微生物驱动碳中和：基于CO2和C1-C2化合物的可持续食品系统转型

这篇综述系统阐述了微生物如何通过固定CO2和利用C1-C2化合物（如CH4、CO）生产食品（SCP），实现食品系统脱碳。文章详细解析了自养/异养微生物代谢路径（如CBB循环、WL途径）、生物反应器设计（CSTR、气升式）及下游加工（DSP）技术，并探讨了市场趋势与产业化挑战，为构建气候适应性食品生产体系提供了创新方案。

　　

微生物食品系统概述

从公元9世纪乍得湖的螺旋藻饼干到现代Quorn^?真菌蛋白，微生物食品发展历经千年。当前技术已从依赖糖类的一代原料转向利用CO₂、有机废物等二/三代原料，如Solar Foods公司通过氢氧化细菌将H₂/O₂/CO₂转化为Solein^?蛋白粉。微生物食品市场预计2035年达2200万吨，但面临原料多样性、技术复杂性等挑战。

碳中和原料的选择

工业排放CO₂（水泥、钢铁行业）和沼气（含35-50% CO₂）成为核心碳源。分子氢（H₂）作为电子供体，可通过绿色电解水生产；合成气（CO/CO₂/H₂）则来自生物质气化。有机废物每年13亿吨的巨量蕴含碳氮磷全要素，但需预处理解决组分波动问题。

微生物碳固定平台

自养微生物通过卡尔文循环（CBB）或伍德-永达尔路径（WL）固定CO₂。氢氧化细菌（HOB）的蛋白质含量高达75%，氨基酸谱接近动物蛋白。异养微生物如甲烷氧化菌（如Methylococcus capsulatus）可转化CH₄为饲料蛋白，生产率达3-4 g/L·h。两阶段混合培养（如Clostridium ljungdahlii产乙酸→酵母转化）展现技术潜力。

生物反应器技术演进

搅拌罐反应器（CSTR）占现有产能主流，但气升式反应器在连续生产中表现突出：Quorn^?采用150 m³外循环气升反应器实现2.33 g/L·h产率。气体底物（如H₂）的传质限制仍是瓶颈，需通过加压或特殊设计（如Unibio的U-loop反应器）优化。

下游加工与产品开发

DSP成本占比高达80%，细胞破碎、核酸去除（热激活核酸酶）和脱水（喷雾干燥）是关键步骤。产品形态包括：60-80%水分的蛋白浆（如Fy?真菌蛋白PDCAAS 91%）、重组蛋白（如Perfect Day的基因工程乳清蛋白）及微生物油脂（产油酵母脂质占比70%）。

产业化现状与挑战

158家相关企业中，Calysta和Unibio已实现CH₄基饲料商业化生产，而H₂/CO₂路线多处于中试阶段。经济性仍是核心障碍：DSP优化、自动化及规模效应（目标产能>22百万吨）是破局关键。消费者对"废料转化食品"的接受度与监管审批（如EFSA的0.9% GMO阈值）构成额外挑战。

环境效益量化

全球食品系统年排放13.6亿吨CO₂，理论可转化47.6亿吨微生物生物质（含3 kcal/g）。现有碳捕集设施（50 Mt/年）若全用于发酵，可满足3倍全球热量需求。替代动物蛋白还能减少70%淡水和50%耕地使用，但需解决H₂储运、核酸代谢（痛风风险）等技术-社会复合问题。

未来方向

合成生物学将设计定制化菌株（如产动物脂肪的工程酵母），而电/光催化氮还原可替代哈伯法合成绿色氨。核能制氢（粉氢）与直接空气捕集（DAC）耦合，或成终极碳中和方案。通过跨学科协作，微生物食品有望重塑人类饮食结构，实现《巴黎协定》1.5°C温控目标下的粮食安全。