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MDPI Foods | 未来食物探索：微生物蛋白质

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2024-10-09 23:03

蛋白质是人体必需的营养物质，是构成人体的重要成分，主要食物来源如图1。目前，全球蛋白质供应来源比重为：植物 (57%)、肉类 (18%)、乳制品 (10%)、鱼类和贝类 (6%) 以及其他动物产品 (9%)。

图1. 蛋白质供应的主要来源食物 (图源Pixabay)。

据预测估计，30年以后地球上将有近100亿人居住。诸多学者认为，为解决不断增长的人口给世界资源带来的压力，在未来的30年内，有必要将粮食产量增加60%以上。但目前的农业生产方式受自然资源日益紧缺和气候变化制约，粮食问题仍不易解决。随着经济水平的不断提高，人们对动物蛋白的需求不断增长，预计将对环境产生更多负面影响，如产生更多温室气体、占用更多的水和土地资源等。要解决这一问题，急需提高现有蛋白质来源的生产可持续性，同时为人类的直接消费寻找替代来源。

微生物蛋白是什么？

微生物发酵食品可以追溯到我们的祖先，但是利用微生物作为食品来源近年才受到关注。随着最新技术的发展，微生物蛋白的生产正受到科研界和工业界越来越多的关注。“微生物蛋白”是指用作食物或饲料来源的微生物生物质。微生物蛋白具有很高的蛋白质含量 (占干燥生物质的75％)，包含所有必需氨基酸，并且富含维生素和矿物质以及其他各种营养物质。微生物蛋白在被称为“生物反应器”的密闭集约化系统中高效生产，对耕地需求量低，且不使用农药或者抗生素，不会直接与农作物粮食产品竞争肥沃的土壤和淡水资源，可以在边际土地和工业化大都市地区生产，进行“城市微生物养殖”。

微生物蛋白来源知多少？

近期，来自意大利佛罗伦萨大学的Mario R. Tredici教授及其团队研究分析了目前在试点水平上测试作为食品或饲料成分出售的四种微生物蛋白来源的潜力和局限性，并将其研究成果发表在Foods 期刊上。这四种微生物蛋白来源分别为氢氧化细菌、甲烷氧化菌、真菌 (图2) 和微藻类 (蓝细菌)，他们将上述四种微生物蛋白来源的生产效率以及环境影响 (能源、土地、水的利用和温室气体的排放等) 与常见植物蛋白、动物蛋白、昆虫和人造肉蛋白来源进行了比较。

图2. 从真菌中生产微生物蛋白质是一个商业现实，在微生物中，酵母可能是人类历史上第一个驯化的类群。

微生物蛋白生产常规流程如图3。在各种蛋白来源中，细菌 (螺旋藻、氢氧化细菌和甲烷氧化菌) 蛋白质含量最高 (46–75%)。一些新的蛋白质来源 (如细菌和昆虫) 的平均蛋白质含量是肉类的2–2.5倍，是大豆的1.7倍。对于土地的蛋白质生产效率而言，细菌的产量比动物高出约600倍，比大豆高出约90倍；对于生产蛋白质的能源利用量来说，肉类 (牛肉、猪肉、家禽) 和昆虫的生产是螺旋藻的五倍多；对于生产蛋白质的水资源的使用情况来说，最低的需求是细菌微生物蛋白，特别是那些需要比动物生产少3000倍的甲烷氧化菌；对于生产蛋白质的温室气体排放量来说，主要的温室气体排放源是牛肉，其次是猪肉和家禽。尽管微生物蛋白质的市场相对较新，但微生物来源蛋白质价格与动物来源蛋白质价格相比是具备优势的，甲烷氧化菌来源的蛋白质价格最低 (每公斤蛋白质3欧元)。

图3. 从农业 (上) 和特大城市 (下) 废物的营养物、水、电力和化学能、有机和无机碳到微生物蛋白质的生产过程流程图

综上，虽然微生物蛋白替代肉类具有减少耕地使用、降低淡水资源消耗、减少温室气体排放等诸多益处，但公众长期以传统肉类为主的饮食方式及饮食观念很难转变，微生物蛋白如何获得公众认可、提升市场竞争力是其推广应用的重要挑战。可以尝试将微生物蛋白质加工为食品，保留营养功能的同时增添良好的风味与口感，且确保整体成本低于传统动物来源蛋白质 (牛奶、鸡蛋、奶酪、肉类)，这将是提升微生物蛋白竞争力的一个有效途径。微生物蛋白作为未来食物的应用值得拭目以待。

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