科技日报记者 陈 曦
2月19日，科技日报记者获悉，DeepTech深科技发布了《2023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究》报告。报告聚焦合成生物技术在新食品中的应用，其中，通过发酵蛋白技术生产替代蛋白受到广泛关注。
一直以来，在健康与环保双重需求的驱动下，发酵蛋白产业规模也在不断扩大，由微生物发酵生产的替代蛋白也逐步应用到肉、功能饮料、纯素奶酪等各种产品中。
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发酵蛋白“肉”健康又环保
肉类是人类获取蛋白质的主要来源之一，随着人口数量增长、城市化进程加快，全球植物蛋白和动物蛋白人均需求量和年需求量均显著增长。传统肉类的生产消耗大量淡水、土地资源，并增加温室气体的排放。以牛肉为例，生产1千克牛肉需消耗15吨水，排放36千克—300千克当量的二氧化碳，生产1千克牛肉所需的土地面积为1千克粮食生产所需土地面积的13倍。传统肉类生产方式难以满足人类对肉类蛋白的可持续需求。动物肉，特别是“红肉”富含胆固醇与饱和脂肪，摄入过多会增加肥胖及心脑血管疾病产生的风险。因此，人类一直在寻找替代蛋白，以期制造出健康又环保的“肉”。
目前替代蛋白主要有三类：植物蛋白、细胞蛋白、发酵蛋白，其中发酵蛋白最具发展前景。
“发酵蛋白也叫微生物蛋白，是一种以葡萄糖、淀粉、糖蜜、合成气、二氧化碳等为底物，利用微生物发酵方式生产的蛋白。”中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究员介绍，发酵蛋白中的蛋白含量高达40%—80%，含有多种维生素、纤维素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质等，且不含胆固醇，对心脑血管疾病患者更加友好。
“在口感上，相比于以大豆为原料的植物蛋白，发酵蛋白无豆腥味。与利用动物干细胞制造的细胞蛋白相比，发酵蛋白成本也更低。”李德茂解释，蛋白质的主要成分是氨基酸，不同肉类的氨基酸比例不同，通过调控微生物可以模拟生产出不同比例氨基酸的蛋白。例如，利用发酵蛋白制作的鸡肉，其在口感、香味、质构、咀嚼特性等方面的仿真度可达85%左右。
在制作工艺方面，人们一般利用含碳、氮、氧等元素的低成本原料，比如秸秆、工业废气、合成气以及二氧化碳等，通过控制发酵罐的温度、酸碱度和营养条件，来生产发酵蛋白。
“发酵蛋白的生产效率非常高，有研究表明，微生物发酵生产蛋白的速度是植物的500倍，是动物的2000倍。”李德茂介绍，一亩大豆田每年可收获约130千克大豆，获得52千克植物蛋白。而利用100吨发酵罐进行微生物发酵，一年能生产近100万千克发酵蛋白。
此外，发酵蛋白转化率较高。李德茂表示，通过微生物发酵方式利用1千克淀粉可以生产出190—200克蛋白，然而用1千克淀粉喂养家禽、家畜，仅能分别生产出47克和14克蛋白。
“发酵蛋白可以实现‘变废为宝’和高效的生物制造，与之相比，生产植物蛋白仍然需要以大豆为原料。”李德茂表示，目前我国每年要进口1亿吨左右的大豆，要实现进口大豆的国内生产，额外需要7.6亿亩土地，并消耗大量的水和化肥等生产资料。
细胞蛋白生产虽不受原料的限制，但培养条件苛刻，科研人员需从动物体内提取干细胞，并利用血清等多种营养物质“喂养”，使其不断“成长”，因此生产成本较高。
还能用于饲料制造和医疗领域
“目前，发酵蛋白也有应用于饲料和医疗领域的潜力。”李德茂介绍。
国际上，发酵蛋白食品层出不穷。自20世纪80年代开始，英国品牌Quorn就开始利用发酵蛋白技术进行食品开发。Quorn利用高通量筛选技术，用丝状镰孢菌发酵出高纤维、低饱和脂肪的优质蛋白。最早上市的产品为健身蛋白粉，2011年Quorn发布了第一款发酵蛋白“肉”汉堡，近来又推出了香肠、肉卷类产品，深受消费者喜爱。
美国公司Perfect Day利用微生物来制造乳清、酪蛋白等，模拟出真正的牛奶。而后该公司又推出了首款生物制乳蛋白冰淇淋，其口感和质地与牛奶冰淇淋无异。
Clara Foods是全球第一家生物合成蛋清蛋白的美国公司，该公司利用酵母菌生产蛋清蛋白作为烹饪和烘焙原料，其口感与鸡蛋相仿，且营养丰富，不含胆固醇。
李德茂介绍：“截至目前，全球已经有18个国家许可镰孢菌发酵菌丝体蛋白食品上市销售。”
我国也把发展微生物发酵蛋白饲料作为未来饲料行业发展的一个重要方向。《生物产业发展“十二五”规划》《饲料工业“十二五”发展规划》明确提出：生物技术与生物饲料在保障饲料安全与食品安全、促进饲料产业健康可持续发展及产业布局等方面具有重要意义，发展微生物发酵蛋白饲料是我国今后饲料工业发展的长期战略。
“具有特殊功能的发酵蛋白也可应用在医疗领域。”李德茂表示，人们未来可以开发生产具有特殊功能的发酵蛋白，例如富硒蛋白，并将其应用于医疗领域，可同时发挥蛋白和硒的功能作用。
解决这些问题才能实现进一步普及
以发酵蛋白为原料的诸多产品已实现商业化生产，且生产成本低廉，表现出良好的可扩展性。但若想让更多发酵蛋白食品进入大众视野，一些问题仍亟待解决。
“首先，发酵原料来源有待解决。”李德茂解释，目前，发酵蛋白主要原料来自淀粉产生的葡萄糖，而淀粉仍来源于农业生产。因此，我们要开发出更多负碳发酵技术，利用一些低成本原料，例如合成气、二氧化碳等，使发酵蛋白技术更加可持续。
其次，发酵蛋白食品若能够真正登上餐桌，其口感是关键。“目前发酵蛋白食品可通过物理加工方式改变蛋白的球状结构，制造出类似真实肉纤维的拉丝蛋白，更具动物肉的质感、咀嚼感和香味。”李德茂表示，目前发酵蛋白食品以肉糜类为主，在制成汉堡、肉丸、鸡肉块、香肠等产品时口感与动物蛋白较接近，但仍无法制作成全切肉，也很难适应中国多样化的烹饪方式。
目前，饲料领域发酵蛋白生产成本仍然较高，为实现发酵蛋白产品替代传统蛋白产品的经济可行性，人们要进一步优化生物工艺设计，提高单位体积生产率，实现发酵蛋白规模化生产效益，降低发酵蛋白饲料领域生产成本。“虽然发酵蛋白还无法完全替代动物养殖蛋白，但是一批生物科技企业正在利用极具创新性的技术和产品不断带给人们信心。”李德茂表示，发酵蛋白的出现，对于改变人类的饮食习惯、改善环境具有积极且深远的意义。
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