精密发酵技术生产食品蛋白质

译自　Issue 285 – ECOS (csiro.au)

　　　　By Dr Thomas Vanhercke, Dr Michelle ColgraveJanuary 25th, 2022

精密发酵已成为获得更多蛋白质来源的领先技术之一，这可能会支撑各国可持续生物经济的增长。   

为了养活未来的全球人口，我们需要以比现在更大的规模、更可持续的方式生产粮食。

为了弥补需求和生产之间的差距，我们需要从传统来源(肉类、奶制品、鸡蛋、海鲜、植物)获得更多的蛋白质，此外还需要从新兴但互补的来源(酵母、真菌、藻类、昆虫)获得更多的蛋白质。 

精准发酵是生物技术的一个相对较新的领域，已经成为获得更多蛋白质来源的领先者之一。  精密发酵使用的发酵的基本原理与具有悠久历史，供应我们多样食品的传统发酵同样安全。 

精密发酵是如何工作的 ？ 

传统的发酵过程依赖微生物细胞(酵母、真菌)和厌氧(无氧)条件，将原料转化成具有独特口感和风味的最终产品，如酸奶、面包、奶酪、豆豉和酒精饮料。  

精密的生物质发酵则利用真菌菌丝体的营养特性，以及通常构成真菌营养部分的分支丝状纤维。 菌丝体是在大型容器中培养的，添加糖和其他营养物质来促进生长。 收获菌丝，然后切割和调味，以生产出替代蛋白质的产品(菌蛋白)。 真菌菌丝提供高水平的蛋白质以及纤维、维生素、矿物质，可以直接用作原料，而不需要提取和纯化蛋白质。 

其中一个例子是一种从真菌获得的真菌蛋白，这种真菌最早出现在20世纪60年代末，自1985年以来一直以Quorn^TM品牌销售。 从那以后，生产真菌蛋白初创企业在全球大量涌现，如澳大利亚的Fable Foods、美国的Meati、Prime Roots和 Nature’s Fynd、德国的Mushlabs和以色列的Kinoko-Tech。  

Nature Fynd Fy^TM蛋白质就来自于在黄石国家公园的温泉中发现的一种黄腐菌。 像Fy^TM蛋白质这样的产品可以作为无乳制品或无肉食品的原料。

消费者和可持续发展利益  

如今，精密发酵被用来生产昂贵的化合物，或者天然来源难以获得的复杂化合物 。 传统发酵只是微生物细胞的繁殖，没有任何基因修饰，精密发酵则要对微生物进行改造，以产生特定的、定制的(基因重组)分子，这些分子可以作为新的食品配料。

通过将特定蛋白质基因编码的遗传信息引入微生物基因组，细胞就可以被改造为高效的细胞工厂，可以在各种碳源上生长，并提供所需的产品，这些产品通常是与自然界中发现的蛋白质相当的蛋白质。  

通过精密发酵技术获得的新产品可以通过改善口味、质地或其他功能方面来提高消费产品，以适应消费者的偏好和可持续发展的考虑。 

使用精密发酵获得的高价值食物蛋白的一个著名的历史例子是凝乳酶，它是奶酪制作过程中使用的小牛凝乳酶中的主要酶。 事实上，到2006年，凝乳酶精密发酵物占据了全球 rennet¹ 80%的市场份额 。 

更多蛋白质 更多公司

                                                          Eden Brew发酵奶

近年来，基因工程领域的重大进展允许微生物的快速重新编程(合成生物学)，以成本效益和可持续的方式生产一整套特定的食品蛋白质成分。 随着早期凝乳蛋白酶的应用，精密发酵现在越来越多地被用于为邻近行业提供特定的成分。

例如，精密发酵生产的大豆血红蛋白，是plant-based impossible^TM公司汉堡的主要成分，它赋予了汉堡独特的肉类颜色和味道，最近被澳大利亚和新西兰食品标准部门批准(FSANZ，申请号A1186)生产。 其他建立在精密发酵技术基础上的初创公司包括Every company^TM(鸡蛋蛋白)，以及奶制品替代品的不少公司，包括Perfect Day(酪蛋白和乳清蛋白)公司、

Eden Brew(牛奶和乳制品)公司、Formo和Change Foods(奶酪)公司。  

新的合成生物公司，如Nourish Ingredients (动物脂质香精)公司和Motif Foodworks公司正在开发香精替代品，以进一步提高下一代替代蛋白产品的整体质量。 

精密发酵技术的挑战和机会

投资者也注意到了精密发酵生产特殊定制食品配料的机会。 在2020年前7个月，精密发酵共吸引了4.35亿美元的风险投资。 这引发了一波新建食品发酵公司的浪潮²。 Motif Foodworks和Perfect Day是这方面的领先者，他们在2020-2021年的最新融资系列中筹集了2 -3亿美元³，而澳大利亚精密发酵初创公司Nourish components在2021年获得了1100万美元的种子资金。  

尽管人们的兴趣越来越大，但这个新兴行业仍面临着一些挑战。 大多数精密发酵初创企业仍处于相对新生的阶段。 发酵基础设施的规模和运营能力受到严重限制，这凸显了对大规模发酵和下游加工设施投资的迫切需要。

需要尽早进行技术经济分析，以评估在扩大生产过程中的整体经济可行性，并确定决定商品成本的关键因素。 同样，与特定精密发酵生产过程相关的可持续性和碳足迹主张也需要得到严格的独立生命周期分析的支持，例如最近由Perfect Day和 Impossible Foods食品.^5,6所进行的研究  

目前，包括FSANZ⁷在内的许多司法监管部门正在修订有关合成生物学和精密发酵的监管审批框架，以跟上基因组编辑等技术创新的步伐。

消费者对新型精密发酵衍生食品的认知和适当的标签将需要社会许可，以确保持续的信任和透明度。

                图2 精密发酵技术开发主要过程

精密发酵依赖通过以下方法生产新的蛋白质或蛋白质成分:  

1.  在廉价的碳源(原料)如糖上培养微生物  

2.  微生物细胞本身经过基因改造，可以大量生产所需的蛋白质。 通常，这个工程步骤需要多个周期，需要预测、设计和引入细胞DNA的基因变化。 接下来是检测目标蛋白的存在，验证所需的食品特性，并进一步进行基因改进，以提高产品的数量和质量。 这种快速而复杂的“设计-建造-测试-学习”过程被定义为“合成生物学”，发生在实验室里的小型反应堆中  

3. 下一步是逐步扩大培养量，从实验室(数十升)到商业规模(数十万升)  

4.  根据应用的不同，蛋白质被提取、纯化并与其他成分结合(配方)成，  

5.  最终的食品产品。 在下半部分总结了挑战和机遇，未来的工艺改进可能会降低整体研发和生产成本，因为精密发酵继续作为一个科学领域成熟。 

将来的研究重点

未来的研究将集中在提高精密发酵工艺的整体成本效益，以实现更高的产品收率。 细胞分泌机制的改进将简化下游的净化工作，进而提高资本利用率和降低成本。  

新的自然产生和未被充分利用的微生物或下一代微生物菌株将被研究，看它们是否有能力在丰富和具有成本效益的原料上茁壮成长，以各种食物废弃物甚至二氧化碳 ( 如  Air Protein^TM)取代精制糖。

人工智能和机器语言及其应用技术的进展也在成分组合预测方面取得突破性进展，从而产生新口味（NotCo公司)，甜味剂工程公司（Amai Proteins）将通过计算蛋白设计出具有新特性的蛋白，并将使用大型食品安全蛋白数据库(Protera)筛选新蛋白质功能。  

为食品级发酵量身定制的生物反应器的重新设计需要不断创新，这些系统将需要由可再生能源提供动力，以发挥其全部的影响潜力。 

将净化/加工最小化，并通过在下游加工过程中提供副产物，使剩余微生物生物量的价值最大化，这将提高精密发酵技术的整体经济效益。 

克服规模化的挑战

发酵，以其不同的形式提供了一个令人兴奋的机会，提供优化的营养和改进的味道或功能，特别是当与其他食品部分结合后。  

除了特定的配料外，精密发酵这样的技术平台还可以提供酶，这些酶可以用作食品加工的辅助材料，比如用来使肉类变嫩的那种。

随着时间的推移，与精密发酵相关的成本将继续下降，而精密发酵衍生品将通过更广泛的传统材料达到成本竞争力  

中国的很多工厂可以提供丰富和廉价的生物质原料（如甘蔗渣、果渣），并有很好的粉碎基础设施，在进入这一新兴产业方面具有独特的优势，，、 

扩大生产系统规模，加上可再生能源的实施，将是该行业成功建立的关键。

This article was originally published in AIFST Food Australia Journal. Republished with permission.

References

1.      Johnson, ME, Lucey, JA (2006). “Major technological advances and trends in cheese” Journal of Dairy Science, 89: 1174-1178.

2.      Specht, L, Crosser, N (2020). “State of the industry report. Fermentation: An introduction to a pillar of the alternative protein industry” The Good Food Institute https://gfi.org/blog/fermentation-stateof-the-industry-report/

3.      Crosser, N (2021). “2020 State of the industry report. Fermentation: Meat, eggs, and dairy” The Good Food Institute https://gfi.org/resource/fermentation-state-of-the-industry-report/

4.      Warner, M (2021). “Commercial fermentation: opportunities and bottlenecks” https://gfi.org/event/commercial-fermentation-opportunitiesand-bottlenecks/

5.      Sinistore, J, Lab, J, Natarajan, M, Kriete Z (2021). “Comparative life cycle assessment of Perfect Day whey protein to total protein in milk” WSP USA https://f.hubspotusercontent00.net/hubfs/7692102/Comparative%20Perfect%20Day%20Whey%20LCA%20report%20prepared%20by%20WSP_20AUG2021_Non%20Confidential-1.pdf?hsCtaTracking=2df1505b-f8f6-4242-9192-495d0f428c0f%7C1301fe86-ab41-4f1a9d5f-b61e8bbf3658

6.      Khan, S, Dettling J, Loyola C, Hester J, Moses R (2019). “Environmental life cycle analysis: Impossible burger 2.0” Quantis https://impossiblefoods.com/sustainable-food/burgerlife-cycle-assessment-2019

7.      Food Standards Australia New Zealand (2021) “Proposal P1055 – Definitions for gene technology and new breeding techniques” https://www.foodstandards.gov.au/code/proposals/Pages/p1055-definitions-for-gene-technology-and-newbreeding-techniques.aspx

8.      Lu, H et al. (2019). “A consensus S. cerevisiae metabolic model Yeast8 and its ecosystem for comprehensively probing cellular metabolism” Nature Communications, 10:3586

9.      Tubb, C, Seba, T (2020). “The roadmap to disruption and market opportunities” Rethinx https://rethinkdisruption.com/the-roadmap-to-disruption/

10.  CSIRO Futures (2021). “A national synthetic biology roadmap: identifying commercial and economic opportunities for Australia” CSIRO, Canberra https://www.csiro.au/en/work-with-us/

services/consultancy-strategic-advice-services/csiro-futures/futures-reports/synthetic-biology-roadmap.

Dr Michelle Colgrave leads the CSIRO Future Protein Mission, a large research initiative aimed at capturing growing demand for high quality and sustainable protein. Michelle is also a Professor of Food and Agriculture Proteomics at Edith Cowan University. Dr Thomas Vanhercke leads the Novel Protein Production Systems and Agriculture and Food domains within the CSIRO Future Protein Mission and CSIRO Synthetic Biology Future Science Platform, respectively. Thomas background is in plant and yeast synthetic biology with a particular interest in food proteins and lipids.