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。
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?!敝袊茖W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?!崩畹旅榻B,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‘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?!崩畹旅榻B。
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?!?/p>
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?!崩畹旅硎荆藗兾磥砜梢蚤_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進一步普及
以發(fā)酵蛋白為原料的諸多產品已實現商業(yè)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(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?!崩畹旅忉專壳?,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?!澳壳鞍l(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?!崩畹旅硎?,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,實現發(fā)酵蛋白規(guī)?;a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?!崩畹旅硎?,發(fā)酵蛋白的出現,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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