综述：作为单细胞蛋白质生产的原料进行加工：潜在的产格式菌株、发酵过程中的挑战以及生产规模的扩大

《Bioresource Technology Reports》：Formate as a feedstock for single-cell protein production: Candidate formatotrophs, fermentation challenges, and scalability

单细胞蛋白（SCP）利用甲酸作为发酵原料，在气候变化背景下为解决全球粮食安全问题提供新途径。甲酸可由CO?或生物质废料可再生生产，具备高溶解性、易储存和同时提供碳源及还原力等优势，但存在菌体生长缓慢、RNA含量高、毒素等问题。研究提出通过优化发酵配比、实验室进化增强菌种性能等策略突破瓶颈，并探讨甲酸基SCP在食品与饲料领域的营养与安全标准，为工业化生产奠定基础。

　　

罗比·蒂斯代尔（Robbie Teasdale）| 大卫·詹金斯（David Jenkins）| 巴特·潘德（Bart Pander）| 乔治·艾利森（George Allison）| 尼古拉斯·威洛比（Nicholas Willoughby）| 庄世文（Shiwen Zhuang）

英国爱丁堡赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）工程与物理科学学院生物化学、生物物理学与生物工程研究所

摘要

随着人口的增长，对含有高质量必需氨基酸的蛋白质的需求也在增加。传统的农业生产方式受到气候变化的威胁，这表明需要创新的食物和饲料生产方法来加强全球粮食安全。甲酸是一种潜在的可再生底物，可以被甲酸营养菌吸收并转化为单细胞蛋白质，这些细菌将甲酸作为生长的唯一碳源和能源。此外，与其它一碳化合物相比，甲酸具有许多技术优势，可能有助于加速生产规模的扩大。本文旨在提供使用甲酸作为发酵原料的单细胞蛋白质生产的最新综述。通过对天然甲酸营养菌（如Cupriavidus necator和Methylorubrum extorquens）的分析表明，它们可以产生适合食品和水产饲料应用的具有良好营养成分的生物质。然而，仍存在一些关键挑战，包括高生物量中的RNA含量、内毒素的存在以及较低的生长速率和生物量产量。本文讨论了这些挑战对食品和饲料应用的影响，以及克服这些挑战的新兴策略。特别是，优化了发酵喂养方法和适应性实验室进化技术，这些技术可以在不进行基因工程改造的情况下提高发酵性能。此外，我们还探讨了基于CO₂的甲酸在单细胞蛋白质生产中的潜力，并提出了一个综合工艺。总体而言，本文总结了当前基于甲酸的单细胞蛋白质生产的研究进展，并指出了实现工业规模扩张所需的重点研究领域。

引言

为了支持世界人口的增长，预计未来十年全球农业和作物产量将增加14%（经合组织与粮农组织，2025年）。然而，气候变化威胁着作物生产，小麦容易受到高温和干旱的影响（张等人，2022a；张等人，2022b），而水稻则受到海平面上升和盐水入侵的威胁，特别是在越南等大规模生产国家（Kweku Sackey等人，2025年）。这些粮食作物为全球的肉类和鱼类养殖业提供饲料，因此气候变化威胁到了肉类和植物性食品及饲料生产的可持续性。此外，畜牧业对全球温室气体（GHG）排放的贡献显著（每100克牛肉蛋白产生42公斤二氧化碳当量）（Aguilar等人，2020年），这通过极端天气事件加剧了全球粮食安全问题。在依赖自然降雨进行作物种植的国家（如赞比亚），这一问题尤为明显。2024年，赞比亚因干旱导致近百万公顷玉米死亡，宣布进入国家紧急状态（ACAPS，2025年），这大大增加了该国对蛋白质进口的依赖，凸显了发展中国家粮食生产的脆弱性（ACAPS，2025年）。这清楚地表明，迫切需要开发能够抵御气候变化的低碳食品来源。

单细胞蛋白质（Single-Cell Protein，SCP）是指为人类或动物消费而培养的任何微生物所产生的蛋白质或生物质（Sharif等人，2021年）。根据欧洲食品安全局（EFSA）的定义，“食品级”产品是指用于人类消费的产品，而“饲料级”产品是指用于动物消费的产品（欧洲议会和理事会，2002年）。生物反应器可以不受天气影响运行，并且所需土地极少（Woern和Grossmann，2023年）。此外，生物反应器发酵可以生产出干重中蛋白质含量高达80%的生物质，可用于食品或饲料（Ismail等人，2025年）。因此，生物反应器中培养的食品级SCP产品可以直接保障粮食安全，而饲料级产品则可以通过减少畜牧业和渔业对适合人类消费的粮食的依赖来间接提高粮食安全（Makkar，2018年）。发展中国家在可再生能源方面的重大投资增加了在这些地区进行SCP生产的可行性。例如，赞比亚的太阳能电价现已低至每千瓦时6.01美分（MIGA，2024年）。因此，预计SCP将在撒哈拉以南非洲的替代蛋白质市场中实现显著增长，到2035年其价值可能达到10亿至20亿美元（Manufacturing Africa，2025年）。然而，目前生产SCP的发酵过程主要使用食品级底物，如葡萄糖（Ritala等人，2017年）。这些底物本身即可食用，但其供应取决于农作物生产，从而再次引发了由气候变化引起的粮食安全问题。因此，使用非食品来源的底物来生产SCP是可取的。

甲酸是一种非食品级的一碳（C1）化合物，在生物技术领域受到了广泛关注。例如，甲酸可以通过多种工艺从二氧化碳（CO₂）或生物质废物中可再生生产（Yishai等人，2016年；Chen等人，2023a；Chen等人，2023b；Kim等人，2024年），并且与其它C1化合物相比具有多种物流和工程优势（表1）。这些优势包括其完全溶解性和易于储存的特点，使其成为储存氢气（H₂）能量的理想中间体。此外，甲酸同时提供碳和还原力，这意味着它可以在发酵过程中作为唯一的碳源和能源。这与二氧化碳（CO₂不同，后者需要额外的还原力来源才能进行发酵。氢气（H₂）可以为氢氧化细菌（HOB）提供还原力，使CO₂转化为高价值化学品（Nangle等人，2020年）。然而，氢气的溶解度低于二氧化碳（Sander，2015年），并且与氧气混合时可能产生爆炸性混合物（Wang和Law，2013年），从而带来安全隐患。另一种方法是利用微藻将光能转化为还原力来利用CO₂。然而，设计能够使光线有效穿透密集微藻培养物的光生物反应器是一个具有挑战性的多学科问题（Riihiaho等人，2025年）。因此，甲酸可能为将CO₂和生物质废物转化为高价值有机物（包括SCP）提供更可行的途径。

预计未来十年甲酸的全球市场将大幅增长（Tzitzili等人，2025年）。随着甲酸生物经济的发展，将其与SCP生产相结合的机会也将增加。然而，甲酸发酵的可扩展性受到天然甲酸吸收途径效率低下和甲酸还原力较低的限制（表1），导致生长速率和生物量产量较低（Claassens等人，2019年）。此外，大多数适用于工业生产的微生物并不天然生长在甲酸上，因此研究主要集中在开发具有更高效合成途径的新甲酸营养菌上，从而产生了转基因（GM）甲酸营养菌。由于转基因微生物（GMMs）在食品和饲料链中的使用仍然有限，甲酸作为SCP原料的潜力相对被忽视，过去5年的综述通常关注其作为生产生物燃料和生化产品的中间体的潜力（Mao等人，2020年；Qian等人，2025年）。

在简要概述相关代谢途径后，本文探讨了甲酸营养菌的营养成分，重点介绍了可用于食品和饲料的天然和转基因甲酸营养菌。近年来，许多公司（如Calysta和KniBio）已经证明了将C1底物转化为细菌SCP用于水产饲料的可行性（Ritala等人，2017年）。因此，本文主要讨论了水产饲料方面的内容。在这些背景下，本文讨论了食品级和饲料级SCP之间的关键差异，特别是在营养要求和生物安全方面的考虑，以评估基于甲酸的SCP在这两种应用中的潜力。此外，还讨论了提高甲酸营养菌发酵性能的策略，包括喂养策略和适应性实验室进化（ALE）。同时，还强调了所使用的优化策略与最终生物量营养质量之间的关系，为设计适用于食品和饲料级产品的发酵过程提供了框架。最后，本文讨论了利用二氧化碳（CO₂生产SCP的潜力，并概述了实现规模化生产所需的挑战和未来发展方向。

部分摘录

卡尔文-本森-巴斯汉循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）

卡尔文-本森-巴斯汉循环（CBB循环，图1A）是支持光合作用的碳固定途径。同样，CBB循环也为许多氢氧化细菌（HOB）提供了CO₂固定的代谢途径（Hudson，2024年）。由于甲酸的氧化会产生CO₂和还原力，利用CBB循环的HOB通常能够以甲酸作为唯一的碳源和能源进行生长（Bar-Even，2016年）。然而，在下游生产之前，CBB循环涉及多个消耗ATP和NAD(P)H的反应

食品和饲料的一般营养要求

新型SCP作为食品或饲料的批准取决于其营养质量的验证。在评估甲酸营养菌SCP的潜力之前，有必要明确影响其营养价值的因素。高蛋白质含量是SCP营养质量的标志，据报道，干重中蛋白质含量超过45%的水产饲料产品对虹鳟鱼的生长和饲料转化效率最为理想（Ahmed等人，未提供完整信息）

开发用于食品和饲料的甲酸营养菌SCP：生物安全性和市场可行性挑战

除了营养验证外，地区咨询和监管机构还要求在产品批准前验证新型SCP的生物安全性和市场可行性。虽然相关立法已经讨论过（Hadi和Brightwell，2021年；L?hteenm?ki-Uutela等人，2021年），但仍需具体讨论甲酸营养菌SCP的生物安全性和市场可行性，以评估其作为食品和饲料的潜力

批次发酵的局限性

由于多种原因，批次发酵不适合扩大甲酸发酵的规模。例如，为了减轻甲酸吸收引起的细胞质酸化对产量的限制（Lee等人，2006年），在批次发酵中只能使用低浓度的甲酸（通常<160 mM），这限制了如C. necator等甲酸营养菌的生物量和生产力，因此无需额外添加底物

与替代底物相比的单细胞蛋白质生产成本比较

近年来，多项综述讨论了碳捕获和利用技术的最新进展和技术经济可行性，包括从二氧化碳（CO₂生产甲酸的相关技术（Li等人，2024年；Hadi等人，2025年）。然而，在评估不同方法生产的甲酸的可扩展性时，仍需要进行简要的成本比较。在试点规模研究中通过氢化法生产甲酸时（见第4.5节），最低售价

结论

基于甲酸的SCP生产为减少全球粮食安全提供了有吸引力的途径。这得到了甲酸营养菌蛋白质高质量必需氨基酸谱的支持，尽管关于其消化性的数据仍不足。适应性实验室进化（ALE）已被证明是提高甲酸发酵生长速率和潜在生物量产量的有效策略，同时也有助于开发新的、适用于工业生产的甲酸营养菌

CRediT作者贡献声明

罗比·蒂斯代尔（Robbie Teasdale）：撰写初稿，概念构思。大卫·詹金斯（David Jenkins）：撰写、审稿和编辑，监督。巴特·潘德（Bart Pander）：撰写、审稿和编辑，监督。乔治·艾利森（George Allison）：撰写、审稿和编辑。尼古拉斯·威洛比（Nicholas Willoughby）：撰写、审稿和编辑，监督。庄世文（Shiwen Zhuang）：撰写、审稿和编辑，监督，概念构思。

未引用的参考文献

Gasparrini等人，2025年

Holmstr?m和Pitk?nen，2020年

Jach等人，2022年

Javed Malik等人，2019年

Lagos和Stein，2017年

Nachtigall等人，2025年

Novak等人，2025年

Sparkes等人，2020年

Yamada和Sgarbieri，2005年

Zhu等人，2021年

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：罗比·蒂斯代尔报告称其获得了Albida Agriculture的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）通过与赫瑞瓦特大学的博士培训合作伙伴计划支持这项博士生研究。同时，我们也感谢Albida Agriculture Ltd.提供的慷慨资金支持。