以发展新质生产力理论为指导，偶联国家粮食安全战略             将酵母全蛋白制造发展成为可持续性替代蛋白产业的主导力量。‌

摘要：    发展新质生产力强调创新与技术突破，这对国家粮食安全战略具有重要指导意义。面对全球蛋白市场需求的激增和蛋白资源的日趋匮乏，尤其是考虑到传统种植和养殖方式对环境带来的压力，寻找新的、可持续的蛋白来源成为迫切需求。酵母全蛋白作为优质、营养、安全、高效的微生物蛋白来源，其制备技术的提升和产业化应用，使其将成为可持续性替代蛋白产业的主导力量。‌这一产业的发展，不仅有助于保障国家粮食安全，还能推动生物科技和食品科技的进步，促进全球生态平衡和可持续发展。    依靠科技创新，突破高蛋白含量及富含人体营养素酵母菌株构建、非粮生物质低成本高效环保型制糖、高效低能耗菌体破碎、酵母全蛋白高效回收制备等技术瓶颈，实现酵母全蛋白产业化和商业化运行的目标。    依据酵母全蛋白独特的氨基酸组成和富含人体细胞线粒体营养素的生物学特性，2024年系列科研成果表明：酵母全蛋白可打上“营养增寿型食物”标签。以酵母全蛋白产品为基础，开发系列高附加值、功能独特的大健康领域产品、进一步推动酵母全蛋白产业的快速健康发展。    实现酵母全蛋白制造项目产业化和商业化运行，将进一步丰富食品种类和品质，有效弥补动物蛋白和植物蛋白资源不足，对提升中国蛋白质食物综合自给能力及保障国家粮食安全具有重要的意义。 目录 一、粮食安全的重要性及未来挑战的应对措施 二、单细胞蛋白及酵母蛋白作为替代蛋白的历史 三、发展新质生产力引领酵母全蛋白产业化进程 四、依靠科技创新，夯实酵母全蛋白产业化基础 五、以发展新质生产力思想为指导，突破酵母全蛋白产业超万吨级规模生产技术瓶颈 六、实现低成本环保型酵母全蛋白产业化目标，化解美国等国家战略性限制大豆出口，致使我国肉类食物生产受限的潜在威胁 七、酵母全蛋白产品应用于大健康产业 八、总结     一、  粮食安全的重要性及未来挑战的应对措施      中国作为一个拥有14亿人口的大国，国家粮食安全居于至高无上的地位。粮食安全始终是关系我国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题。      目前，我国粮食已经基本实现自给自足。我国粮食安全的主要矛盾是超过3亿吨饲料用粮问题，尤其每年需要进口超过1亿吨大豆主要用作饲用蛋白，生产大众所需的食物蛋白，即肉类食物。     如何应对我国肉类食物相对短缺的挑战？我们要立足国内，依靠发展新质生产力、科技创新和产业创新从源头上保障国家粮食安全。     助力国家粮食安全、需要加快新型蛋白资源替代，构建未来食物研发示范工程。作为新时期的科技人员， 我们必须弘扬和传承“两弹一星”精神，成为发展新质生产力实践的主力军，科研的方向结合于国家战略需求，敢于追求极致，刻苦攻关，完成新型替代蛋白-酵母蛋白作为终极替代蛋白（Single-Cell Protein: The Ultimate Alternative Protein）产业化使命。         二、单细胞蛋白及酵母蛋白作为替代蛋白的历史     依据互联网数据：2023 年我国猪牛羊禽肉产量 9,641万吨。其中，猪肉产量5,794万吨，牛肉产量753万吨，禽肉产量2,563 万吨，禽蛋产量3,563万吨。      依据肉类蛋白的组成（图1）分析：猪肉平均蛋白质含量约13.2%，牛肉蛋白平均含量20%，每100克鸡胸肉所含的蛋白质含量约为19.4g。一个鸡蛋含有蛋白质的量大概在12%左右。由此得出：猪肉、牛肉、禽肉、禽蛋含纯蛋白质量依此为765、150、461、427万吨。肉类加禽蛋类蛋白质总量约为1803万吨。

           图1：主要食物蛋白质含量对比（含量百分比）。酵母蛋白含量最高。

   我国肉类蛋白缺口仍然严重，优质蛋白质自给率不足。替代蛋白的兴起和发展，将缓解传统肉类（动物蛋白）生产方式出现的难题。    替代蛋白，是指被用来替代传统动物蛋白的食品或产品，提供与动物蛋白相似的营养价值和口感，具有可持续、环保等特点。替代蛋白种类主要包括单细胞蛋白、植物蛋白、昆虫蛋白、细胞培育蛋白等。    单细胞蛋白，从单细胞微生物中提取出的蛋白。由蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸及非蛋白质的含氮化合物、维生素和无机化合物等混合物组成的混合物。单细胞蛋白中重要的是酵母蛋白、细菌蛋白和藻类蛋白，它们的化学组成中一般以蛋白质、脂肪为主。    酵母蛋白以其高效的生产效率、‌环保性、‌高营养价值和健康益处，‌成为了一种最为理想的食用级蛋白质来源，‌在未来替代蛋白质生产中将发挥重要作用。    第一次世界大战期间，德国首先应用酸水解木材制备糖化液，生食用酵母单细胞蛋白。前苏联年产单细胞蛋白多达百万吨以上。    在上世纪60年代初我国粮食短缺，中国科学院微生物所推出的粮食代用品“人造肉”就曾轰动一时。所谓“人造肉”，是用廉价原料培养的微生物细胞代替动物肉类食品的俗称，现在使用“单细胞蛋白”专业名称。该所方心芳教授筛选并使用白地霉（Geotrichum candidum，后来鉴定作为一种酵母菌）作为菌种，在国庆11周年时生产出了鲜人造肉50千克作为献礼。    单细胞蛋白的发展是真正生物技术的开始，后来由于农业科技的发展，使用化肥和农药后，大大提高了单产。单细胞蛋白生产成本与大豆和鱼粉等蛋白相比已不具备竞争力。    最近10年中，生物技术发生了根本性的变化，以基因工程和蛋白质工程、基因编辑技术为代表的生物技术的不断进步和完善，发酵产业和酶制剂产业进入一个全新的发展时期。应用生物技术集成研究成果，工业化生产低成本营养型酵母全蛋白技术已日趋成熟。

三、发展新质生产力引领酵母全蛋白产业化进程   创新是发展的第一动力。发展新质生产力需要从多方面入手，其中包括加强科技创新，推动新技术、新工艺、新产品的研发和推广，提升产业的技术水平和竞争力。

   结合实例，具体分析酵母全蛋白产业作为发展新质生产实例的具体特征。 （一）产品创新。食品级全营养型酵母全蛋白（简称酵母全蛋白），应对我国肉类食物供给相对不足的战略需求，以及满足人体营养和市场对替代蛋白的需求。    从营养学角度，酵母蛋白含有人体需要的20种氨基酸， 包括8种必需氨基酸（图2）。赖氨酸是植物蛋白（小麦/谷物）的第一限制性氨基酸，在酵母蛋白中含量丰富。目前营养学强调的支链氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸），在酵母蛋白中占比也较高。    依据酵母全蛋白的氨基酸组成及维生素丰富独特特性：L-蛋氨酸含量相对较低（图2），叶酸含量高（所有食物中叶酸含量最高）。依据最新医学研究结果：新饮食方案：限制L-蛋氨酸增加补偿叶酸重磅延长寿命并改善生育能力（“Separation of reproductive decline from lifespan extension during methionine restriction” 2024年7月26日，Nature Aging .）。酵母全蛋白可打上“营养增寿型食物”标签，开发一系列高附加值大健康领域产品、进一步推动酵母全蛋白产业的快速健康发展。

             图2：包括酵母在内的数种来源的蛋白质氨基酸组成成分对比。

   依据酵母全蛋白的营养特性，针对目前最为热门的医学研究成果（“Mitochondria at the crossroads of health and disease”，2024，Cell.），即“疾病的起点是线粒体功能障碍”，以及“疾病研究的终点是线粒体”，应用于线粒体再生与能量供给的改善临床治疗领域，所涉及的病变包括神经系统退行性疾病（老年性痴呆及帕金森综合征），癌症，糖尿病，心血管疾病等。    对神经系统退行性疾病（老年性痴呆及帕金森综合征）、糖尿病、癌症，心血管等疾病的组织器官细胞代谢进行研究，结果表明：细胞中的线粒体代谢障碍普遍存在，特别是丙酮酸脱氢酶系功能受损，是糖尿病病理机制中的重要环节。这种功能障碍不仅影响能量代谢，还与氧化应激、炎症反应等多种病理过程相关联。因此，深入研究和理解这一机制对于开发新的治疗靶点和策略具有重要意义。

（二）生产工艺创新。机械破菌结合生物酶法脱核酸技术（嘌呤）应用到酵母全蛋白新型生产工艺，制备的酵母全蛋白产品保持非蛋白酶降解性，故称酵母全营养型蛋白。生产工艺简化为高密度发酵酵母—>菌体收集—>定向特异性酶法结合机械破菌—>外加生物酶法脱核酸（即嘌呤）—>离心结合工业膜分离纯化工艺—>获得四种产品即细胞壁多糖、酵母全蛋白、核酸和核苷酸、富含营养人体细胞线粒体营养元产品。    目前生产酵母蛋白的通用工艺为酵母菌体收集后，采取菌体自溶方法进行破壁及自体酶解降核酸（也有补加部分合核酸酶的方法）方法，生产酵母蛋白。 （三）应用及市场创新。依据酵母细胞的成分，生产下述四大类产品，进一步提高酵母蛋白系列产品的经济性：1、食品级酵母全蛋白产品，蛋白含量可控制在50-85%。2、细胞壁多糖产品，β-葡萄糖及甘露聚糖。3、作为细胞线粒体营养素成分，即富含各种辅酶成分及B族线粒体营养素的食品级酵母提取物，特别富含维生素B12和叶酸，而B12维生素一般不存在于植物性食物中，应用线粒体靶向营养逆转衰老大健康领域。   衰老往往伴随着细胞功能的逐渐丧失和多个组织的全身性恶化，导致功能受损和死亡倾向。线粒体不仅被认为是能量供应者，而且在与衰老相关的疾病中，如神经退行性疾病、糖尿病、心血管疾病，发挥着至关重要的作用。越来越多的证据表明，衰老与能量供需失衡密切相关，这可以通过各种干预措施来缓解。靶向线粒体治疗及营养干预的市场潜能是非常巨大的。

   四、依靠科技创新，夯实酵母全蛋白产业化基础    发展新质生产力，培育新产业是重点任务。战略性新兴产业、未来产业，是构建现代化产业体系的关键，是发展新质生产力的主阵地。    酵母全蛋白就是一种纯天然，近乎完美的均衡营养食品，是理想的营养源。酵母具有“三低四优”的特点，既低脂、低糖、低胆固醇，含优质蛋白质(含所有必须氨基酸)、人体细胞能量工厂“线粒体”所需营养因子及辅酶、多种稀有矿物质元素和优质的膳食纤维；酵母蛋白具有高生物利用度的高质量蛋白质，可作为食品级应用的新型替代蛋白质。    开发食品级酵母全蛋白产品，第一个挑战就是高核酸（嘌呤）含量（表1）。酵母蛋白核酸（嘌呤）含量（可高达15%，百分含量）过高引起痛风、代谢失衡和尿结石阳等疾病。克服核酸含量高、制造成本高的限制，提高酵母蛋白的功能特性和感官可接受性，将极大地促进其市场应用。通用食物中核酸（嘌呤）安全标准是1-2%。

   工业化生产去核酸方法主要是碱法和酶法，但是都存在技术短板。碱法导致蛋白质营养性物质损失以及产生对肾脏有毒性的赖氨酸-丙氨酸二肽副产物。酶法由于使用的酶制剂价格昂贵无法进一步推广使用。    本项示范工程核心技术之一就是低成本制备酶法脱核酸的特异性酶制剂。过去10年里，生产技术发生了根本性的变化，以基因工程和蛋白质工程为代表的分子生物学技术的不断进步和完善，把酶制剂产业进入一个全新的发展时期。    应用生物技术集成研究成果，完成工业化、低成本生产高活力核酸酶复合型制剂，应用于酵母全蛋白去除核酸生产工艺中：1、使酵母蛋白提取物核糖核酸含量由6-8%下降到0.6-1.0%（图3），完全达到食品级安全水平。高效去除核酸后，并使酵母全蛋白物理回收更加容易，回收率提高5-10%，进一步提高酵母全蛋白的经济性。2、生产的酵母蛋白，称之为全营养酵母全蛋白。由于使用直接破菌法，进一步获取蛋白等营养物，各种蛋白质和营养素未受到蛋白酶的酶解，保持天然的生物学活性和结构完整（图4）。

   图3： 系列酵母相关产品核酸电泳分析-直观比较各种样品核酸含量。从左到右（上样）：1：核酸标准分子量; 2:进口酵母抽提物（样品2，Yeast Extract）；3：一种商业化酵母蛋白（样品3）；4：一种商业化酵母抽提物（样品4）；5：英氏猪肝粉（样品5）；6：干酵母破碎后直接干燥所得酵母蛋白样品（样品6）；7：未上样；8：干酵母破碎液酶解上清；9：酶解缓冲液；10，11：均为酵母直接机械破菌-复合核酸酶酶法降核酸得到酵母全蛋白样品（样品10,11）。上样量均为20ul,样品浓度均为20g/L。直观比较样品核酸浓度：以英氏猪肝粉核酸含量为参照标准，比较核酸相对浓度。样品2,3是参照标准样品的3倍；样品4与参照标准样品相当；样品6是参照标准样品的8-10倍；样品10,11（本文所涉及的新产品酵母全蛋白）是参照标准样品的1/3倍。

  图 4 ：SDS-PAGE分析本文所涉及的酵母全蛋白（A）和市场出售的商业化酵母蛋白产品（B）。

   酵母全蛋白成为终极替代蛋白第二个挑战是细胞壁消化利用率低题。酵母蛋白要成为粮食蛋白和饲料蛋白，需要解决由于细胞壁获难以消化破菌获取蛋白加以利用的难题。如酿酒酵母的细胞壁占细胞干重的20%～30%，由β-葡聚糖和甘露聚糖组成的聚糖成分约占酵母细胞壁成分的77%。此类聚糖表现较强的抗消化性，不易被人体或动物消化吸收加以利用。利用具有酶解葡萄糖和甘露聚糖的定向复合酶，定向水解多糖细胞壁，结合机械破菌工艺，建立新型工业化破菌工艺，酵母蛋白收率高，可克服由于采用自溶破菌法导致酵母细胞内蛋白质和小分子营养物分解破坏的技术短板。

   五、以发展新质生产力思想为指导，突破酵母全蛋白产业超万吨级规模生产技术瓶颈（一）分两步解决生产酵母全蛋白的原料来源问题    首先利用淀粉糖或糖蜜作为发酵主原料，打通整个生产工艺，制备合格产品。依据目前的生产技术，需要6吨淀粉糖或10吨糖蜜生产1吨酵母全蛋白（蛋白含量达到80-90%）。     生产酵母全蛋白主要原料来源于糖蜜或葡萄糖，依据目前掌握的酵母生产技术，酵母全蛋白（超过80%含量）每吨生产成本在40，000-45，000元人民币。这样的生产成本已低于鸡肉（鸡肉作为最高产肉/饲料比肉类生产方式及最为廉价的肉类）的生产成本。   第二步需要彻底解决生产酵母全蛋白原料来源于非粮生物质的技术难题。生产所需的主要原料-发酵碳源糖类物质，必须严格遵循“不与粮争地，不与人争粮”的原则。我国农作物秸秆年产量约9亿吨，同时还有酒糟3200万吨、米糠1200万吨等大量非粮生物质。如果以其作为碳源、在微生物的生物转化作用下高效合成食品级和饲料级蛋白质，以此发展一条符合我国国情的粮食蛋白制造路线。即可以解决我国饲用蛋白紧缺的“卡脖子”问题，还能解决我国废弃生物质带来的生态环境问题，非粮所生产的蛋白产品将成为中国生物制造中规模最大的产品。    2023 年我国猪牛羊禽肉产量 9,641 万吨。依据其蛋白质平均含量折合成总蛋白量，蛋白质总量约为1803万吨。    消耗2亿吨（中国总量达9亿吨）农作物秸秆，可制备超过1亿吨秸秆糖，生产3000万吨干酵母，1500万酵母蛋白，已接近肉类食物总蛋白1803万吨的水平。     非粮生物质（lignocellulosic biomass,LCB，包括农作物秸秆）是地球上最丰富的可再生碳资源，主要由纤维素 (35–50%)、半纤维素 (20–35%) 和木质素 (10–25%) 组成。由LCB作为发酵原料制备酵母全蛋白，其生产工艺包括：LCB预处理（去木质素、保留纤维素和半纤维素）—>纤维素和半纤维素酶解制备发酵糖—>酵母发酵—>制备酵母全蛋白。    LCB低成本环保型预处理和高效酶法制糖是木质纤维素替代玉米等粮食作物制备淀粉糖（发酵糖）的关键技术，是实现生产替代蛋白“不与人争粮，不与粮争地”战略目标的根本保证。依照目前物价水平，秸秆糖制备成本控制在3500-4000人民币/吨，包括原料供应和运输、预处理和酶解制糖，以及产生固废和废水的环保成本总和。    物理、化学、理化和生物过程等预处理方法已被广泛用于LCB转化为生物燃料和增值生物化合物，有效且经济可行的LCB预处理方法主要取决于（1）低能源消耗；（2）低成本；（3）环保型即废水及固废得到有效处理和再生。（4）高效率。     新型绿色LCB预处理技术已显示出前途看好和令人信服的结果。新型绿色溶剂型离子液体（IL）和低共熔溶剂（DES）预处理。DES溶剂因其无毒、低成本、环保、低挥发性、生物降解性、酶相容性等优点，是IL的有前途的替代品，在实验室规模水平上显示出LCB的有效生物转化。DES的回收和可重复使用性也可以提高LCB预处理技术的经济和技术效率。     突破IL或DES，或其它预处理同步纤维素酶解制糖技术是当前LCB转化领域的热点和难点，也是关键点。这也是LCB没有真正成为替代淀粉来制备发酵糖可行性方案的难点。木质纤维素在离子液或低沸点溶剂预处理同步纤维素酶解制糖过程中，其技术优势在于：1、纤维素和半纤维素处于溶解状态，容易被酶降解成单糖；2、避免酶解过程（酶解过程长并且难以做到无菌状态）染杂菌的难题；3、预处理过程中产生发酵抑制物或其它有毒物质浓度低，有利于下一个发酵生产工段。虽然一锅法同步进行预处理和酶法制糖工艺研究相关研究报道不多，但已有科研小组开展相关研究（One-Pot Ionic Liquid-Mediated Bioprocess for Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Rice Straw with Ionic Liquid-Tolerance Bacterial Cellulase，2022）。依据本人的专业技术知识和实践，只有此项关键技术实现突破，才能谈得上真正意义上木质纤维素替代淀粉制备发酵碳源，作为可持续性绿色发展之路。  （二）攻克低能耗高效酵母破壁技术    酵母细胞壁成分复杂，主要由葡聚糖、甘露糖、和蛋白质组成，他们相互交织成复杂的网络结构，工业化规模破碎酵母细胞壁是一项具有挑战性的工作。    获取酵母细胞内蛋白质资源，首先需要一套高效破壁方法。酵母破壁就是对酵母细胞壁进行破碎， 释放出里面的营养物质。常见的酵母破壁方法有酶法、超声波法、高压均质法以及自溶法等。    目前工业化生产酵母提取物采用自溶法为主，此法是利用酵母在自身水解酶类（蛋白酶、核酸酶、糖水解酶等）的作用下发生自溶作用而释放出内容物。自溶法简单容易操作。短板是酵母蛋白得到不同程度的降解成为多肽，回收率低。抗氧化剂多酚和谷胱甘肽降解降较为严重。    从目前酵母细胞工业化破菌技术发展来看，结合定向酶解胞壁-高压匀浆法，或结合定向酶解胞壁-机械球磨法（图5）是低能耗工业化破菌的优先发展工艺。按一步直接机械破菌如高压匀浆法（规格最大的匀浆设备，湿酵母浓度20%，出样品1立方/小时，压力1000 bar，匀浆两次。）破碎酵母，制备1吨酵母全蛋白，需要耗电达5000度。如需要上万吨规模，能源消耗及设备投资巨大。

   图5：酵母机械球磨法破碎原理。摘自：（Mechanical Cell Disruption Technologies for the Extraction of Dyes and Pigments from Microorganisms: A Review）。

（三）、生物酶法降核酸技术应用    酵母蛋白核酸（嘌呤）含量（可高达15%）过高引起痛风、代谢失衡和尿结石阳等疾病。克服核酸含量高、成本高的限制，提高酵母蛋白的功能特性和感官可接受性，将极大地促进其市场应用。    工业化生产降核酸方法主要是碱法和酶法，但是都存在技术短板。碱法导致蛋白质营养性物质损失以及产生对肾脏有毒性的赖氨酸-丙氨酸二肽副产物。目前的酶法工艺降核酸效率和程度未达到预定目标，由于使用的酶制剂价格昂贵，进一步推广使用难度较大。    本项产业化独创的核心技术之一就是低成本制备上述酶法降核酸的高效酶制剂。过去10年里，生产技术发生了根本性的变化，以基因工程和蛋白质工程为代表的分子生物学技术的不断进步和完善，把酶制剂产业进入一个全新的发展时期。    使用生物技术集成研究成果，完成工业化、低成本生产高活力核酸酶复合型制剂，应用于酵母全蛋白去除核酸生产工艺中，使酵母全蛋白提取物核糖核酸含量由6-8%下降到0.6-1.0%（图6），完全达到食品级安全水平。高效降核酸后，并使酵母全蛋白物理回收更加容易，回收率提高5-10%，进一步提高酵母全蛋白的经济性。

                         图6：脱嘌呤酵母全蛋白所含的核酸被特定酶降解电泳分析结果注释：1、DNA 标准分子量。2、酵母全蛋白未加酶处理。3、酶1处理。4、酶2处理。5、酶3处理。6、酶4处理。从左—>右为1—>6。可以直观看到：第6泳道样品DNA去除约2/3，RNA基本上看不到了。经定量分析，所得到酵母全蛋白核酸含量已达食品级安全标准。

（四）、酵母全蛋白产业化催生新技术、新装置和新工艺1、低成本高效生产酶制剂技术    酵母全蛋白生产工艺涉及到使用纤维素酶和半纤维素酶，来获取木质纤维素所含的可发酵糖，需要低成本高效酶制备技术。    酶制剂产业现已是高附加值的高新技术产业，保持持续高速发展。酶制剂产业应用覆盖洗涤、纺织、制革、饲料、造纸和食品等诸多行业，每年创造工业附加值达数千亿元。    目前全球工业酶制剂产业市场呈现寡头垄断局面。市场资源高度集中，欧美的诺维信和杜邦合计占据约70%的市场份额。    随着高通量筛选、蛋白结构解析、生物信息学以及基因组编辑等先进生物技术的不断发展，高性能低成本的酶制剂产业化进程日益加快。从酶的设计和改造，到酶的高效表达，再到酶的应用领域拓展，基于工业酶的绿色生物制造能力将得到极大的提升，以及工业酶颠覆性关键技术突破，酶制剂产业将打破欧美大公司的垄断，实现跨越式发展。     实现酶制剂产业突破性进展，其中最为重要的一项就是通用性、最为高效率产酶菌株的构建。里氏木霉确实具有强大的表达纤维素酶的能力。‌其合成和分泌的蛋白量可以达100 g/L。利用当前先进的基因工程技术，特别近年来基因编辑技术高速发展，完全有理由相信中国科学技术及工程人员，以里氏木霉作为底盘产酶细胞工厂，完成构建高效、通用性、及规模化表达产酶菌株，全面提高酶制剂产业技术水平，进一步使中国成为酶制剂制造大国和强国，实现直道并行性赶超的可行性是存在的。   2、创建低能耗高效酶法结合机械破碎酵母细胞壁工艺    创建低能耗高效酶法结合机械破碎酵母细胞壁工艺是一个旨在提高生产效率并降低能耗的创新技术方向，该工艺结合酶法破碎和机械破碎两种方法，更有效地破碎细胞壁，释放细胞内容物。酶法破碎利用特定的酶，通过生物化学反应实现细胞壁裂解，具有条件温和、低能耗、环保的特点。而机械破碎则通过物理力量破碎细胞结构，虽然能耗较高，但破碎较为彻底。将两者结合，可以在保证破碎效果的同时，降低整体能耗，提高生产效率。这一创新工艺有望为酵母全蛋白生产带来显著的经济效益和环境效益。   3、构建高效离子液或低沸点溶剂酶催化反应体系      构建离子液介导的酶催化高效反应体系是当前绿色化学和生物催化领域的研究热点。离子液作为一种新型的反应介质，具有蒸汽压低，热稳定性和化学稳定性良好等特点，可克服传统有机溶剂的弊端，提高酶的活性、稳定性和选择性。      离子液体使生物催化反应工程化成为可能,在许多反应中,离子液体不仅可以代替传统溶剂,而且改进了反应体系,提高了反应效率.与传统溶剂不同,离子液体无蒸气压,能溶解许多化合物,并且可与许多溶剂形成两相反应体系,研究结果表明,离子液体对生物催化反应有益,可以提高酶的活性,对映体选择性和稳定性。     当然，在离子液或低沸点溶剂体系中，酶的活力确定受到影响，或失活。这里关联到酶工程领域，具体涉及酶分子构建、酶的化学修饰、固相酶制备。目的在于：使用离子液或低沸点溶剂反应体系，相关酶能胜任纤维素酶解制糖的生产工艺，进一步推广到生物催化领域，完成在水相或水及有机溶剂双相反应体系不能完成的生物（酶）催化反应。      构建高效离子液或低沸点溶剂酶催化反应体系需要从选择合适的溶剂、优化酶的固定化方法以及调整反应条件等多个方面入手。通过这些措施，可以显著提高酶催化反应的效率和稳定性，为生物催化领域提供更加绿色高效的解决方案。      六、实现低成本环保型酵母全蛋白产业化目标，彻底走出蛋白饲料供应受制于欧美大国的困境 化解我国作为粮食主产品-肉类生产能力受限的安全隐患。    美国拥有着全世界排名第四的国土面积，且大多数是平地，水资源丰盛、气候适合多种作物生长，使之成为全球最大的农业发达国家所创造了条件。从罗斯福总统政府以后，历届政府制定及实施高补贴的农业政策，以及农业工业化高度发达、使美国成为全球最大的粮食生产国。    作为世界最大的大豆生产国，美国的产量超过1亿吨，超过世界总量1/3。除了产量大，美国的竞争优势还体现在大豆产业链的每一个环节，帮助美国在维持全球霸主地位中发挥着“战略性武器的作用。    食物蛋白对人类来说是最为重要的营养素，具有构成和修补人体器官组织、运输各类物质、维持各种生理功能和提供能量等作用。我国人口已超过14亿，人均肉类年消费量达60千克, 国内年肉类总需求达到8000千万 — 1亿吨。现有蛋白的获取高度依赖于种植业和养殖业，其中畜牧业提供了将近65％的蛋白质。中国每年进口大豆已超过1亿吨，约20%的加工产品为豆油，80%的加工产品为豆粕，豆粕是制作牲畜与家禽饲料的主要原料。    但是，基于人口增长带来的肉类缺口、畜牧业对环境带来的危害及肉制品引发的相关慢性疾病的风险，人们更加意识到替代蛋白的必要性。替代蛋白质将极大地改善我们的粮食系统，减轻粮食生产对气候变化的影响，极大地改善公众健康，而且为创新、投资和经济增长提供了巨大的商机。    针对日益增长的蛋白类食物缺口，构建可持续的高品质替代蛋白供必要性十分明确。目前的替代蛋白主要以植物基蛋白及微生物蛋白为主。植物基蛋白主要以大豆蛋白为基础。近年来，我国每年进口的大豆达到及将要超过1亿吨。由于土地面积的限制、转基因产品潜在风险及大豆蛋白含有高浓度类黄酮安全风险，我国主要依靠大豆蛋白发展替代蛋白主产品，也是十分困难的。微生物发酵生产的替代蛋白，特别是酵母全蛋白，以资源消耗少、效率高、环保可持续、营养全面等优势逐渐受到政府及科技界重视，处于优先发展的地位。

   七、酵母全蛋白产品应用于大健康产业

‌据相关研究预测，‌到2025年，‌中国大健康产业的规模将达到17.4万亿，‌而到2030年，‌这一数字预计将达到29.1万亿。

    进一步分析，人体健康与其组织器官细胞结构和功能正常与否密切相关。‌从微观角度来看，‌人体最基本的结构和功能单位是细胞。‌细胞的健康状态直接关系到组织的健康，‌进而影响整个器官乃至整个系统的功能。    进一步展开分析，单个细胞的健康状态主要取决于细胞器-线粒体的结构和功能是否正常。人体的每个细胞中，几乎都包括几百到几千个线粒体。线粒体是细胞的能量工厂，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体在我们的健康和健身中发挥很大的作用，让我们保持状态、预防疾病、延缓衰老。    细胞中线粒体的数量减少或功能障碍会引起许多慢性疾病包括心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病和癌症、以及肝肾功能异常等疾病。    线粒体疾病，一般无法治愈，但可以通过使用治疗手段帮助减轻、缓解症状。线粒体疾病的缓解治疗手段，治疗手段包括卡路里限制、锻炼、营养支持疗法、生酮辅助疗法等。营养干预疗法应用于老年性痴呆治疗领域，已取得积极的治疗临床效果。（一）营养干预疗法治疗老年性痴呆    全球卫生系统最大的成就之一是使人口的寿命得到增长，但也导致了与年龄相关的神经系统疾病（，如阿尔茨海默症、帕金森病等）增加。研究表明，1990年至 2021年间，神经系统疾病在全球疾病负担中的地位日益突出（图7）。2021年，全球神经系统疾病影响了34 亿人，占全球人口的43.1%，其中1100 万人因神经系统疾病而死亡，并且这一趋势还在逐年增加。

                    图7：神经退行性变疾病与线粒体功能障碍关系

        老年性痴呆（阿尔茨海默病。AD）作为一种神经系统退行性病，患者数庞大，对患者及其家庭危害极大。所以生物制药公司纷纷投入巨资研发治疗AD的新药。但截止到2021年，尽管投入了425亿美元用于AD治疗药物研发，但失败率高达95%。因此，预防和治疗老年性痴呆需要新的科学发现和新理论来支撑。

   复旦大学中山医学院钟春玖教授独立提出关于AD发病机制的“脑能量（葡萄糖）代谢障碍”创新理论假说，发现葡萄糖氧化途径中丙酮酸脱氢酶和其辅酶出现功能障碍。    研究表明，老年性痴呆病人线粒体内膜的呼吸链的各组成复合酶体I、II、III、IV、V活性均有不同程度下降，导致一系列病理性改变而发病。    研究发现，老年痴呆的病人在症状出现前20年就会出现大脑葡萄糖代谢吸收障碍，从而导致大脑内炎斑出现，神经元凋亡，这反过来会加重大脑的葡萄糖代谢吸收，他们互为因果，最终致病。而同时，有这些病人的大脑中酮体的代谢吸收正常。酮体是大脑除了葡萄糖以外另外一个能量来源。    线粒体病变导致老年性痴呆，一般无法治愈，可以通过使用治疗手段帮助减轻、缓解症状。线粒体疾病的缓解治疗手段，包括：营养干预、营养性生酮疗法、热量卡路里限制、适当锻炼等措施。    营养干预包括补充如辅酶Q10、B族复合维生素、尤其是硫胺素（B1）和核黄素（B2）、硫辛酸、 左旋肉碱、肌酸、和 L-精氨酸等等。这些系列营养因子在酵母全蛋白中含量丰富。    但是、营养干预治疗线粒体病变导致如神经退行性疾病、糖尿病、心血管疾病等临床疗效并没有达到科学研究的预期（图8）。下述3条改进措施是将来需要开展的临床科研和实践工作。包括改进营养干预疗法所提供营养素的合适比例配方（酵母全细胞产品最为优先应用）、如何使这些营养素到达靶细胞方法、代谢编程（把有氧酵解转变成氧化磷酸化）。

   图8：线粒体营养剂疗效不佳的原因（摘自：THE ROLE OF NUTRITION CARE IN MITOCHONDRIAL HEALTH ASPEN Nutrition Science and Practice Conference Presented on March 20, 2021）    酵母细胞含有丰富的线粒体营养因子，且含量高，并且各种因子比例合适，容易被人体胃肠道吸收利用。这些营养因子来源于酵母还有第二优点，如硫胺素和核黄素以天然活性形式，即磷酸酯的形式，耐热及酸碱，在烹饪和储藏过程中，不容易破坏，能得到高效吸收和利用。以有利于线粒体结构完整和功能正常的营养素-硫胺素（VB1）为例。VB1在所有食物中含量最高（图9），并且以生物活性状态（不易破坏，生物利用度高）的形成存在。

             图9：各种食物硫胺素含量

   近年来研究发现，补充B族维生素等营养素，有助于降低痴呆风险。B族维生素包括维生素B1、B2、B6、B12，以及叶酸等，当然还包括维生素D、w-3脂肪酸等。这一大类维生素主要作为线粒体氧化磷酸化酶促反应中的辅酶，在人体内参与多种代谢过程，对神经系统功能具有重要意义。研究发现，缺乏B族维生素可能导致神经系统受损，从而增加痴呆风险。    富含抗氧化维生素的饮食可以改善患者的认知功能。由于摄入了足够的B族维生素，同型半胱氨酸水平降低，从而间接预防了疾病的发展。适当均衡的饮食以及使用适当的补充剂有助于改善AD患者的临床状况。

（二）酵母全蛋白助力构建和有效实施营养生酮疗法，应用于逆转糖尿病治疗。

2023年中国糖尿病报告患者人数达到了1.4亿人，这一数据反映了糖尿病在中国公共卫生领域的严峻形势。随着人口老龄化和社会经济条件的改善，糖尿病的患病率和相关管理需求预计将持续增长。

糖尿病患者组织细胞中的线粒体代谢障碍，特别是丙酮酸脱氢酶系功能损害，是糖尿病病理机制的重要组成部分。这种功能障碍主要表现在多个方面：

线粒体功能障碍的普遍性：II型糖尿病患者中，由于高血糖和胰岛素抵抗，导致中枢和外周组织的能量底物利用发生改变，从而引发整个器官系统的线粒体功能障碍。这些功能障碍包括线粒体形态变化、动力学稳态失衡以及质量控制系统紊乱，最终导致线粒体功能受损。线粒体代谢与糖尿病肾脏疾病中，持续的高血糖状态会导致线粒体损伤，进而引发细胞内环境紊乱和组织损伤。此外，线粒体功能障碍还会加剧脂肪细胞分化、脂质代谢和胰岛素敏感性问题，进一步加重代谢性疾病。

线粒体疾病没有治疗方法，应优先考虑支持性治疗症状缓解。在动物和细胞模型中，酮体可以减少氧化应激，增加抗氧化剂，消除自由基。自由基包括生酮饮食在软骨疾病的管理选择列表中。此外生酮饮食是众所周知的，

维生素B含有很多种，主要包括B1、B2、B6、B12、叶酸、泛酸、烟酸。维生素B是身体内新陈代谢必需的一环，每种维生素B都参与了关键的代谢反应，通常以辅酶的形式存在。它们常常来自于相同的食物来源，如酵母、糙米等食物。II型糖尿病病人常有维生素B1缺乏的现象（REVIEW ARTICLE：Thiamine deficiency in diabetes mellitus and the impact of thiamine replacement on glucose metabolism and vascular disease）。

近年来，新型代谢疗法（营养性低碳生酮疗法作为代表性疗法）越来越受到重视。该疗法应用老年性痴呆、帕金森综合症、糖尿病、心血管疾病及适合代谢疗法的癌症等预防及治疗领域，疗效显著。

营养性生酮疗法，其中指出生酮作用是指脂肪酸降解过程中产生的酮体生成过程。在生酮饮食下，酮体被单羧酸转运体吸收后，通过线粒体酶代谢转化为乙酰辅酶A，并直接进入三羧酸循环进行彻底氧化。这表明生酮疗法可以绕过糖尿病患者线粒体丙酮酸脱氢酶系的功能障碍，直接利用酮体作为能量来源。 

结合热量控制、富含中链脂肪酸结构酯、及酵母全蛋白（富含线粒体各种辅酶前体及抗活性氧物质）制备一套安全、有效、副作用小、能长期坚持的生酮饮食疗法，应用于如糖尿病、老年性痴呆、癌症治疗领域，可取得更加积极的疗效。

八、总结

       高质量发展需要新的生产力理论来指导，需要新质生产力在实践中形成强劲推动力和支撑力。    我们科技工作者研发目标需要紧盯国家战略需求，刻苦攻关，攻克本领域的卡脖子技术难题，成为这些难题的终结者。        突破高蛋白含量及富含人体营养素酵母菌株构建、非粮生物质低成本高效环保型制糖、高效低能耗菌体破碎、酵母全蛋白高效回收制备等技术瓶颈，将酵母全蛋白制造发展成为可持续性替代蛋白产业的主导力量。

             小酵母 大贡献 注释：1、此文是作者学习发展新质生产力理论，联系生制造专业及国家粮食安全战略的心得体会。由于本人的理论水平有限，及专业技术发展趋势把握力度能力有限，加之写作能力有限，一定存在不足之处，请批评指正！ 2、本文未列出相关参考文献，如读者需求，请告知，再补充上去。 3、谢谢靳博士的一贯支持和帮助。 4、谢谢科学网的大力支持。