發(fā)酵蛋白中的蛋白含量高達40%—80%，含有多種維生素、纖維素、碳水化合物、脂類、礦物質，以及豐富的酶類和生物活性物質等，且不含膽固醇，對心腦血管疾病患者更加友好。
(資料圖)
李德茂
中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所研究員
2月19日，科技日報記者獲悉，DeepTech深科技發(fā)布了《2023合成生物學在食品微生物制造中的應用與前景研究》報告。報告聚焦合成生物技術在新食品中的應用，其中，通過發(fā)酵蛋白技術生產替代蛋白受到廣泛關注。
一直以來，在健康與環(huán)保雙重需求的驅動下，發(fā)酵蛋白產業(yè)規(guī)模也在不斷擴大，由微生物發(fā)酵生產的替代蛋白也逐步應用到肉、功能飲料、純素奶酪等各種產品中。
發(fā)酵蛋白“肉”健康又環(huán)保
肉類是人類獲取蛋白質的主要來源之一，隨著人口數(shù)量增長、城市化進程加快，全球植物蛋白和動物蛋白人均需求量和年需求量均顯著增長。傳統(tǒng)肉類的生產消耗大量淡水、土地資源，并增加溫室氣體的排放。以牛肉為例，生產1千克牛肉需消耗15噸水，排放36千克—300千克當量的二氧化碳，生產1千克牛肉所需的土地面積為1千克糧食生產所需土地面積的13倍。傳統(tǒng)肉類生產方式難以滿足人類對肉類蛋白的可持續(xù)需求。動物肉，特別是“紅肉”富含膽固醇與飽和脂肪，攝入過多會增加肥胖及心腦血管疾病產生的風險。因此，人類一直在尋找替代蛋白，以期制造出健康又環(huán)保的“肉”。
目前替代蛋白主要有三類：植物蛋白、細胞蛋白、發(fā)酵蛋白，其中發(fā)酵蛋白最具發(fā)展前景。
“發(fā)酵蛋白也叫微生物蛋白，是一種以葡萄糖、淀粉、糖蜜、合成氣、二氧化碳等為底物，利用微生物發(fā)酵方式生產的蛋白。”中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所李德茂研究員介紹，發(fā)酵蛋白中的蛋白含量高達40%—80%，含有多種維生素、纖維素、碳水化合物、脂類、礦物質，以及豐富的酶類和生物活性物質等，且不含膽固醇，對心腦血管疾病患者更加友好。
“在口感上，相比于以大豆為原料的植物蛋白，發(fā)酵蛋白無豆腥味。與利用動物干細胞制造的細胞蛋白相比，發(fā)酵蛋白成本也更低。”李德茂解釋，蛋白質的主要成分是氨基酸，不同肉類的氨基酸比例不同，通過調控微生物可以模擬生產出不同比例氨基酸的蛋白。例如，利用發(fā)酵蛋白制作的雞肉，其在口感、香味、質構、咀嚼特性等方面的仿真度可達85%左右。
在制作工藝方面，人們一般利用含碳、氮、氧等元素的低成本原料，比如秸稈、工業(yè)廢氣、合成氣以及二氧化碳等，通過控制發(fā)酵罐的溫度、酸堿度和營養(yǎng)條件，來生產發(fā)酵蛋白。
“發(fā)酵蛋白的生產效率非常高，有研究表明，微生物發(fā)酵生產蛋白的速度是植物的500倍，是動物的2000倍。”李德茂介紹，一畝大豆田每年可收獲約130千克大豆，獲得52千克植物蛋白。而利用100噸發(fā)酵罐進行微生物發(fā)酵，一年能生產近100萬千克發(fā)酵蛋白。
此外，發(fā)酵蛋白轉化率較高。李德茂表示，通過微生物發(fā)酵方式利用1千克淀粉可以生產出190—200克蛋白，然而用1千克淀粉喂養(yǎng)家禽、家畜，僅能分別生產出47克和14克蛋白。
“發(fā)酵蛋白可以實現(xiàn)‘變廢為寶’和高效的生物制造，與之相比，生產植物蛋白仍然需要以大豆為原料。”李德茂表示，目前我國每年要進口1億噸左右的大豆，要實現(xiàn)進口大豆的國內生產，額外需要7.6億畝土地，并消耗大量的水和化肥等生產資料。
細胞蛋白生產雖不受原料的限制，但培養(yǎng)條件苛刻，科研人員需從動物體內提取干細胞，并利用血清等多種營養(yǎng)物質“喂養(yǎng)”，使其不斷“成長”，因此生產成本較高。
還能用于飼料制造和醫(yī)療領域
“目前，發(fā)酵蛋白也有應用于飼料和醫(yī)療領域的潛力。”李德茂介紹。
國際上，發(fā)酵蛋白食品層出不窮。自20世紀80年代開始，英國品牌Quorn就開始利用發(fā)酵蛋白技術進行食品開發(fā)。Quorn利用高通量篩選技術，用絲狀鐮孢菌發(fā)酵出高纖維、低飽和脂肪的優(yōu)質蛋白。最早上市的產品為健身蛋白粉，2011年Quorn發(fā)布了第一款發(fā)酵蛋白“肉”漢堡，近來又推出了香腸、肉卷類產品，深受消費者喜愛。
美國公司Perfect Day利用微生物來制造乳清、酪蛋白等，模擬出真正的牛奶。而后該公司又推出了首款生物制乳蛋白冰淇淋，其口感和質地與牛奶冰淇淋無異。
Clara Foods是全球第一家生物合成蛋清蛋白的美國公司，該公司利用酵母菌生產蛋清蛋白作為烹飪和烘焙原料，其口感與雞蛋相仿，且營養(yǎng)豐富，不含膽固醇。
李德茂介紹：“截至目前，全球已經有18個國家許可鐮孢菌發(fā)酵菌絲體蛋白食品上市銷售。”
我國也把發(fā)展微生物發(fā)酵蛋白飼料作為未來飼料行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。《生物產業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》《飼料工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出：生物技術與生物飼料在保障飼料安全與食品安全、促進飼料產業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展及產業(yè)布局等方面具有重要意義，發(fā)展微生物發(fā)酵蛋白飼料是我國今后飼料工業(yè)發(fā)展的長期戰(zhàn)略。
“具有特殊功能的發(fā)酵蛋白也可應用在醫(yī)療領域。”李德茂表示，人們未來可以開發(fā)生產具有特殊功能的發(fā)酵蛋白，例如富硒蛋白，并將其應用于醫(yī)療領域，可同時發(fā)揮蛋白和硒的功能作用。
解決這些問題才能實現(xiàn)進一步普及
以發(fā)酵蛋白為原料的諸多產品已實現(xiàn)商業(yè)化生產，且生產成本低廉，表現(xiàn)出良好的可擴展性。但若想讓更多發(fā)酵蛋白食品進入大眾視野，一些問題仍亟待解決。
“首先，發(fā)酵原料來源有待解決。”李德茂解釋，目前，發(fā)酵蛋白主要原料來自淀粉產生的葡萄糖，而淀粉仍來源于農業(yè)生產。因此，我們要開發(fā)出更多負碳發(fā)酵技術，利用一些低成本原料，例如合成氣、二氧化碳等，使發(fā)酵蛋白技術更加可持續(xù)。
其次，發(fā)酵蛋白食品若能夠真正登上餐桌，其口感是關鍵。“目前發(fā)酵蛋白食品可通過物理加工方式改變蛋白的球狀結構，制造出類似真實肉纖維的拉絲蛋白，更具動物肉的質感、咀嚼感和香味。”李德茂表示，目前發(fā)酵蛋白食品以肉糜類為主，在制成漢堡、肉丸、雞肉塊、香腸等產品時口感與動物蛋白較接近，但仍無法制作成全切肉，也很難適應中國多樣化的烹飪方式。
目前，飼料領域發(fā)酵蛋白生產成本仍然較高，為實現(xiàn)發(fā)酵蛋白產品替代傳統(tǒng)蛋白產品的經濟可行性，人們要進一步優(yōu)化生物工藝設計，提高單位體積生產率，實現(xiàn)發(fā)酵蛋白規(guī)模化生產效益，降低發(fā)酵蛋白飼料領域生產成本。“雖然發(fā)酵蛋白還無法完全替代動物養(yǎng)殖蛋白，但是一批生物科技企業(yè)正在利用極具創(chuàng)新性的技術和產品不斷帶給人們信心。”李德茂表示，發(fā)酵蛋白的出現(xiàn)，對于改變人類的飲食習慣、改善環(huán)境具有積極且深遠的意義。
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