充分挖掘生物资源潜力 向植物动物微生物要蛋白

中国工程院院士  陈 坚

　　随着经济进入高质量发展阶段，人民的生活水平不断提高，膳食结构也发生了很大改变。如何让“大食物观”真正落地，国内食品领域的多位专家学者在推动形成食品工业大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局进程中积极探索和实践。本期《中国食品报》特邀中食智库专家、中国工程院院士陈坚围绕“树立大食物观，做强大食业”，撰写署名文章，分享自己的独到观点。

中国工程院院士 陈坚　　

树立“大食物观”，保障国家食物安全和人民美好生活

　　习近平总书记在今年两会期间指出：“向森林、向江河湖海、向设施农业要食物”“发展生物科技、生物产业，向植物动物微生物要热量、要蛋白”。总书记关于“大食物观”的讲话，为未来我国食品产业高质量快速发展指明了方向。一是改变依赖种植业和养殖业的传统食物供给模式，向更丰富的生物资源拓展，实现食物供给来源的多元化，向森林、向江河湖海要食物，向动物植物微生物要热量、要蛋白；二是食物供给不仅要在数量上保障国家食物安全，而且要在质量上提升食品的功能与营养，满足人民群众对美好生活的需求。

　　树立“大食物观”具有重要的长远和现实意义。食品产业作为第一大制造业，在保障民生、拉动内需、带动相关产业和区域经济发展、促进社会和谐稳定等方面具有关键的战略意义。食品营养与可持续供给是世界各国重点攻关、抢占前沿高地的关键领域，也是民生、民安、民康的重要基础保障。以蛋白供给为例，食物蛋白是人类最重要的营养素，具有构成和修补人体组织、运输各类物质、维持神经系统功能和提供能量等作用。预计2050年世界人口将达到90亿左右，食品蛋白需求增量为30%—50%，达到2.65亿吨左右。然而，现有的蛋白获取大量依赖于种植业和养殖业，高度依赖土地和水资源，存在环境污染严重等问题，难以应对人口持续增长和生活水平不断提升的巨大压力。同时，由于动物性食品摄入过多引起膳食结构不合理是导致人类死亡的第一因素。因此，传统蛋白生产方式在数量、质量和可持续供应方面，均无法满足人类未来生活需求，大规模、低成本、可持续、高质量的蛋白生产方式急需创新和发展。

　　针对日益增长的蛋白需求，构建可持续的高品质蛋白供给模式迫在眉睫。替代蛋白通过充分发挥合成生物学等先进生物技术的优势，充分挖掘生物资源潜力、最大限度减少土地资源依赖和环境影响，利用植物、微生物以及动物细胞培养以工厂方式生产高品质蛋白，取代传统的动物性蛋白质来源。在不超越当前环境承载能力的前提下，替代蛋白生产方式能够利用更少的资源产出更多的高品质蛋白，显著减少土地资源依赖和碳排放。建立基于植物、动物和微生物细胞工厂的高品质蛋白生产体系，对于保障国家食品供给安全，助力国家碳达峰、碳中和目标达成，具有十分重要的战略地位。

向植物要蛋白

　　以大豆、豌豆、小麦等植物来源蛋白为原料开发的新型植物基食品，在质地、营养、风味、形态等方面与动物性食品十分相似。植物基食品的工业化生产，可以在很大程度上减少动物性食品消费，有效缓解动物性食品生产导致的资源、环境、健康、伦理等方面的压力，已经成为未来食品生产的重要发展趋势。植物基食品分为植物基肉制品、植物基乳制品、植物基蛋制品等，既具有类似动物性食品的品质特征，又与传统素食食品具有显著区别。以植物肉为例，利用植物原料（包括藻类和真菌类）或其制品为蛋白、脂肪等来源，整合合成生物学技术生产的品质提升关键物质，如血红蛋白、谷氨酰胺转氨酶、维生素等，经一定工艺制成具有类似动物肉质构、风味、营养等特征的食品。植物基食品是实现食品产业资源高效利用和绿色低碳发展的重要途径。以单位千克蛋白计，畜牧肉类食品的碳足迹约为豆类食品的250倍。动物性食品的温室气体排放普遍高于植物源食品，植物基食品的推广有助于减少碳排放。未来推动植物基食品的发展，优化膳食饮食模式，是食品产业实现绿色低碳和可持续发展的必由之路。

　　植物基食品有助于改善居民膳食结构，是动物性食品的有效补充。膳食是导致人类死亡的第一因素，每年导致全球约1100万人死亡、2559万人缩短寿命。其主要原因是植物性食物摄入较低，动物性食品摄入过多。人类膳食必须达到兼顾健康和环境可持续性。植物基食品作为一类以植物性原料为主加工成具有类似特定动物食品感官品质的食品，不仅可以满足人民对口味的追求，同时也满足了降低饱和脂肪酸和胆固醇摄入、提供优质植物蛋白的营养需求。此外，植物基食品可进行成分设计，可以针对原料成分与消费者需求，优化维生素、矿物质等成分提升其营养价值，从而提高植物基食品品质。植物基食品设计与制造技术方面的不断突破，特别是合成生物学技术和先进制造装备的应用，为植物基食品大规模化应用创造了条件。

向微生物要蛋白

　　微生物发酵合成蛋白效率是传统养殖业的上千倍，能够显著提升蛋白生产效率且降低二氧化碳排放。预计未来15年内，微生物合成的替代蛋白产品将占据约22%的全球食用蛋白市场份额，产业规模达到2900亿美元左右。

　　根据微生物种类划分，典型的微生物蛋白包括以镰孢霉发酵获得的霉菌蛋白和酿酒酵母发酵获得的酵母蛋白。霉菌蛋白具有以下三方面的优势：一是蛋白消化率评分与牛肉糜、豌豆蛋白、昆虫蛋白、大豆蛋白相近甚至更高；二是生产1公斤霉菌蛋白的碳排放量仅为肉类的10%，而且所需用水量和耕地面积显著降低；三是在促进肌肉生长、降低胆固醇水平方面具有潜在积极作用。酵母蛋白具有含有全部必需氨基酸，属于全价蛋白，营养丰富，能够满足人体营养的需求；发酵工艺成熟，制造效率高，适合于规模化制造，所需用水量和耕地面积显著降低；酵母蛋白无致敏成分，适合人群广泛；无豆腥味，并且风味上能够丰富肉味等优势。

　　根据制造蛋白的主要原料来源，微生物蛋白合成工艺可以分为3种典型路线：一是以淀粉质为原料。利用玉米等生物发酵常用的淀粉质原料，经过液化和糖化等处理得到的可发酵利用的糖作为底物，微生物能够进行细胞生长和蛋白质合成，该方法具有原料处理工艺成熟和发酵工艺控制稳定的特点。二是以有机废弃物为原料。相比于淀粉质原料，利用工农业和生活产生的有机废弃物制造微生物蛋白，能够显著原料成本，实现废弃物资源化，促进循环生物经济。三是以碳一化合物为原料。以自然界含量丰富或工业生产中来源广泛的二氧化碳、甲醇、甲酸和甲烷作为底物，创制出碳氮高效协同代谢与转化的微生物细胞工厂，实现从低二氧化碳等碳一化合物和无机氮向微生物蛋白的转变，实现微生物蛋白的高效绿色制造。

向动物要蛋白

　　开发动物蛋白的制造新模式也是保障蛋白供给的重要课题。近年来，在全球范围迅速兴起的采用动物细胞培养获得细胞培养肉就是这方面的一个主要实践。与植物基肉制品相比，通过动物细胞培养获得的细胞培养肉与真肉结构更为相似、市场潜力巨大，受到广泛关注。

　　国际领跑企业及相关机构已系统评价和预测细胞培养肉的环境和经济影响、规模成本、消费者接受度和监管政策等。利用成肌干细胞生产细胞培养肉的研究进展迅速，2013年成立的Mosa Meat公司首次实现了在实验室水平制作出可食用的牛肉饼，2021年以色列FMT公司建成世界首个细胞培养肉工厂。我国细胞培养肉产业虽然起步较晚、本土企业数量较少，上下游产业链仍存在缺口，但是一批高校和科研院所在政府和社会力量立项科研项目的支持下进行攻关，干细胞增殖与分化、无血清培养等关键支撑技术近年来取得了很大进步。

　　实现细胞培养肉品质提升与规模化制造需要重点开展4方面的技术攻关：一是开发干细胞分化和增殖精细调控策略，实现低成本无血清体外定向增殖与分化；二是优化基于动物细胞代谢动力学生物反应器，实现细胞培养肉大规模、低成本培养；三是建立细胞培养肉营养与风味食品化技术，提升细胞培养肉的风味与营养；四是利用食品3D打印技术和支架技术，实现细胞培养组织三维结构重塑模拟真肉的复杂形态。上述技术突破将促进细胞培养肉低成本、规模化制造，显著提升细胞培养肉的质构、口感、风味及色泽等。

　　通过植物、微生物和动物细胞培养，取代依赖传统养殖业的动物性蛋白来源，充分发挥合成生物学等现代生物技术的优势，突破蛋白的生物制造关键技术，利用更少的资源产出更多的高品质蛋白，做好新形态食品的安全评估和法规政策制订等产业化实施保障措施，实现“农业生产的工业化”，有利于保障国家粮食战略安全、抢占全球蛋白可持续供给食品生物技术制高点，颠覆传统种植业与养殖业的未来蛋白生产新模式，是引领未来食品产业和细胞农业发展的关键支撑技术。