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人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?

微生物生产的蛋白质会在食品和饲料行业中大放异彩吗?

编者按:

随着世界人口不断增长,可耕地面积不断减少,海洋资源日趋贫乏,蛋白资源不足与日益增长的需求之间的矛盾愈加尖锐,蛋白质短缺已成为当今的世界性危机之一。然而,植物蛋白的利用率低和动物蛋白的生产周期长等问题掣肘了人类对蛋白质的获取。

于是,人们将目光转移到了微生物生产的蛋白质即单细胞蛋白质身上。单细胞蛋白质的生产具有占地面积小、不受气候影响和生产效率高等优势,这些优势使其备受关注。

今天,我们特别关注用于食品及饲料行业的单细胞蛋白质,重点介绍几家单细胞蛋白生产商。希望本文能够为相关的产业人士和各位读者带来一些启发与帮助。

人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?

① Brewed Food与单细胞蛋白

利用微生物发酵产生的蛋白质被称为“单细胞蛋白”,也可称为“微生物蛋白”。由于单细胞蛋白具有生产效率高和生产原料来源广等优势,因此,单细胞蛋白质越来越受到人们的关注,也越来越多得被用于食品加工和饲料中。

目前,大部分公司主要利用合成生物学对微生物进行编辑以生产目标蛋白质,但也有一些公司选择直接利用一些特殊的微生物进行生产,比如 Brewed Foods 公司。

Brewed Foods 公司是 White Dog Labs(WDL )1替代蛋白公司的子公司,该公司生产了一款名为 Plentify 的蛋白粉产品,这款产品色泽鲜艳、味道鲜美,可用它来替代肉类、奶制品等食品。

Plentify 是由传统作物或动物的饲料在发酵罐中发酵得到的。

通常来讲,如果你把普通的植物性蛋白添加到现有的无乳干酪(通常由坚果或者淀粉和油的混合物制成)中,“你将会得到一种讨厌的、黏糊糊的、难嚼的东西”,Brewed Foods 公司联合创始人 Jonathan Gordon 博士说。

他是 Silk 豆奶的发明者,也是世界知名的植物性食品配方师。

Gordon 补充道:“但是 Plentify 不一样。它不与自身或者其它成分相互作用,这很有优势,我们可以利用它做素食干酪,这种素食干酪与现今市面上的其它干酪不同,因为每盎司干酪中的蛋白质含量可以达到 4 克。”

Gordon 博士还表示:“显然,你不能轻易地在你奶奶的厨房里找到这种微生物生产的蛋白质。”

虽然微生物生产的蛋白质不像动物蛋白和植物蛋白那么常见,但这也不是科幻想象。

Gordon 强调说:“由于益生菌的普及,消费者已经建立了对微生物的概念。尽管在我们生产的 Plentify 产品中,这些细菌不像益生菌一样是‘活的’,而是灭活后的且无法形成孢子。”

Brewed Foods 公司的联合创始人 Bryan Tracy 博士(WDL 首席执行官)说:“利用微生物作为微观的‘食品工厂’来生产各式各样的食品(比如蛋白质,又或是高度甜味剂)是时代潮流。”

他说,寻找更高效的优质蛋白质来源正迅速成为食品行业和相关投资者的头等大事。

人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?图. Brewed Foods 公司的生产设备

② Plentify与极端微生物

那 Plentify 究竟是如何制成的呢?

不像其他的初创公司那样, Gordon 和 Tracy 并没有采用基因工程手段(如使用合成生物学对微生物“编程”以其生产目标成分。如鸡蛋、牛奶中的蛋白质)。

“由于种种原因,我们不想走合成生物学的路线。”Tracy 博士说。

取而代之的是,他们利用了一株来源于肠道的细菌,这株细菌可以在厌氧环境下利用各种来源的糖。通过控制发酵的过程,Gordon 和他的团队成功实现了在低成本的条件下让这株细菌生产高质量的蛋白质。

Gordon 说:“我们正在研究的这种细菌,我可以高度肯定地说,这个星球上的每一个人的肠道中都有它。”

他补充道:“在过去的十年里,人们对微生物组、对这些微生物群落的多样性和组成有了更深的认识。WDL 与其他公司主要的区别在于,我们有敏锐的‘嗅觉’,可以精确地挖掘出这些微生物,而其他人却难以实现。因为这项工作很困难,尤其是挖掘厌氧微生物。”

此外,特别的是,他们并不会对生产的蛋白质进一步分离和提取,以提高蛋白质的纯度,而是直接利用该微生物生产完整、高水平的蛋白质。

Tracy 说:“没有裂解,没有提取,也没有分泌。因为,最终产生的产品其干重中的 80~84%已经是蛋白质了,有这么高水平的蛋白质真的很不寻常。”

相比之下,Nature’s Fynd 公司培养的极端微生物也只产生了纯度在50%以上的蛋白质2。

Tracy 补充道:“任何超过 70%的东西都会让你陷入未知的境地。它包含非常诱人的氨基酸配比,虽然它缺乏组氨酸,PDCAAS 评分较低(0.75 左右),但是给 Plentify 补充组氨酸(常见于麻类植物、蚕豆)很容易,因此很轻松就能使评分提高到 0.98。”

(编者注:PDCAAS 是指蛋白质消化率校正氨基酸评分,一种蛋白质消化吸收率校正评分质量的评价指标,基于蛋白质的消化率以及其是否能够满足人体氨基酸需求而对不同的蛋白质进行评分。)

另外,Tracy 博士还表示:“把这样一种食物成分称作是‘植物性’的,这是不诚实的。这个产品本身是一种细菌,尽管其制造的 Eesy Cheese 产品的其它主要成分都是植物性的。”

Tracy 补充道:“所以我不会说 Plentify 或者 Eesy Cheese 是‘植物性’的。相反,我们会宣扬这个事实:它是非动物性的、纯素的,不管是内容物,还是生产过程,它都没有使用过任何动物源的东西。”

Tracy 表示,食物成分的 GRAS 认证正在进行中,我们会在适当的时候将结果送给 FDA。“这是一种全新的食物成分,当我们开始研究微生物时,我们主要的筛选标准之一是排除那些可能会引起安全问题(如过敏、抗生素耐药性)的微生物。”

(编者注:GRAS ,全称为 GenerallyRecognized as Safe,是美国 FDA 评价食品添加剂的安全性指标。)

至于该产品最终的标签,Gordon 表示,仍在讨论中,但最有可能的格式就是:品牌名 Plentify + (菌株名称),或者是类似“细菌蛋白”的东西,公司将在这一过程中的每一个阶段与 FDA 沟通。

人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?图. Plentify 蛋白粉

③ 鱼粉替代品

除了 Brewed Foods 公司以外,许多其他公司也在关注单细胞蛋白质。北卡罗莱纳的一家名为 Arbiom 的创业公司3表示,用木头废料生产单细胞蛋白质不仅可行,还可以替代水产饲料中的传统蛋白质。

根据 Arbiom 公司动物营养学主任 Ricardo Ekmay 所说,在与德州农机大学合作的试验中,他们将发酵木材来源的酵母单细胞蛋白,以 20%的比例添加到条纹鲈鱼的饲料中,结果显示,条纹鲈鱼的消化率高达 97%。

Ekmay 说:“我们试图创造一种高价值的蛋白质,不仅仅是蛋白质和氨基酸含量高,而且消化率也高。”他说,这对公司的可持续性目标至关重要,因为“如果动物食用了很多蛋白质,却无法利用,那么这会损害环境并造成污染。”

Ekmay 认为, Arbiom 的蛋白质产品目前仍在试验中,它将成为 Arbiom 公司的第一个商业产品,一旦成功,将有可能成为动物饲料行业中的鱼粉替代品,因为这种蛋白质拥有优越的营养成分,所需要的生态足迹较少。

(编者注:生态足迹指支持每个人生命所需的生产土地与水源面积。)

Ekmay 表示,在初步试验中发现的高消化率对公司来说是必要的。“我们对结果非常满意。”他说。

该公司还专注于实现较低的生产成本,以确保其蛋白质的经济可行性。但正如许多新奇的和新兴的食物成分一样,Arbiom 公司还需要一些努力才能将饲料原料推向市场。

Ekmay 说,Arbiom 公司大约在三年前开始生产饲料原料。研究于去年正式开始,以上结果只是一个宏观研究计划的开端,还有更多的试验将在鲑鱼和猪身上进行。Arbiom 公司已经开始向潜在合作伙伴展示该蛋白,但预计不会在 2022 年之前进行线上商业活动。

人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?图片来源:Aribiom 官网

④ 废物利用

在国内,也有公司正在致力于生产用于水产养殖业的单细胞蛋白质的设施,以实现废物利用并减轻环境压力的目标。

中国香港 iCell(协赛)可持续营养有限公司4和山东中谷淀粉糖有限公司5合作开发了一款单细胞蛋白质的设施,该设施能够利用微生物将工艺废水中的营养物质转化为可用于动物饲料中的单细胞蛋白质。

位于山东的单细胞蛋白质生产设施是 iCell 在中国建成的第二个全尺寸单细胞蛋白质生产设施,生产能力可高达每年几千吨。此外,iCell 公司在全球拥有 50 多项动植物营养方面生产和使用的单细胞蛋白质专利。

iCell 的高级营养学家 Lijuan Wang 博士说:“来自 iCell 的单细胞蛋白质含有高水平的蛋白质,具有极好的氨基酸配比,使其成为比鱼粉更具成本效益的动物饲料添加剂。

我们还发现,来自 iCell 的单细胞蛋白质提高了动物吸收蛋白质的能力,并提高了饲料转化率,因为 iCell 的单细胞蛋白质不包含像豆粕这样的植物蛋白中的典型抗原,所以非常适合水产养殖应用。”

作为我国玉米淀粉的大型加工企业,山东中谷淀粉糖有限公司年产玉米淀粉300 万吨。该企业每天需要进行处理和排放超过 1 万吨富含营养的废水,每年的净化成本超过 30 万美元。

目前,通过将废水中丢弃的营养物质转化为单细胞蛋白质用于动物饲料,iCell 正在帮助山东中谷淀粉糖有限公司创造可持续化的环境和经济效益。

人人肚子里都有生产优质蛋白的细菌?图片来源:iCell 官网

⑤ 单细胞蛋白质的未来?

近几年来,各种各样的蛋白质“替代品”层出不穷,从全新来源的植物蛋白质到细胞培养的“人造肉”,又或是微生物发酵产生的单细胞蛋白质,如 Plentify。Gordon 博士表示,Plentify 已经充分准备好了与其它产品竞争。

Gordon 表示:“微生物发酵的明显优势在于生产高效性,而且你可以利用废物作为原料。我们可以在一个很小的生态足迹中持续、高效地生产大量的蛋白质。而其它类型的蛋白质生产商却要为了进一步的加工处理消耗大量的财力、物力、人力。”

利用微生物生产蛋白比植物蛋白和动物蛋白的生产效率更高,换句话说,种植植物或是饲养动物需要数月或数年的时间,还需要大面积的土地,大量的能量和水,“而我们的微生物不到 2 小时就可以增殖一倍。”

Tracy 博士补充道:“我们想要生产一种以发酵为基础的蛋白质成分,它的价格要在各种应用中都有竞争力。我认为合成生物学已经取得了很多成功,创造了一些真正独特的解决方案。但合成生物学是否具有加工竞争力,会不会有较大的市场需求,依然是悬而未决的。”

不过,随着蛋白质市场需求的不断扩大,动物饲料生产商和食品生产商对单细胞蛋白质的兴趣越来越浓厚,因为其原料成本低,营养价值高,是替代中优质蛋白的理想产品。

也许在不久的未来,单细胞蛋白质会在食品和饲料行业中更加大放异彩。


参考资料:

1.https://www.whitedoglabs.com/about

2.https://www.foodnavigator-usa.com/Article/2020/03/24/Nature-s-Fynd-formerly-Sustainable-Bioproducts-raises-80m-to-grow-food-from-microbes

3.https://arbiom.com/

4.http://www.icellsustainable.com/en

5.http://www.sdxgty.com/intro/11.html

作者|赵婧

审校|617

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