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攻克生物酶法脱嘌呤技术瓶颈 力争实现中国肉类缺口由酵母蛋白替代的战略目标1

已有 935 次阅读 2023-7-31 11:53 |个人分类:新蛋白技术|系统分类:观点评述

攻克生物酶法脱嘌呤技术瓶颈

力争实现中国肉类缺口由酵母蛋白替代的战略目标

 

摘要:依靠工业生物技术人才集成创新,建立高效生物酶法脱嘌呤(脱核酸)生产工艺,即只脱核酸,同时避免蛋白组分酶降解,制备食品安全级酵母蛋白产品,应用于替代蛋白制造领域,满足我国肉类市场缺口的需求。同时请求食品制造、营养、风味等领域的专业人士入场,进行进一步攻关及分工协作,提高酵母蛋白在持水、亲油、风味等特性的技术参数,真正把酵母替代蛋白食品端上人民大众的餐桌,力争实现中国肉类缺口由酵母蛋白替代的战略目标。

 

一、替代蛋白研发意义重大   

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(高浓度大豆异黄酮对男女生殖系统均有不良作用),我国主要依靠大豆蛋白发展替代蛋白主产品,这条路是走不通的。微生物发酵生产的替代蛋白以资源消耗少、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。

 

二、研发食品级酵母单细胞蛋白可行性及技术突破性

依据安全性,营养性、工业化生产可持续性等特性,微生物单细胞蛋白已被认为是替代蛋白的终极产品,尤其酿酒酵母单细胞蛋白。

酵母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(所有必须氨基酸)、完整B族维生素、14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。

酿酒酵母被用来制作人类食品已经有千年余历史。酿酒酵母富含多种营养物质,如蛋白质含量达到45%~60%,含有丰富的人体必需氨基酸,其中赖氨酸5%~7%,含硫氨基酸2%~3%。并含有丰富B族维生素,如B1、B2、B6、B12、泛酸、叶酸、烟酸、多糖类等。更具有独特性质的是酵母中B族维生素是以磷酸酯的形式存在,人体吸收利用度更高。然而一直以来,由于酿酒酵母具有核酸含量高及细胞壁消化率低两个特性,制约着食品级酵母蛋白产品进一步开发。

克服嘌呤(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。

酵母蛋白核酸含量过高引起痛风、代谢失衡和尿结石阳等疾病。工业化大生产去核酸方法主要是碱法和酶法。碱法导致蛋白质营养性物质损失及有毒产物赖氨酸-丙氨酸产生。酶法由于使用的酶制剂价格昂贵无法进一步推广使用。

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,应用于酵母蛋白去除核酸生产工艺中,使酵母蛋白提取物核糖核酸含量由6-8%下降到0.6-0.8%,完全达到食品级安全水平。高效去除核酸后,并使酵母蛋白物理回收更加容易,回收率提高5-10%,进一步提高酵母蛋白的经济性。


    酵母蛋白成为终极提蛋白第二个挑战是细胞壁消化利用率低题。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,不易被人体消化吸收加以利用。

利用现代食品技术,把酵母细胞壁多糖制备成类抗性淀粉,应用于低碳饮食领域。目前研究表明抗性淀粉对健康起着强大的促进作用,包括改善胰岛素敏感性、降低血糖水平、通过降低食欲帮助你减肥、改善消化系统功能等。我国有1.4亿糖尿病患者及几乎达7亿人口糖尿前期患者。这种类抗性淀粉引入低碳饮食领域,即可大大减少淀粉类食物的摄入,又可不改变正常的饮食方式。

 

三、研发酵母单细胞蛋白及相关产品

微生物蛋白主要包括酵母蛋白、细菌蛋白、大型真菌蛋白等。酵母蛋白含有全部必需氨基酸,属于全价蛋白,发营养丰富且酵工艺成熟,无致敏成分,适合人群十分广泛

依据酵母细胞的成分,生产以下相关产品,进一步提高酵母蛋白系列的经济性:1、食品级酵母蛋白产品,蛋白含量可控制在50-80%。2、细胞壁多糖产品,β-葡萄糖及甘露聚糖。3、富含各种辅酶成分及B族维生素的食品级酵母提取物,特别富含维生素B12,而此维生素一般不存在于植物性食物中,可应用于功能性食品。由于低盐、胆固醇及脂肪含量几乎为零,功能性食品可应用心血管疾病、高血压疾病及控制血糖等防治领域。4、在生产酵母单细胞蛋白生产工艺中,生产100万吨产品,同时可得到约3-5万吨的嘌呤和嘧啶杂环化合物,对于发展新型工程材料意义重大。

 

 

四、酵母单细胞蛋白向绿色可持续发展,扛起农业减碳使命

发展酵母蛋白作为终极替代蛋白分四步走。第一步,利用糖蜜及淀粉糖发酵生产酵母蛋白。第二步,利用高产农作物马铃薯、红薯及木薯淀粉糖发酵生产酵母蛋白。第三步,利用废弃啤酒酵母,酒精酵母,及利用农林废弃物及饮食业垃圾生产酵母蛋白。第四步,利用非粮生物质即农作物及植物秸秆作为发酵原料,生产酵母蛋白。通过对可再生资源的生物转化利用,拓展发酵原料来源,有利于生态平衡的条件下解决粮食短缺和环境污染问题。

 

五、实现中国肉类缺口由酵母蛋白替代的战略目标

酵母蛋白生产周期短、效率高,不抢占土地资源,不受季节、气候影响,环境更友好,能够显著提升蛋白生产效率且降低二氧化碳排放。最为主要的优势可实现工业化生产,其高效的生产效率为中国肉类蛋白缺口可由酵母蛋白替代的来实现。1、200 x 200M3发酵罐可年产100万吨优质酵母SCP。2、相当于500万头奶牛和10亿只鸡生产的蛋白类产品,减少600万吨CO2排放。3、相当于2万头肉牛提供的蛋白(按1头牛500公斤,出肉约250公斤,纯蛋白约50千克)。4、全球牛肉产量约6千万吨,纯蛋白1.2千万吨纯蛋白。2400 x 200M3 发酵罐年产SCP相当于全球牛肉产量的蛋白;380 x 200M3发酵罐年产SCP相当于中国牛肉产量所含蛋白量。

酵母单细胞蛋白生产成本分析:目前起步阶段使用糖蜜或淀粉糖作为主要生产原料,依据酵母工业的生产经验,淀粉糖占生产成本约60%。结合以3吨淀粉糖生产1吨酵母蛋白,测算每吨酵母单细胞蛋白生产成本在15000-20000万人民币。理论上,酵母单细胞蛋白蛋白含量占约50%,酵母纯蛋白(100%纯度)生产成本在30000-40000万人民币/吨。

酵母纯蛋白与猪肉及牛肉纯蛋白价格比较:猪肉(市场价20

/kg,蛋白含量按15%计算) 纯蛋白价格在130,000元人民币/吨;牛肉(市场价70元/kg, 蛋白含量按20%计算)纯蛋白350,000元人民币/吨。相比猪肉及牛肉价格,从纯蛋白生产成本角度,酵母蛋白只有猪肉0.27倍,牛肉的0.1倍。

    酵母蛋白与植物基豆粕经济性比较:由于豆粕蛋白氨基酸营养均衡性、植物雌激素大豆异黄酮浓度过高及影响人体胃肠道抗营养因子含量高等因素,大豆蛋白不能直接无限量地应用于食品工业。豆粕蛋白应用于养殖业,间接获得猪肉、鸡肉、牛肉蛋白来满足肉类市场的需求。科学研究表明,81.7%的蛋白质在从植物蛋白转变为动物蛋白损失。依此计算,获得1吨动物蛋白需要10吨的豆粕(豆粕蛋白含量约45%,豆粕价格约为4000元人民币/吨),豆粕消耗量就达到40,000万人民币。据此,酵母蛋白经济性还是具有价格优势的。

    酵母蛋白就是一种纯天然,近乎完美的均衡营养食品,可制作替代蛋白肉,替代目前肉类市场缺口约1千万吨的需求。替代蛋白肉作为一种理想的畜牧肉类产品替代品,是解决传统畜牧业供给不足的主要替代产品,同时对中国粮食安全问题和畜产品供给体系调整具有重要的战略意义。

   

六、总结  

由于人口剧增、土地资源的限制、环境与气候压力,传统食物蛋白质生产方式已无法满足人类未来生活需求。工业化规模、低成本、可持续的蛋白质生产方式需要创新和发展。采用微生物蛋白等替代动物蛋白是食品和生物产业的必然方向。

利用最为先进的生物技术,破解酵母蛋白高效脱嘌呤(核酸)卡脖子技术,工业化生产食品安全级营养型酵母蛋白产品。应用于替代蛋白领域,逐渐满足替代肉类市场缺口千万吨的需求。

 

 

 

 

注释:本博客文章参照替代蛋白系列文章,在这里一并致谢。由于此博客文章涉及多个领域,文章一定有不准确的地方,希望得到进一步讨论,目的是使酵母蛋白作为替代蛋白真正产业化,为我国肉类食品供给得到更多保障作贡献。作为科研界一员,我们更应该把科研成果写在祖国大地上开花结果。

作者系中国协和医科大学博士,正高级制药工程师,1995-1999年留学于美国阿肯色大学医学院。2014年度国家高技术发展计划生物和医药科技领域主题项目(项目第十五)首席专家。




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