源自食品副产物的微生物细胞蛋白：从发酵到人类食品应用的食品级视角

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Microbial cell protein from food side streams: A food-grade perspective from fermentation to human food application

　　

• FSS 的组成、微生物的选择和预处理是相互依赖的；
• 下游加工影响 MCP 的营养和功能状态；
• 食品级 FSS-MCP 需要在整个生产链中进行安全验证；
• FSS-MCP 在人类食品中的应用仍然有限，需要进一步验证。

引言
预计到 2050 年，全球人口将达到 96 亿，推动膳食蛋白质需求相应增加。依靠传统畜牧业来满足这一需求将消耗有限的自然资源，并加剧环境挑战，包括森林砍伐、生物多样性丧失、水体富营养化和温室气体排放 (Sobhi et al., 2023)。这一前景凸显了将蛋白质供应多元化转向资源效率高且环境足迹较低的可持续替代品的紧迫性。尽管植物蛋白、昆虫蛋白和培养肉已成为有前途的替代品，但每种产品都面临与营养完整性、感官特性和消费者接受度相关的独特局限，目前阻碍了其作为动物蛋白替代品的可行性 (Koukoumaki et al., 2024a; Lumsden et al., 2024; Venugopal & Sasidharan, 2022)。另一种值得考虑的蛋白质替代品是微生物细胞蛋白 (MCP)，它指的是通过培养酵母、细菌和丝状真菌等微生物获得的完整细胞生物量或分离蛋白。值得注意的是，虽然“单细胞蛋白”(SCP) 一词自 20 世纪 60 年代末引入以来在科学文献中被广泛使用，但它可能暗示源生物体仅为单细胞，这对于丝状真菌来说并不成立 (Kurcz et al., 2016)。因此，本综述采用"MCP"一词，以更准确地反映所讨论微生物的分类和形态多样性。

MCP 与其他新兴替代蛋白相比具有若干优势。在营养方面，大多数 MCP 来源提供所有九种必需氨基酸 (EAA)，特别是赖氨酸含量较高（一种在植物和某些动物蛋白中通常受限的氨基酸），此外还包括脂质、碳水化合物、维生素和矿物质等营养物质 (Sharif et al., 2021)。根据微生物的不同，蛋白质含量通常在干重基础上占 30% 至 80%，在某些情况下超过植物基来源 (Alves et al., 2025; Choreziak et al., 2025)。此外，由于微生物是在受控的生物反应器环境中培养的，倍增时间短，因此 MCP 生产需要极少的土地和水资源，同时能够实现比传统来源更快的蛋白质产出，表明其有能力成为坚韧且可持续的蛋白质来源。生命周期评估 (LCA) 还预测，当动物肉生产被 MCP 生产系统取代时，环境影响因素（如森林砍伐、淡水消耗或土地占用）会有所减少 (Durkin et al., 2022; Humpenoder et al., 2022)。然而，MCP 的成本竞争力仍然是大规模采用的重大障碍，当使用纯糖或合成培养基等传统基质时，原材料占制造总成本的 35–55% (Cardoso Alves et al., 2023)。使用低成本食品副流 (FSS) 作为发酵基质提供了一种有吸引力的策略来解决这一限制。

FSS 是食品生产、加工、收获和分销过程中产生的副产品或残余材料。它们在整个农食供应链中大量产生，富含可发酵糖、氮和能够支持微生物生长的微量营养素 (Sobhi et al., 2023)。理想情况下，将这些废物材料作为营养底物进行增值利用，可以同时降低 MCP 生产成本，使有机废物从处置中转移，并在食物系统中闭合营养循环。然而，将 FSS 纳入 MCP 生产系统的复杂性在于 FSS 组成的异质性和多变性。额外的预处理、水解或营养补充步骤，以及将废物流整合到发酵设施中的物流，增加了传统 MCP 生产中不存在的操作复杂性 (Kobayashi et al., 2023; Sobhi et al., 2023)。废物增值的环境和经济收益是否值得这些增加的复杂性，需要对现代技术和研究如何简化基于 FSS 的 MCP 生产系统进行系统评估。

现有关于源自 FSS 的 MCP 的研究主要集中在上游工艺开发，包括基质选择、预处理、发酵条件和生物量产量或蛋白质含量。尽管以前的综述已经确立了利用 FSS 作为 MCP 生产基质的潜力，并考虑了营养质量和安全性等方面，但文献仍然主要面向废物增值、工艺可行性和饲料应用 (Kim et al., 2024; Salazar-Lopez et al., 2022; Sekoai et al., 2024)。相对较少关注下游加工以及安全性、营养、感官、功能和消费者相关考虑，这些对于建立 MCP 适用于人类食品应用至关重要。这反映在 Nadar 等人 (2024) 的系统综述中，其中只有 13% 和 37% 的 347 项研究量化了核酸并报告了氨基酸谱。使用 FSS 作为基质时，这些考虑也尤为重要，因为 FSS 的可变和异质组成会影响微生物生长以及由此产生的生物量的质量和均匀性，因此需要适当的预处理、纯化和质量控制 (Ng et al., 2024)。因此，本综述综合了过去五年关于源自 FSS 的 MCP 的研究，评估了饲料组成、预处理、发酵设计和下游加工如何共同决定 MCP 产量、组成、安全性、营养质量和功能性，从食品级角度进行评估。它还进一步讨论了持续存在的障碍，如核酸含量、工艺可扩展性和饲料变异性，以及可能增加源自 FSS 的 MCP 作为安全可行的人类食用蛋白质来源潜力的未来方向。

章节片段
方法
在四个主要科学数据库（PubMed、Scopus、Web of Science 和 ScienceDirect）中对研究文章和综述进行了系统搜索，以识别与通过发酵从 FSS 生产 MCP 相关的文献。使用布尔运算符（AND、OR）以及以下关键词的组合检索出版物："微生物蛋白”、“单细胞蛋白”、“发酵”、“食品副流”、“副产品”、“食品废物增值”、“食品应用”以及

微生物细胞蛋白 (MCP) 的生产
MCP 生产的一般过程包括三个阶段：包括饲料和微生物菌株选择的上游操作，中游微生物发酵和生物量培养，以及下游发酵后处理以获得用于食品应用的所需 MCP 产品。传统微生物培养通常依赖于由纯化营养源配制的标准复杂或定义培养基，如酵母浸出肽粉葡萄糖 (YPD) 肉汤，或基础培养基

FSS 组成、预处理策略和微生物选择之间的相互关系
随着全球食品生产和消费的增加，农业收获、食品生产和分销过程中会产生大量二次残留物和副产品。经合组织/粮农组织 (OECD/FAO) 预测，到 2030 年，副流产量将从海鲜加工的约 1700 万吨到谷物的 1.5 亿吨不等 (图 2)(OECD/FAO, 2021)。这些通常被视为待处置的废物，这些流中含有相当数量的生物活性化合物，

发酵饲料对 MCP 组成和结构的影响
在发酵过程中，发酵培养基中的碳和氮可用性影响微生物生物量积累及其生化组成。同化的糖通过中心代谢途径分流，包括糖酵解、戊糖磷酸途径和三羧酸循环，产生 ATP、还原当量和代谢前体，用于合成细胞成分和形成新生物量。丙酮酸等碳中间体，

源自 FSS 的 MCP 的下游加工用于食品应用
尽管最近的研究越来越多地证明将 FSS 转化为富含蛋白质的微生物生物量的可行性，但关于其随后转化为食品配料的证据仍然有限。大多数 FSS-MCP 研究将其范围限于发酵优化、生物量回收和组成表征，通常使用离心或过滤后进行干燥来量化生物量产量和蛋白质含量，而不是调查随后的纯化、功能性

食品级 FSS-MCP 的安全验证和监管要求
应考虑源自 FSS 的 MCP 在整个生产链中的安全性，因为潜在危害可能来自饲料、生产微生物和处理条件。农业副流可能含有农药残留和镉、铅和砷等重金属，而储存不当可能会引入致病菌或产霉菌毒素微生物。这些污染物有时会在水解或发酵过程中持续存在或浓缩，如果它们

源自 FSS 的 MCP 转化为人类食品
尽管对源自 FSS 的 MCP 的兴趣日益增长，但将其转化为人类食品应用仍然有限，这一点从表 2 中列出的少量研究和商业产品可以看出。这一差距反映了当前 MCP 研究侧重于基质转化和生物量生产，而相对较少关注下游加工、食品级安全验证和法规遵从性。当前研究主要集中在将 MCP 生物量纳入植物基肉类

挑战和未来方向
使用 FSS 作为 MCP 饲料面临一个关键挑战，即组成变异性既存在于不同类型的 FSS 之间，也存在于同一副流的批次之间。农业废物的营养组成可能会根据地理位置、环境和季节条件以及它们源自的加工流而变化 (Ayele et al., 2025; Sekoai et al., 2024)。这种变异性使工艺标准化变得复杂，因为生产方案必须适应

结论
本综述强调，从 FSS 生产食品级 MCP 需要跨生产链的整合方法。在上游层面，饲料选择、微生物选择和预处理是相互关联的：FSS 组成决定营养可用性，预处理过程使这些营养更容易被所选微生物利用，该微生物利用这些营养以获得最佳生物量产量或质量。下游加工同样应该是应用驱动的，与

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利益冲突声明
作者声明无利益冲突。

CRediT 作者贡献声明
Ariel Ho Xin Yi：概念构思、数据管理、形式分析、调查、方法学、资源、可视化和写作——初稿。Yunjiao Liu：调查、方法学、可视化和写作——审查与编辑。Restituto Tocmo：概念构思、资金获取、验证和写作——审查与编辑。Yuyun Lu：概念构思、资金获取、项目管理、监督、验证和写作——审查与编辑。

致谢
本工作部分得到了好吃研究所 (The Good Food Institute, Inc.) 在 GFI 资助编号 25-FM-UK-FC-1-1095 下的支持。作者还想感谢贝佐斯地球基金 (Bezos Earth Fund) 对新加坡国立大学贝佐斯可持续蛋白质中心的支持。

Ariel Ho Xin Yi|Yunjiao Liu|Restituto Tocmo|Yuyun Lu