微生物生物质能否具备实现更可持续、无动物制品的食品所需的技术功能特性？一项关于微生物生物质类型、加工方式与技术功能之间关系的定量综合研究

《Bioresource Technology》：Can microbial biomass deliver the techno-functional properties required for more sustainable, animal-free foods? A quantitative synthesis linking microbial biomass type, processing, and techno-functionality

　　•这项分析展现了微生物生物量在技术功能方面的巨大潜力。•与植物来源的成分相比，微生物成分具有更强的多样性。•目前，细菌的完整细胞及破碎细胞成分尚未得到充分研究。•上下游加工流程整合不足制约了其商业化发展。•跨学科研究需兼顾功能特性、感官品质与可持续性。

引言
世界人口正以前所未有的速度增长，预计到2050年将接近100亿。人口增长加之城市人口和收入的上升，以及人们越来越多地选择富含动物蛋白的饮食结构（Buhaug和Urdal，2013），使得动物食品（如肉类）的生产增速超过人口增长速度（FAO，2010）。这种生产速度及其带来的不可持续性是导致气候变化的重要因素。畜牧业产生了14.5%的人为温室气体排放量（Gerber等人，2013），在导致水资源过度消耗、生物多样性丧失和空气污染的工业领域中位居前三（Koneswaran和Nierenberg，2008）。尽管植物性饮食相对更好，但它们仍依赖于传统的农作物种植系统，而这些系统正日益受到不稳定气候条件的影响，进而导致土壤退化（Montgomery，2007）和生物多样性丧失（Newbold等人，2015）。此外，目前的植物基替代品在口感方面（如风味、质地）难以与动物食品相媲美，而这些正是提升消费者愿意转向植物基及替代蛋白饮食的关键因素（Hefferon等人，2023）。综上所述，这些可持续性和技术功能方面的挑战，再加上过敏原、抗营养因子、限制性氨基酸和微量营养素的存在、消化率较低等问题（McClements和Grossmann，2021），都凸显出需要寻找能够替代传统农业、并在环境可持续性、营养价值及感官特性之间实现更好平衡的替代蛋白来源。

替代蛋白来源包括一系列新兴产品，如培养肉、微生物生物量以及通过精准发酵生产的特定化合物。虽然这些产品都依靠在封闭式生物反应器中进行的与气候条件无关的生产方式，但它们的生产工艺存在显著差异。培养肉是由在实验室中培养的动物细胞构成的，旨在重现屠宰肉的感官特性，通常需要支架或额外的结构来模拟肉质。然而，关于其营养价值的信息有限（如消化率、微量营养素和维生素B12的含量），再加上其往往比动物蛋白和植物蛋白具有更高的环境影响（如二氧化碳排放量），这些都影响了它的竞争力（Smetana等人，2023）。此外，扩大生产规模以及降低运营成本方面的难题（如开发低成本的无血清培养基）也威胁到了它的广泛应用前景（Chriki和Hocquette，2020）。精准发酵是一种替代性的生物生产方法，它可以通过基因改造生物体，利用该技术生产出具有与动物食品相似感官特性的功能性成分（如血液蛋白、乳蛋白或蛋蛋白），而且其规模化潜力高于培养肉。不过，这种方法需要复杂的下游加工流程来提取和纯化目标成分（如蛋白质），从而导致成本增加和环境负担加重。同时，使用基因改造生物体也可能影响消费者的接受度（Augustin等人，2024）。最后，非基因改造微生物的生物生产（在工业中也称为生物质发酵）可产生微生物生物量，即由真菌、细菌、酵母和微藻等构成的高蛋白生物质，因此也被称作微生物蛋白或单细胞蛋白。与其他替代蛋白来源不同，微生物生物量作为一种全食物，有着悠久的生产和消费历史（Goldberg，1985），也被用于无动物食品中，其中QuornTM（Marlow Foods公司）就是成功的先驱案例，它生产以真菌微生物生物量为基础的肉类替代品（Trinci，1992）。微生物生物量的干细胞蛋白含量可高达83%，其氨基酸组成与动物产品相当，且符合FAO/WHO制定的人类营养标准（Matassa等人，2016）。此外，微生物生物量还含有其他宏量和微量营养素（如必需的多不饱和脂肪酸、膳食纤维、铁和锌等关键矿物质以及维生素B12），这些都有助于提升其营养价值并拓展其应用范围（Pereira等人，2024）。值得注意的是，微生物生物量提供了一种低土地消耗的蛋白质生产方式，与畜牧业相比，它还有可能将排放量减少多达94%（Treml等人，2026）。在将微生物生物量用于微生物食品开发的背景下，技术功能特性指的是食品成分在加工和配方过程中的物理及功能表现，包括持水能力、持油能力、起泡性、乳化性、凝胶形成能力以及溶解度等。这些特性会影响产品的加工性能、结构特征以及开发无动物微生物食品的可行性。与植物源蛋白不同，微生物生物量成分在组成、细胞结构以及加工历史方面存在较大差异，因此其技术功能表现很大程度上取决于所选微生物种类，以及生物生产和下游加工过程中的操作条件。

尽管微生物生物量在营养价值和可持续性方面具有优势，但目前的研究和开发工作仍主要集中在优化生物生产过程上，而非研究作为食品成分的微生物生物量的功能表现，以及不同操作方式对其功能表现的影响。而且，虽然微生物生物量的主要成分是蛋白质，但它并非单一物质：在不同微生物群体（细菌、酵母、真菌和微藻）以及不同的目标成分类型（完整细胞生物量、破碎细胞生物量以及富含蛋白质的提取物）中，其组成和性质存在很大差异。因此，这项分析旨在探讨这一尚未得到充分研究的领域，即比较通过 submerged发酵中的自然微生物代谢产生的不同类型的微生物生物量成分在技术功能方面的表现，其最终目的是推动这些成分在无动物食品中的应用。固体状态发酵是一种替代性的生产方法，由于培养条件、微生物生物量与底物之间的相互作用，以及生长在固体基质上的微生物生物量的特殊性质存在根本差异，它所产生的微生物生物量很可能具有独特的特性。然而，固体状态发酵产物通常是由微生物生物量和残留底物混合而成的，这使得很难将测得的技术功能特性确切归因于微生物生物量本身。由于目前针对仅含微生物生物量的食品成分的研究仍然较少，且难以与submerged发酵产生的微生物生物量进行直接比较，所以固体状态发酵产物未被纳入本次分析范围。此外，目前固体状态发酵产生的微生物生物量主要用于饲料领域，关于其具有技术功能特性的研究也很少。因此，聚焦于submerged发酵有助于更一致地比较微生物生物量成分及其相关的食品技术功能特性。据我们所知，这是第一项运用统一单位及标准化关键绩效指标，对不同类别的微生物生物量的技术功能进行系统比较的定量研究。据此，本研究实现了以下目标：（1）概述获取不同类型微生物生物量成分所需的工艺步骤，以及这些步骤如何影响其技术功能特性；（2）评估微生物生物量在无动物食品中的应用情况；（3）梳理目前在微生物生物量食品应用生产方面的知识空白，同时关注那些常常被忽视的技术功能特性、环境可持续性、健康状况和消费者接受度之间的关联。通过明确这些问题，本综述指出了推进微生物生物量作为多功能食品成分发展的研究重点。

术语定义
在本综述中，微生物生物量指的是通过在生物反应器中培养非基因改造微生物而得到的高蛋白生物质，这些微生物包括细菌、酵母、真菌和微藻等，这一过程在工业上也被称为生物质发酵。虽然“微生物蛋白”和“单细胞蛋白”这两个术语在过去也曾被使用，但它们仅强调了蛋白质成分，未能充分体现其他细胞成分（如多糖、脂质、色素等）对产品功能的作用。

微生物基蛋白生产及其技术功能特性概述
微生物生物量作为完整细胞成分的生物生产是在生物反应器中进行的，这属于其上游加工环节。之后，会通过多种方式进行下游加工（见图1）。通常需要降低较高的核酸含量，因为过量摄入膳食核酸会增加人体内的尿酸水平，可能引发痛风和肾结石等不良健康问题（álvarez-Lario和Macarrón-Vicente，2010）。实现这一目标的主要方法是让生物生产培养液经过……

微生物生物量成分在无动物食品中的表现
在将某种成分引入无动物食品（如肉类、乳制品、鱼类替代品）之前分析其功能特性，可以初步判断其潜在应用价值，但理解和优化食品加工参数同样至关重要。

实现可规模化且可持续的微生物食品所面临的关键知识空白与研究重点
要推动微生物食品的发展，就必须认识到，由于数据有限以及需要开展大量的跨学科研究，目前仍有若干关键问题尚未解决，比如成本、（环境）可持续性，以及加工过程、技术功能特性和感官特性之间的内在机制联系等。因此，需要制定一个有条理、可操作的科研路线图，以加快研究进展，使微生物生物量成分能够实现大规模应用。以下各小节将阐述主要的知识空白。

实现可规模化微生物食品的综合路线图
为加速将微生物生物量发展为可规模化食品成分，需要解决若干相互关联的研究空白。基于本综述的研究结果，我们提出以下行动建议：
•制定统一的实验方案和报告标准，用于检测微生物生物量的关键技术功能特性，从而实现准确可靠的比较。
•建立开放的数据集，将这些数据集与微生物菌株、上游培养条件、下游加工步骤、微生物生物量组成以及最终的技术功能表现相关联。
•拓展……

结论
微生物生物量为开发可持续的高蛋白食品提供了良好的途径，但其发展却受到其在技术功能特性、营养价值及感官特性方面认知不足的制约。当前面临的主要挑战包括不同微生物菌株和加工工艺之间的巨大差异、缺乏标准化的测试和报告机制、上下游加工流程整合不足，以及跨学科研究不够深入。要取得进一步进展，就需要制定一套协调一致的路线图，主要包括：（1）实施……

CRediT作者贡献声明
Alexandra Pereira：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、方法设计、数据整理、概念构思。Geert Van Royen：撰写——初稿撰写。Ramon Ganigué：撰写——审阅与编辑。Myrsini Sakarika：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、监督工作、概念构思。

利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作为本文的共同作者，Ramon Ganigué是《Bioresource Technology》杂志某一特刊的客座编辑，他在审稿过程中未了解本文的内容，该文章是由其他编辑以及作为编辑委员会成员的Samir Kumar Khanal独立处理的。其他作者则声明自己没有已知的可能构成利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢
A.P.得到了佛兰德斯研究基金会（Fonds Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen, FWO）的资助[资助编号1S50223N]。M.S.则获得了根特大学的支持[项目编号BOF.PDO.2021.0036.01和BOF.PDO.2025.0007.01]。

Alexandra Pereira|Geert Van Royen|Ramon Ganigué|Myrsini Sakarika