發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。
2月19日，科技日報記者獲悉，DeepTech深科技發布了《2023合成生物學在食品微生物製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，在健康與環保雙重需求的驅動下，發酵蛋白產業規模也在不斷擴大，由微生物發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。
發酵蛋白“肉”健康又環保
肉類是人類獲取蛋白質的主要來源之一，隨著人口數量增長、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。傳統肉類的生產消耗大量淡水、土地資源，並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麵積為1千克糧食生產所需土地麵積的13倍。傳統肉類生產方式難以滿足人類對肉類蛋白的可持續需求。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，以期製造出健康又環保的“肉”。
目前替代蛋白主要有三類：植物蛋白、細胞蛋白、發酵蛋白，其中發酵蛋白最具發展前景。
“發酵蛋白也叫微生物蛋白，是一種以葡萄糖、澱粉、糖蜜、合成氣、二氧化碳等為底物，利用微生物發酵方式生產的蛋白。”中國科學院天津工業生物技術研究所李德茂研究員介紹，發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，相比於以大豆為原料的植物蛋白，發酵蛋白無豆腥味。與利用動物幹細胞製造的細胞蛋白相比，發酵蛋白成本也更低。”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，利用發酵蛋白製作的雞肉，其在口感、香味、質構、咀嚼特性等方麵的仿真度可達85%左右。
在製作工藝方麵，人們一般利用含碳、氮、氧等元素的低成本原料，比如秸稈、工業廢氣、合成氣以及二氧化碳等，通過控製發酵罐的溫度、酸堿度和營養條件，來生產發酵蛋白。
“發酵蛋白的生產效率非常高，有研究表明，微生物發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噸發酵罐進行微生物發酵，一年能生產近100萬千克發酵蛋白。
此外，發酵蛋白轉化率較高。李德茂表示，通過微生物發酵方式利用1千克澱粉可以生產出190—200克蛋白，然而用1千克澱粉喂養家禽、家畜，僅能分別生產出47克和14克蛋白。
“發酵蛋白可以實現‘變廢為寶’和高效的生物製造，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，要實現進口大豆的國內生產，額外需要7.6億畝土地，並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製，但培養條件苛刻，科研人員需從動物體內提取幹細胞，並利用血清等多種營養物質“喂養”，使其不斷“成長”，因此生產成本較高。
還能用於飼料製造和醫療領域
“目前，發酵蛋白也有應用於飼料和醫療領域的潛力。”李德茂介紹。
國際上，發酵蛋白食品層出不窮。自20世紀80年代開始，英國品牌Quorn就開始利用發酵蛋白技術進行食品開發。Quorn利用高通量篩選技術，用絲狀鐮孢菌發酵出高纖維、低飽和脂肪的優質蛋白。最早上市的產品為健身蛋白粉，2011年Quorn發布了第一款發酵蛋白“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利用微生物來製造乳清、酪蛋白等，模擬出真正的牛奶。而後該公司又推出了首款生物製乳蛋白冰淇淋，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酵菌絲體蛋白食品上市銷售。”
我國也把發展微生物發酵蛋白飼料作為未來飼料行業發展的一個重要方向。《生物產業發展“十二五”規劃》《飼料工業“十二五”發展規劃》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、促進飼料產業健康可持續發展及產業布局等方麵具有重要意義，發展微生物發酵蛋白飼料是我國今後飼料工業發展的長期戰略。
“具有特殊功能的發酵蛋白也可應用在醫療領域。”李德茂表示，人們未來可以開發生產具有特殊功能的發酵蛋白，例如富硒蛋白，並將其應用於醫療領域，可同時發揮蛋白和硒的功能作用。
解決這些問題才能實現進一步普及
以發酵蛋白為原料的諸多產品已實現商業化生產，且生產成本低廉，表現出良好的可擴展性。但若想讓更多發酵蛋白食品進入大眾視野，一些問題仍亟待解決。
“首先，發酵原料來源有待解決。”李德茂解釋，目前，發酵蛋白主要原料來自澱粉產生的葡萄糖，而澱粉仍來源於農業生產。因此，我們要開發出更多負碳發酵技術，利用一些低成本原料，例如合成氣、二氧化碳等，使發酵蛋白技術更加可持續。
其次，發酵蛋白食品若能夠真正登上餐桌，其口感是關鍵。“目前發酵蛋白食品可通過物理加工方式改變蛋白的球狀結構，製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，目前發酵蛋白食品以肉糜類為主，在製成漢堡、肉丸、雞肉塊、香腸等產品時口感與動物蛋白較接近，但仍無法製作成全切肉，也很難適應中國多樣化的烹飪方式。
目前，飼料領域發酵蛋白生產成本仍然較高，為實現發酵蛋白產品替代傳統蛋白產品的經濟可行性，人們要進一步優化生物工藝設計，提高單位體積生產率，實現發酵蛋白規模化生產效益，降低發酵蛋白飼料領域生產成本。“雖然發酵蛋白還無法完全替代動物養殖蛋白，但是一批生物科技企業正在利用極具創新性的技術和產品不斷帶給人們信心。”李德茂表示，發酵蛋白的出現，對於改變人類的飲食習慣、改善環境具有積極且深遠的意義。
來源：科技日報 陳曦
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