综述：食品生物制造的未来：利用低成本原料生产单细胞蛋白的潜力

《Future Foods》：The Future of Food Bio-manufacturing: Unleashing the Potential of Single-Cell Protein from Low-cost Raw Materials

本综述系统阐述了利用低成本原料（如食品副产物、木质纤维素农业废弃物、单碳分子等）生产单细胞蛋白（SCP）的最新进展，涵盖了不同生产微生物（真菌、酵母、细菌、藻类）的特性、生产路线及其在应对全球蛋白质需求增长和资源可持续性挑战方面的潜力。文章强调了人工智能（AI）和机器学习（ML）在优化SCP生产（如菌株筛选、过程控制）中的重要作用，并分析了其在成本、原料供应链和消费者接受度方面面临的挑战及未来数字化、智能化发展前景。

　　

1. 引言

随着全球人口预计在2050年达到100亿，以及人均食物消费量的增加，全球粮食需求预计将增长50%。蛋白质作为氮和必需氨基酸的重要来源，在生长、发育和维持代谢中起着至关重要的作用。传统农业是蛋白质丰富食物的主要来源，但其严重依赖于日益稀缺的耕地，并消耗了全球约70%的淡水资源。面对耕地不足、资源消耗及相关排放的增加，开发可持续的替代蛋白质来源变得至关重要。单细胞蛋白（SCP）作为来自单细胞微生物的蛋白质，因其生产时间短、对耕地需求大大减少且不受天气条件影响等优势，展现出巨大潜力。本综述旨在总结SCP的发展现状、应用及其面临的挑战，并为未来研究提供方向。

2. SCP生产微生物

SCP的生产依赖于合适的生产菌株。选择微生物时需考虑需氧量、起泡倾向、代谢热、生长速率、生产率以及对低成本底物的产物得率等因素。理想的菌株应能耐受pH和温度的变化，保持基因组和生长形态的稳定性，并便于蛋白质回收和纯化。用于SCP生产的微生物主要包括丝状真菌、酵母、细菌和藻类，它们具有不同的细胞组成、生理特性和能量需求。

2.1. 丝状真菌

丝状真菌是一类具有隔膜菌丝结构的独特微生物。适用于SCP生产的物种包括黑曲霉（Aspergillus niger）、米曲霉（A. oryzae）、桔青霉（Penicillium citrinum）等。它们可以利用水果残渣（如菠萝、橙子废料）等底物生产蛋白质含量达45-55%的SCP。丝状真菌因其丰富的纤维素酶，在利用木质纤维素底物生产SCP方面被认为更有效。例如，Fusarium venenatum被广泛用于生产肉类替代品Quorn^TM。然而，丝状真菌的应用目前受限于原料成本高、生长速率慢以及潜在的过敏原问题。

2.2. 酵母

酵母是严格异养微生物，能够利用多种有机和无机底物合成蛋白质。酵母的蛋白质含量通常在30%至55%之间，并且富含维生素等微量营养素。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是公认安全的（GRAS），是SCP生产的良好候选者。马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）可以利用乳清中的乳糖，具有作为饲料的历史。解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）能够利用多种碳源生产脂质，其灭活菌体生物质已于2019年被欧洲食品安全局（EFSA）批准作为新型食品。目前，酵母蛋白主要来自糖蜜发酵或生物乙醇和啤酒发酵过程的剩余生物质。利用计算机辅助设计的最新进展，研究人员成功将毕赤酵母（Pichia pastoris）的甲醇氧化途径整合到酿酒酵母的代谢网络中，构建了首个人工甲基营养微生物。

2.3. 细菌

细菌具有世代时间短、能在多种底物上快速生长的特点，使其非常适合微生物蛋白生产。细菌SCP生产菌株的粗蛋白含量可超过80%（干重），且富含必需氨基酸（EAA），还能合成维生素、磷脂等功能性化合物。例如，荚膜甲基球菌（Methylococcus capsulatus）是一种甲基营养细菌，已商业化用于从天然气生产SCP。嗜甲基甲基球菌（Methylophilus methylotrophus）曾在20世纪70年代用于商业规模生产细菌蛋白（商品名Pruteen）。除了天然甲基营养菌的发酵，大肠杆菌（E. coli）和谷氨酸棒杆菌（C. glutamicum）作为常见的细菌表达宿主，其合成生物学工具盒更为发达，是潜在的非甲基营养平台微生物。然而，细菌蛋白的生产和应用面临噬菌体污染、适口性差以及可能存在内毒素等实际挑战。

2.4. 藻类

藻类根据大小和多细胞性可分为微藻和大型藻。作为典型的光自养生物，藻类利用阳光和二氧化碳生产生命所需的所有物质。某些微藻，如小球藻（Chlorellasp.），蛋白质含量可达70%，是食品配料以及畜牧和水产饲料的潜在高质量微生物蛋白来源。例如，Scenedesmus almeriensis有潜力替代鱼饲料中高达40%的鱼粉。藻类的主要兴趣点在于其生产ω-3脂肪酸（如EPA和DHA）和类胡萝卜素（如虾青素）的潜力。螺旋藻（Spirulinaspp.）的生产已成功工业化，用作膳食补充剂和SCP食品，但其蛋白质缺乏足够的蛋氨酸、赖氨酸和半胱氨酸。藻类的广泛应用目前受到高密度发酵工艺的优化放大、细胞壁破壁效率以及光照需求等技术挑战的限制。

人工智能（AI）在菌株筛选和改造中扮演着越来越重要的角色。机器学习（ML）作为一种数据驱动的方法，可以通过训练不同的模型，为基因电路设计、蛋白质修饰和生物过程参数优化提供准确预测，从而筛选和放大高产细胞工厂。例如，ML模型可以简化具有更高降解效率的酶组合的筛选，并预测混合菌株发酵系统中的生长速率和相对适应度。

3. 微生物蛋白生产路线

SCP生产的目标是使用经济可行的方法最大化细胞生长和副产物产量，其中原料的选择对经济可行性具有重要影响。SCP生产微生物可以利用各种非食品原料或食品副产物，从而降低成本并提高可持续性。

3.1. 利用食品副产物生产SCP

食品生产、加工和消费过程中产生的营养丰富的副产物和有机废物可作为微生物发酵的原料。淀粉、水果、乳制品加工以及酒精发酵的副产物，如玉米浆、马铃薯蛋白液、酒糟和乳清，通常具有高粗蛋白含量。利用食品副产物生产蛋白质主要涉及丝状真菌、酵母和蘑菇菌丝体的使用。发酵方法包括固态发酵和深层液体发酵。例如，德国公司Mushlabs利用食品工业副产物进行蛋白质和膳食纤维丰富菌丝体的深层液体发酵。美国公司Atlast Food, Inc. 利用食品级植物源副产物进行蘑菇菌丝体的固态发酵，甚至生产出了培根替代品的原型。

3.2. 利用木质纤维素农业生物质生产SCP

2022年，全球木质纤维素生物质年产量约为2000亿吨，是地球上最丰富的可再生碳源。利用木质纤维素固体材料生产蛋白质的方法主要应用于畜牧饲料领域。传统的固态发酵技术，如秸秆青贮、氨化和微贮，已发展到相对先进的阶段并广泛应用，但这些方法产生的粗蛋白含量通常低于15%，且粗纤维含量高，导致适口性差和消化率低。近年来，对复合微生物发酵技术和木质纤维素降解酶的应用研究增多。几项研究报道了在不同木质纤维素底物上培养丝状真菌和酵母生产SCP。当使用不能直接通过固态发酵生产SCP的微生物时，需要先通过预处理步骤（如蒸汽爆破、酶水解）释放木质纤维素糖，然后利用这些糖发酵微生物。然而，由于与工厂产能、投资和酶成本相关的主要费用，这种方法仅在生产高价值膳食蛋白方面具有经济可行性。机器学习方法，如EA-net和随机森林算法，已被成功应用于预测定制的木质纤维素酶混合物和优化预处理方法，从而高效、经济地提高SCP产量。

3.3. 利用单碳（C1）分子生产SCP

单碳（C1）分子作为SCP生产的原料近年来受到越来越多的关注，并获得了大量的商业投资。与传统农业不同，C1 SCP是利用废气或工业C1气体（如合成气、甲醇、CO₂等）通过独特的细菌物种发酵生产的。例如，某些细菌可以通过还原性乙酰辅酶A（Wood-Ljungdahl）途径将合成气转化为有价值的有机化合物。甲烷氧化细菌可以利用甲烷作为唯一的碳源和能源，一些物种自1998年起已实现小规模商业化。丹麦公司UniBio开发了一种U形培养反应器，增加了气体停留时间，显著提高了甲烷利用效率。甲醇在所有C1化合物中具有最高的生物质产量，且甲醇衍生的微生物蛋白具有最适合人类营养的氨基酸比例，这使得甲醇衍生蛋白成为最有前景的C1 SCP。甲基营养物种包括能够利用甲醇的细菌和酵母。对甲醇衍生蛋白的研究始于20世纪70年代。 arguably研究最深入的甲基营养真核生物——毕赤酵母（Pichia pastoris）能够利用甲醇作为唯一的碳源和能源合成多种产品，包括SCP。然而，在甲醇补料分批发酵过程中，毕赤酵母将高达80%的可用甲醇转化为CO₂。最近一项基于细胞壁传感器激活的全基因组信号扰动研究，成功重构了毕赤酵母的代谢网络，将甲醇转化率提高到67.21%，SCP产量达到0.46 g/gDCW的先进水平。二氧化碳是地球温室效应的主要驱动力之一。一些微生物可以在合适的培养条件下以CO₂为原料生产微生物蛋白，这有望有助于实现碳负性蛋白质合成。由于二氧化碳的高度氧化状态，其生物转化需要外部能源。除了光合碳同化，从二氧化碳化学合成的富能化合物（如氢气、甲醇、乙酸）也可以为微生物提供固碳所需的能量。氢氧化细菌，也称为Knallgas细菌，是能够同化二氧化碳的好氧或兼性化学营养菌，它们生长速度快，生物质产量高。微藻是重要的光合微生物，通过Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环将二氧化碳转化为3-磷酸甘油醛，并进一步进入中心碳代谢。另一方面，CO₂可以通过化学转化、电化学催化或生物电催化转化为甲醇、甲酸、乙酸等原料，这些原料在生产蛋白质时可以实现更高的转化效率。例如，一项研究通过将CO₂电催化还原为甲酸与细胞甲酸同化模块相结合，构建了一个无需氢气的SCP生产集成电生化系统。

4. 挑战与前景

单细胞蛋白（SCP）通过微生物发酵生产，作为一种可持续、高效的替代传统蛋白质来源，在全球范围内受到越来越多的关注。随着近年来合成生物学和人工智能的发展，微生物蛋白制造业正在经历颠覆性变革。然而，其引入也带来了技术和社会挑战。

4.1. 与SCP生产成本相关的挑战

所选发酵菌株对微生物蛋白的合成有显著影响，因为它决定了工艺参数和原料转化的产物。通过定制高性能微生物菌株，在优化基因组尺度代谢通量方面具有巨大潜力，可以显著提高甲醇等底物向生物质的定向转化效率。这可以通过提高菌株利用含碳化合物（如二氧化碳、甲醇、乙酸）的效率和速率，以及增强碳向蛋白质的定向转化来实现。对生物体进行全基因组尺度的系统性重编程，已经能够创建人工甲基营养微生物。此外，设计和改造能够完全从CO₂合成其全部生物质的人工大肠杆菌也已成功实现。随着非模式生物（如氢氧化细菌、甲基营养微生物、木质纤维素降解细菌）基因编辑工具的不断改进，以及人工智能辅助的数字细胞设计技术的日益成熟，有望在菌株层面解决基础材料转化为微生物蛋白效率低、速度慢的挑战。

另一个开发改良菌株的策略包括提高蛋白质含量、优化氨基酸组成，以及添加功能性成分（如锌、硒）以满足食品和饲料的营养需求。提高SCP的可降解性和吸收率，增加生物活性肽的含量，都有助于提高SCP的综合利用效率。与蛋白质联产其他高价值化合物也能提高整体产品价值，显著改善SCP生产的经济性。

4.2. 低成本原料收集和储存系统面临的挑战

低成本原料在满足蛋白质生产规模方面存在可扩展性挑战，因为大宗原料虽然容易获得，但处理和浓缩成本可能很高。这一点在以二氧化碳及其富能衍生物为例时表现得最为明显。即使中国全流程钢铁企业每年产生的碳能和富能工业废气被完全利用转化，所得的蛋白质当量也不到1000万吨。因此，探索从工业废气甚至空气中收集低浓度二氧化碳源至关重要。需要开发能够适应不同二氧化碳浓度的碳捕集系统，以及高效、稳定、环境适应性强的二氧化碳吸收和释放机制。

为二氧化碳及其富能化学衍生物合成蛋白质路径的另一个显著挑战是氢气、甲醇等能量载体的高成本。这主要归因于绿色能源（如光伏和催化剂）的昂贵性质以及能量转换效率低的考虑。能源供应成本主要由传输和存储驱动，通过在光伏资源丰富的地区（如中国西部）实施能量载体化合物的合成，可以显著降低这部分成本。此外，开发低成本、高效、稳定的化学或生物催化剂对于降低总成本至关重要。

为了最大限度地降低储存氢气、甲醇等易燃易爆能量载体分子的费用，需要使用防爆厂房，导致硬件投资成本更高。然而，优化组织程序以及提高原材料、产品和应用的流动性，可以有效降低储存所需的投入。

4.3. 与消费者接受度相关的挑战

必须认识到与批准和确保微生物蛋白用于人类消费的安全性相关的潜在监管障碍。安全记录在许多国家是强制性的。并非所有废物都能用作微生物食品或饲料生产的底物。主要的毒理学问题源于真菌中霉菌毒素或蓝细菌中蓝藻毒素等危险化合物的存在，以及在生长过程中积累不需要的污染物（如重金属）。直接使用微生物作为食物的另一个障碍是其相对较高的核酸含量，核酸可代谢为尿酸，这是已知的痛风病因。然而，存在降低SCP产品核酸浓度的既定方法，并且大多数农场动物体内存在尿酸氧化酶，减轻了饲料应用的担忧。尽管市售物种的SCP已证明其安全性和营养价值，但这些产品有时会被消费者拒绝。这种拒绝通常源于对食用微生物的负面看法，背后涉及心理、社会和宗教因素。此外，消费者也可能因为与微生物存在相关的感官特性而拒绝SCP。这可能归因于食物新恐惧症——一些消费者对尝试新食物的不信任和 reluctance。要进一步提高源自低成本材料的SCP在消费者市场的渗透率，需要进行全面而深入的宣传活动。

为了有效应对这些挑战，必须建立明确的监管框架和市场准入原则。SCP可以富含必需氨基酸、维生素和矿物质，使其成为适用于广泛食品和饲料应用的多功能成分。人工智能可以利用数学和统计模型，协助食品行业进行替代蛋白质的个性化营养配方，以满足客户需求。人工智能助手可以整合和拟合上下游技术，帮助开发集成的SCP制造平台，包括上下游加工、连续生物反应器操作和虚拟平台。增强SCP生物制造的智能化和自动化，必将支持微生物蛋白的低成本、大规模生产，从而显著加速新产品上市。因此，应努力教育和告知消费者微生物蛋白作为未来食品的好处和品质，以促进更广泛的接受。

总体而言，源自低成本原料的SCP前景广阔，它提供了一种可持续、高效的蛋白质来源，有助于粮食安全、环境可持续性和资源效率。

5. 未来展望

利用低成本原料进行SCP生物制造是满足未来全球蛋白质供应需求的一个有吸引力的方法。它真正实现了“不与粮食作物和土地竞争”的目标，同时开辟了从非传统资源低成本生产高质量蛋白质的新途径。然而，扩大工业生产是一项具有挑战性且耗时的任务，通常被称为“死亡之谷”。将实验室规模的系统转化为工业规模的SCP生物制造过程，不仅需要提高工业微生物的性能（最重要的是其滴度、产量和生产率），还需要增强其环境鲁棒性。需要进一步开发适用于大规模SCP生产的高性能工业微生物，并减少精力、时间和成本。在数字化已成为普遍规范的世界里，将数字概念融入SCP生产，有望提升SCP生物制造的竞争力、效率和可持续性。未来，研究人员应致力于通过物联网（IoT）技术的集成，实现突变、回收、初步富集、高通量筛选、菌落操作和结果分析等过程的智能调控和全自动化操作。这种方法将能够高效筛选和培养适应工业原料的高韧性工程菌株。新型生物传感器和机器学习模型的进步将在实时分析发酵指标、预测过程变量、检测异常和优化工艺设计方面发挥重要作用。机器学习在逐步发酵放大中的最新发展侧重于克服复杂性、非线性和时间变化等过程约束。SCP生产中对微生物的高通量追踪和在线检测将使我们能够获得与微生物发酵性能相关的大量表型数据。实现工业原料、生产工艺和发酵设备之间的兼容性对于工业级SCP生产至关重要。智能模型引导的工艺优化在推进数字化SCP生产方面前景广阔，有望实现更高的产量和生产率。

未来，在公众和监管机构之间建立有效的沟通渠道，对于促进源自低成本原料的SCP在动物饲料和人类食品等各种应用中得到广泛接受至关重要。确保最终SCP在适口性、感官特性、营养价值和产品多样化方面满足期望，对于提高客户接受度至关重要。包装应包含安全报告，以便客户轻松确信SCP作为食品或饲料的安全性。SCP生产商应关注不同的营养方面，如必需氨基酸、维生素和矿物质，使其成为适用于广泛食品和饲料应用的多功能成分。目前，对于利用低成本原料生产SCP，尚无普遍接受的黄金标准。因此，需要进一步努力标准化生产技术。总体而言，利用低成本原料进行SCP生物制造将在建立环境友好的生物过程、避免迫在眉睫的粮食危机以及促进废物利用的技术创新以建设可持续和健康的世界方面发挥越来越重要的作用。

6. 结论

面对全球气候危机和迫在眉睫的粮食短缺，利用低成本原料进行SCP生物制造既意义重大又不可或缺。本综述考察了利用低成本原料生产SCP的各个方面，重点包括生产、营养和安全性，以及主要挑战和前景。尽管SCP作为一种可持续且营养丰富的蛋白质来源前景广阔，但仍需持续的研究和技术进步来克服挑战，提高其广泛应用的可行性。需要进一步创新方法，旨在最大化系统范围的效率，以充分释放可持续SCP生产的商业潜力。