原料沼气。Xu等人报道，在粗沼气中H2S含量约为1000 ppm时，嗜酸分枝杆菌的生长受到抑制，所产生物质中的氨基酸含量下降，如图7所示(Xu et al. 2020)。此外，沼气中的H2S也会影响MP的质量。因此，对原料沼气进行脱硫处理是十分重要的。在MP生产中，氮的来源和浓度对微生物合成蛋白质具有重要作用。昂贵的合成富氮培养基，如铵矿物盐(AMS)、硝酸盐矿物盐(NMS)等，通常用于培养产生mp的微生物，包括藻类、甲烷氧化菌和HOB。有机废物中含有不同形式的氮，如氨、铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐，可以同时作为氮和碳的来源。在厌氧消化过程中，产生富含氨氮(NH4+-N)的沼液，仅中国每年就生产约10亿吨沼液，这成为一个严重的环境和经济问题(Ding et al. 2023)。因此，利用废物流作为产mp微生物生长的氮源已经显示出将成本降至最低的潜力。pH值一般对微生物生长有显著影响。在MP生产中调节pH值对于获得最大产量至关重要(Zeng et al. 2022)。结果表明，保持生物反应器内的酸性环境是获得较高生物量和MP合成的必要条件。有机废弃物AD的沼气和富营养的液态产物可作为解决方案。传统上，沼气用于热电联产，AD过程中富含营养的消化物作为肥料提供给植物，然而，它并不安全，其储存可能导致包括甲烷和氨在内的温室气体的逸散性排放(Haraldsen et al. 2011;Matassa et al. 2015;Styles et al. 2018)。甲烷氧化菌吸收营养物质以产生富含蛋白质的生物质似乎是一种有利的替代品(Khoshnevisan等人，2020;Matassa et al. 2015)。因此，利用农业有机废物的液体和气体流生产富含蛋白质的微生物生物质的有效生物技术将提高整个过程的经济价值。然而，从沼气生产MP的第二代概念尚未建立。关于AD工艺的效率、沼气发酵和生产的MP的质量存在问题。此外，沼气饲养的MP是否可以替代大豆和鱼粉等传统动物饲料来源也是一个研究课题(Suriyapha et al. 2020)。MP可以在当地从富含有机物的食物垃圾中生产，易于追踪来源和质量，并且能够提供动物生长所需的所有必需氨基酸和维生素(Alloul等人)。此外，与其他蛋白质来源相比，据称MP在能源、温室气体、水足迹和土地面积方面的环境负担要低得多，尽管该领域的科学文献有限(Sillman et al. 2020)。然而，选择生长速度相对较高的细菌、蛋白质含量和健康的氨基酸组成是生产高质量动物饲料细胞生物量的最重要因素。
H2S对甲烷氧化菌生长的抑制作用:OD410随反应时间的变化b随时间变化的CH4分布;C -硫化物随反应时间的变化曲线;d氨基酸谱分析作为干生物量的百分比(转载自(Xu et al. 2020)，并获得Elsevier 2020的许可)
虽然直接沼气发酵制MP的概念有许多潜在的好处，但为了使这一过程可行、高效和安全，必须克服一些挑战。将气体直接转化为MP面临着不同的挑战，包括传质限制、气体原料气的质量、对微生物催化剂的需求以及安全性(Khoshnevisan et al. 2022;Salehi and Chaiprapat 2022;Wang et al. 2022;徐等。2021a;Zha et al. 2021)。限制气液传质仍然被认为是气基发酵系统商业化的主要障碍之一(Sakarika et al. 2022)。比较不同反应器布局传质能力的一个有用参数是体积传质系数，它是对反应器水动力状态的直接评估(Li et al. 2021)。改进叶轮设计、流体流动模式、加气功率效率、混合时间、挡板设计和利用微泡分散器是文献中研究的一些克服传质限制的传统方法(Dupnock and Deshusses 2019;Lai et al. 2021;Rodríguez et al. 2020;Soto et al. 2021)。在加入发酵过程之前，原料气需要清洁。为了保证最佳的生产，在气体发酵过程之前应该使用适当的气体净化技术(Acosta等人，2020;Golmakani et al. 2022;Naquash et al. 2022)。将该工艺商业化的另一个关键步骤是发现可以将沼气转化为MP的厌氧细菌，其产品产量更高(Leu et al. 2020;Thamdrup et al. 2019)。必须考虑和解决几个安全挑战，以尽量减少与沼气发酵相关的风险。一些关键的安全挑战包括爆炸危险、有毒气体排放和火灾危险(Salehi和Chaiprapat 2022;徐等。2021a;Zha et al. 2021)。沼气是一种可燃气体，如果处理不当，可能会造成爆炸危险。发酵过程中使用的生物反应器和其他设备的设计和操作必须尽量减少爆炸的危险。必须采取适当的安全措施，如气体检测系统、防爆设备和足够的通风，以防止事故发生(Stolecka和Rusin 2021)。此外，沼气发酵会产生硫化氢和一氧化碳等有毒气体，对工人和环境构成健康风险(Tayou et al. 2022;Xu et al. 2020)。必须使用适当的通风、气体检测系统和个人防护设备来防止接触这些气体。
另一个与沼气转化为沼气有关的问题是它与其他沼气最终用途的竞争。沼气是一种多功能燃料，可用于发电、供暖和运输(Abanades et al. 2022)。因此，沼气市场的竞争非常激烈，生产沼气用于MP生产的成本需要与沼气的其他用途具有竞争力。此外，MP的生产需要大量的能量，包括维持生物反应器温度和向微生物提供营养所需的能量。这种能源必须由可再生能源提供，以确保该过程具有低碳足迹。MP的生产需要高水平的营养物，包括氮和磷，这些营养物在用于沼气发酵的底物中可能不容易获得。因此，可能需要额外的营养补充来实现高产量的MP。从沼气中生产MP必须在经济上可行，才能与其他蛋白质来源竞争。生产成本必须足够低，使最终产品与市场上的其他蛋白质来源具有竞争力。
由微生物生产的MP目前已商业化，并被Uniprotein?和丹麦Unibio A/S等公司用作动物饲料，称为FeedKind?(Alloul等人)。这些商业产品是由天然气中的甲烷有氧发酵生产的。在这个过程中，甲烷的发酵是由甲烷氧化菌进行的，同时在它们的蛋白质细胞中吸收氮化合物，如铵、氨和硝酸盐。由甲烷营养发酵产生的MP具有独特的益处，由于其蛋白质含量较高(约为干重的75%)，可以作为植物蛋白的替代品用作牛饲料(Ritala et al. 2017)。在过去的二十年里，很少有选定的细菌和真菌被用来生产多聚乳酸作为动物饲料。最近，用于动物饲料的MP的生产势头强劲。糖发酵动物饲料于1974年在芬兰生产，该工艺以商业名称“PEKILO?”注册，用于欧盟国家。该工艺利用丝状真菌拟青霉(Paecilomyces varioti)以糖为底物生产MP (Ritala et al. 2017)。初创公司eniferBio最近更新了PEKILO?工艺，使用不同的工业副产品作为底物来生产经验证用于水产饲料的MP生物质，并旨在进一步扩展其用于人类消费(eniferBio 2022)。英国帝国化学工业公司(Imperial Chemical Industries UK)利用含70%蛋白质的嗜甲基菌(Methylophilus methylotrophus)开发了一种以甲醇作为动物饲料底物的MP，品牌为Pruteen (Johnson 2013)。然而，由于其他廉价的蛋白质来源(如大豆)的存在，Pruteen的生产在商业上变得不可行，Pruteen的生产于1970年停止。丙酮是由甲醇生产的，但最近，甲烷作为MP生产的底物引起了人们的兴趣。包括UniBio A/S和Calysta Inc.在内的几家跨国公司已经开发出一种u型循环发酵罐技术，利用发酵甲烷化细菌将天然气转化为MP。UniBio以品牌名称UniProtein?将其商业化，其中含有约70%的蛋白质，已被批准用于动物饲料(Petersen et al. 2017)。同样，Calysta Inc.于2016年在英国市场推出了商业名称为FeedKind?的MP，作为动物饲料公司与嘉吉美国公司合作建立了一个更大的生产设施。卡塔尔的生物技术公司已经表现出采用新技术的兴趣和雄心。最近，卡塔尔海湾生物技术公司和Unibio合作在卡塔尔建立了一个生产设施，这是海湾地区第一个天然气转化为蛋白质的工厂，最初生产6000吨UniProtein?作为水产养殖牲畜的饲料(Unibio 2022)。
像Calysta Inc.和UNIBIO这样的生物技术公司正在通过使用纯微生物培养来生产MP，这需要相对纯净的共同底物和营养来源，以避免污染风险。然而，化学级营养物质(微量和宏量营养素)的供应和天然气作为甲烷源增加了运营成本，是降低MP生产成本的瓶颈。此外，天然气的使用是不可持续的和环境友好的。因此，通过天然气发酵工艺生产MP的可持续性受到质疑(Kalyuzhnaya et al. 2013)。为了解决上述问题，需要更便宜和可持续的底物(甲烷和营养物质)来源，从而导致细菌蛋白质生产的咆哮。
利用废弃底物生产的酵母和甲烷化营养物MP已作为动物、鱼类和虾粉进行了测试(Sharif等人，2021;Woolley et al. 2023;Zheng et al. 2023)。Yang等人(Yang et al. 2021c)研究了酵母C. utilis MP作为断奶仔猪的饲料补充。由此可见，利用梭菌为基础的MP有可能在断奶仔猪的生长中替代抗生素的使用。此外，MP促进了仔猪的整体生长和肠道健康，减少了腹泻，提高了盲肠菌群的多样性和丰富度。PSB生产的MP作为家禽和猪饲料已应用多年，可提高产蛋率、蛋黄色素含量、鸡健康细度和动物体重(Lu et al. 2019)。
基于MP的水产养殖饲料被认为是下一代非常规蛋白质，因为MP在水产养殖研究中显示出了有希望的结果(Glencross et al. 2020)。几项研究探索了真菌、藻类和甲烷营养化MP作为虾、日本黄尾鱼、鲑鱼、鳟鱼、鲱鱼、大比目鱼幼鱼、大口黑鲈和王鱼饲料的应用，与消化率良好的传统饲料相比，它们的生长率更高(Biswas等人，2020;Glencross et al. 2020;Pilmer et al. 2022;Woolley et al. 2023;Zamani et al. 2020;Zhang et al. 2022;Zheng et al. 2023)。已经研究了不同配方(15%至24%)的酿酒酵母MP作为传统鱼粉或豆粕的替代品，而不会对生长速度产生任何负面影响(?vrum Hansen et al. 2019)。与对照组相比，含36%甲基化菌辅助MP的大西洋鲑鱼的生长速度更高，然而，观察到营养物质的消化率降低。产自甲烷营养荚膜芽胞杆菌生物量的MP在饲料蛋白质中占38%，在鲑鱼饲料中占52%时，鳟鱼生长最佳。此外，据报道，在豆粕中使用荚膜芽孢杆菌饲料的混合物可以防止鲑鱼发生肠炎，而这通常被认为是使用豆粕造成的，这表明MP饲料具有额外的优势。另一项研究发现，在鲑鱼口粮中，以讹讹性甲基杆菌为基础的KnipBio粉可以以55%的MP代替鱼粉，其生长速度与豆粕相当(Hardy et al. 2018)。目前，从紫色非硫菌生物量中生产的多磺酸作为水产养殖饲料呈上升趋势。在水产养殖饲料中添加1%的两种紫色非硫细菌组合产生的MP使对虾的生长速度提高到对照饲料的水平(Alloul et al. 2021)。MP饲料通常会导致水产养殖中的适口性问题，一些研究试验建议使用大蒜(Allium sativum)和鱼类水解物作为适口性和消化增强剂，通过刺激负责消化的酶(Abdelwahab等人，2020;Esmaeili et al. 2017;Jones et al. 2020;Tola et al. 2022;Woolley et al. 2023)。与传统鱼类饲料相比，在添加添加剂的情况下，鱼的适口性得到了显著提高，生长和饲料利用效率得到提高，但采食量没有下降。此外，甘油三酯和组织病理学结果表明，与对照饲料相比，用MP喂养的barramundi的肝脏更健康(图8)。上述研究表明，来自不同废物流的MP是一种有效的替代下一代水产养殖饲料，然而，必须仔细控制MP与传统鱼粉的替代水平，因为较高比例的MP会对水产养殖产生不利影响(Zhang et al. 2022)。例如，最近的一项研究报道，甲烷化菌MP可以替代30%的鱼粉，而不会影响河鲆幼鱼(Scophthalmus Maximus L.)的生长速度和健康(Zheng et al. 2023)。然而，鱼粉中较高的MP替代水平对抗氧化能力、肝脏健康和代谢产生了不利影响(Zhang et al. 2022)。
(I)水产养殖中甲基化MP作为鱼粉评价的图解(II)饲喂饲料(A和C)对照饲料(B和D) 30% MP的梭鲈肝脏和脾脏切片的代表性组织学显微照片(转载自(Woolley et al. 2023)，已获得Elsevier 2023许可)
PSB生产的高价值MP和添加剂可用于养殖浮游生物、对虾和鱼类饲料。据报道，以psb为基础的水产养殖饲料可促进鱼虾生长，抑制鳍腐病等一些疾病(Lu et al. 2019)。psb是中国较早开发用于水产养殖的微生物之一，现在被广泛用于动物饲料(Laskowska et al. 2017)，并在最大的电子商务平台阿里巴巴上销售。产品可为液体或粉末，价格为600 - 1200美元/吨。每年生产约1.036亿吨PSB液体和干粉产品，市场规模为6.216亿至12亿美元(Lu et al. 2019)。
可持续的环境和粮食安全要求对富含碳和养分的有机废物和工业副产品进行循环管理。与厌氧消化、填埋、堆肥等用于不同废物流的传统技术相比，利用有机液体和固体废物生产MP可能是一种更好的废物管理方法(Pereira et al. 2022)。尽管如此，对个别情况和工艺发展的警惕评估是实现可持续性的先决条件，例如，将AD和气体发酵与清洁安全的MP生产过程相结合(van der Ha et al. 2012)。此外，利用废原料生产MP可以中和有害物质，减少环境污染，将废物转化为增值产品。另一个方面是由自养mp生产微生物捕获的二氧化碳。根据一项研究，MP和生物炭的合成可导致每年碳固存高达《巴黎协定》目标的50% (Ngoc-Dan Cao et al. 2022)。MP生产的环境效益以及可持续的高品质食用蛋白生产使人们对这一过程的兴趣增强。此外，基于mp的食品和饲料生产可以成为一种替代方案，并减少传统蛋白质来源的生产，传统蛋白质来源由于转换效率低而不可持续。MP生物质在动物饲料中的应用受到当前底物成本较高和来自传统饲料来源的竞争的限制。气候变化是对全球粮食生产系统的严重威胁，基于mp的饮食除了减少其环境足迹外，还可以解决目前限制粮食生产的几个环境界限。MP食品和饲料可以由光合微生物生产，如微藻、紫硫细菌和蓝藻，而不需要耕地。此外，二氧化碳的捕获、储存和转化为有机化合物为完全不需要光合作用的食物和饲料合成MP生物质开辟了一个新的生态位。评估MP环境效益的另一种方法是将其与家畜蛋白质生产进行比较。虽然反刍动物肉为人类和一些动物提供了宝贵的蛋白质，但牲畜的生产对环境有几种不同的影响，包括但不限于温室气体排放、森林砍伐、过度使用土地和水以及富营养化。通过对生物反应器中MP生产进行生命周期评估(LCA)， MP已显示出解决与畜牧生产相关问题的潜力(Finnigan等人，2019;Hashempour-Baltork et al. 2020;林德2019;silman et al. 2020;Stephens et al. 2018)。最近一项基于模型的研究预测，到2050年，在全球范围内用MP取代20%的传统蛋白质消费，可以将所需的全球牧场面积、森林砍伐和二氧化碳排放量减少约一半(Humpen?der et al. 2022)。
用于牲畜和水产养殖的第一代MP饲料是使用天然气和合成化学品生产的，因此可能被认为是传统饲料的可持续性较差的替代品。这些挑战导致了第二代MP的发展，科学家们将具有成本效益的原料与可持续技术(如碳捕获和可再生能源减少、厌氧消化、营养物质回收、沼气升级和发酵)的使用结合起来。在电能转化为食物的模式下，两种富含蛋白质的微生物MOB和HOB的发酵显示出巨大的潜力，可以将AD废水升级为富含蛋白质的生物质，并结合可再生能源发电。大规模生产基于moba的MP很早以前就已经商业化，其环境影响已经被研究和报道(Khoshnevisan et al. 2022)。另一方面，第二代MP的生产仍在调查中，尚未扩大规模，因此其工业环境影响尚未研究到这一点。缺乏对第二代MP合成设施在不同投料策略和技术应用下的可持续性特征的详细分析，特别是其与可再生能源的整合。
尽管MP具有非常吸引人的特性，但其中涉及的一些抗营养因素引起了人们对其在饲料中的使用的一些担忧。主要问题是MP中核酸的存在，与其他传统蛋白质来源相比，核酸的存在更高。蛋白质饮食中核酸的存在与血清尿酸的增加有关，尿酸会导致肾结石的发生。氨基酸形成约70-80%的氮组成，而剩余的氮以支持微生物生长的核酸的形式存在。已经提出了几种物理化学处理方法来去除MP生产过程中的核酸(Dantas Jr et al. 2016)。另一个需要解决的挑战是微生物细胞壁的存在，这给鸟类和一些消化系统简单的动物带来了一些消化问题。此外，活的微生物细胞需要灭活，以避免皮肤和胃肠道感染和令人不快的颜色和味道。丝状真菌MP被认为是一个更高的产量过程，因为它的高生长速度与酵母相比;然而，与任何其他微生物MP相比，它具有更高的污染风险。细菌MP也有一些限制因素，包括高RNA含量、内毒素的存在和污染的风险。
将有机废物转化为高质量的食品/饲料具有巨大的潜力，但在广泛应用之前需要解决许多挑战。目前，市面上还没有普遍认可聚乳酸作为动物饲料，养殖户是否愿意用聚乳酸代替传统动物饲料是一个问题。因此，需要在包括法律实体在内的不同利益相关者之间开展广泛的运动，以使公众普遍接受MP生物质饲料和食品。精心选择多聚物合成工艺、合适的原料和微生物是避免与多聚物食品和饲料生产相关的所有上述问题并获得多聚物最大效益的关键因素。
最后，需要对包括真菌、酵母、藻类、PSB和甲烷氧化菌在内的所有微生物系统进行大规模的户外研究，以在现实世界中推进和实施MP生产技术。该工艺的升级将有助于确定微生物生长、废物原料利用以及最终MP产品质量的各种因素。为此，需要为生产方案中涉及的每个生物过程设计和优化详细的栽培策略，包括全面的经济和环境评价。规模化系统可以提供更多关于不同微生物的生物量保留、基于原料和当地环境条件的生物反应器设计以及灭菌、脱水和干燥等下游处理的信息。需要对所生产的MP的不同成分进行进一步的应用研究，并通过热情的饲料试验来验证它们对水产养殖、家禽和其他牲畜的影响。
将农业工业废物转化为多聚物也提出了若干挑战，必须加以解决，以确保生产过程的安全。沼气发酵的安全挑战包括爆炸危险、有毒气体排放和火灾危险。在MP生产过程中，几种微生物会产生一些有毒物质，如蓝藻毒素和真菌毒素，需要通过仔细选择MP加工的微生物来控制这些毒素的产生(Areniello等人，2023;Xu et al. 2021a)。此外，除了有毒物质外，MP加工过程中微生物的突变也可能导致一些有毒致癌成分的形成(Areniello et al. 2023)。发酵过程会产生有毒气体，对工人和环境构成健康风险(Kerckhof et al. 2021)。此外，将沼气转化为MP还存在一些挑战，包括传质限制、气体原料气的质量、对微生物催化剂的需求以及安全性。此外，基于mp的食品和饲料产品的生产受到各种国家和国际机构的监管。基于mp的饲料生产过程的监管框架通常需要进行安全评估，以确保它们不会对人类或动物健康构成风险。安全评估通常包括对生产过程、MP来源以及与产品使用相关的任何潜在风险的评估。
