精密发酵技术：食品科技新“锋芒”

　　千百年来，人类在制作奶酪时一直使用凝乳酶来凝结牛奶。糜蛋白酶是凝乳酶中的关键酶。20 世纪80 年代到90 年代，凝乳酶出现短缺，研究人员将小牛体内的糜蛋白酶生产基因植入微生物。因此，目前奶酪生产中使用的糜蛋白酶约有70-90% 是通过精密发酵生产的。

　　RethinkX 声称，它在2019 年的《食品与农业报告》中首次提出“精密发酵”这一术语。酵母、藻类、细菌或真菌等微生物被赋予遗传密码，可将植物糖( 即其食物)等基质发酵成特定有机成分。发酵在生物反应器中进行，条件受到严格控制。微生物最终会被清除，不会出现在最终产品中。

　　精密发酵与另一种新兴发酵技术“生物质发酵”的部分区别在于目标成分的纯度以及最终产品中没有细胞或细胞成分。Good Food研究机构解释说：“在生物质发酵中，通过这一过程繁殖的微生物本身就是替代蛋白质的成分。”

　　精密发酵技术通过人胰岛素、人生长激素和乙型肝炎疫苗等药物，对人类健康起到不可估量的作用。这项技术还在治疗贫血、艾滋病、丙型肝炎、多发性硬化症和某些癌症的生物制剂中发挥作用。

　　在食品领域，精密发酵技术重新引起关注，主要得益于其在生产功能性配料方面的技术突破。这些突破不仅提高了产量和纯度，还有望带来环境和社会效益。下面我们将通过几个具有代表性的案例来说明。

　　2023 年8 月30 日，精密发酵联盟（PFA）在其博客中分享了一项重要研究结果。这项研究由PFA 成员公司Perfect Day 进行，采用了符合ISO 标准的生命周期分析方法。研究显示，与传统方法相比，使用精密发酵技术生产的乳清蛋白具有显著的环境效益，可将淡水资源消耗减少99%，将温室气体排放降低97%，将不可再生能源使用减少60%。

　　再举一个例子，红甜菜中含有一种名为甜菜红素的天然着色剂，但其含量仅占湿重的0.2% 左右。丹麦科技大学诺和诺德基金会生物可持续发展中心的研究人员指出：“从红甜菜中提取这种色素的传统方法极其浪费，不仅需要大量土地种植甜菜，还有高昂的加工成本，同时会产生大量蔬菜废弃物。而精密发酵技术为此提供了一种创新解决方案。研究人员利用一种名为解脂耶氏酵母（学名：Yarrowia lipolytica ）的微生物，通过精密发酵技术生产甜菜红素及其异构体。与传统甜菜根提取方法相比，这种新方法大大降低了土地使用和能源消耗。”

　　通过这种技术，一些具有独特性质但原本无法商业化的稀有成分得以开发出来。Sweegen 采用精密发酵法生产出异常稳定的高纯度甜味剂布拉泽因。

　　精密发酵最值得关注的优点可能是它生产蛋白质的能力。TurtleTree 利用它来生产一种生物活性蛋白质乳铁蛋白LF+。它在人类初乳(约7克/升)和成熟乳(约1克/升)中含量很高，但在牛初乳中的含量仅为1.5 毫克/ 升，成熟乳中为0.5毫克/升。它的健康益处包括“抗菌、抗病毒、抗真菌和抗寄生虫，以及免疫调节、抗炎和抗癌等”此外，企业还在研究通过精密发酵技术生产氨基酸、肽、酶和其他蛋白质、维生素B12、脂类、碳水化合物、香兰素(香草中的主要香味分子)等调味剂、其他着色剂、抗氧化剂、防腐剂、益生菌和柠檬酸等物质，有些已投入商业使用。

　　凭借这些优势和好处，精密发酵已在奶酪生产之外领域找到用武之地，用于生产冷冻乳制品替代甜点、蛋糕和运动营养品等产品。这些消费品的食品配料生产商是最有力的倡导者。

　　Perfect Day公司企业传播副总裁Nikki Briggs解释道：“我们之所以选择发酵方式生产蛋白质，是因为这项技术提供了一个完美的解决方案——它能让我们继续享用喜爱的食品，而无需做出任何妥协。”

　　她进一步阐述：“精密发酵技术能使我们生产出与乳蛋白相同的蛋白质。这不仅对环境有积极影响，还保留了我们热爱的乳制品的所有特性：口感、质地、营养价值和多功能性。这种方法既环保又不影响产品品质，可以说是双赢。”

　　效益、增长，但也有不利因素

　　Allied Market Research 在其报告《精密发酵市场研究，2031》中预测，全球精密发酵市场规模将从2021 年的13 亿美元增长到2031 年的349 亿美元，年复合增长率为40.5%。

　　然而，运营方面的不利因素也很多。例如，监管审批( 帮助确保产品安全，例如非典型食品形式中的过敏原)、技术可行性、生产成本、商业化以及基质原材料的可用性是经常被提及的障碍。此外，还存在道德和消费者方面的问题。在这项技术充分发挥潜力之前，还必须进行大量研发工作。

　　“从非动物蛋白来源开发基于蛋白质的动物类似物产品非常复杂，”荷兰合同研究公司Nizo 的食品部经理René Floris 说。但与传统植物蛋白相比，利用精密发酵产生的蛋白质具有优势。

　　例如，以大豆或其他植物蛋白为基础制造乳制品类似物需要对植物蛋白进行大量加工改造，而且还需在使用这种蛋白的消费品配方和生产过程中做大量工作。传统乳蛋白在营养价值、口感和风味、理化特性以及潜在的食品安全( 如过敏性或不耐受性) 方面与植物蛋白有很大不同。

　　与此相反，通过精密发酵从奶牛DNA 中合成的酪蛋白分子，在氨基酸谱和附带糖分子等方面与直接从奶牛提取的酪蛋白分子完全相同。“因此，其特性也应该是相同或几乎相同的。” Floris 说道。

　　然而，Nizo 公司的蛋白质专家Emma Teuling 表示，将精密发酵获得的蛋白质分子转化为货架上的消费品面临两大挑战。首先，大规模生产蛋白质的成本非常高。这是因为整个工艺需要昂贵的培养基和大型发酵罐，此外，从源生物体中纯化所需蛋白质分子需要额外加工费用。

　　其次，牛奶、酸奶、奶酪等传统乳制品是一个复杂的系统，其中含有许多以特定比例存在的成分。牛奶中含有蛋白质、碳水化合物、脂类、矿物质等成分，其中蛋白质种类超过25 种。为使乳品模拟物的感官、营养和理化特性接近于传统乳品，需要优秀的产品开发人员投入大量资源，并对产品进行额外加工。

　　智慧研发: 破解成本之困

　　在研发过程中，为了提高效率和降低成本，应当尽快淘汰无效的研究方向。Floris指出，对于那些成本极高、通常只能通过精密发酵获得微量的蛋白质，早期测试尤为重要。Teuling 补充道：“你需要确保开发的原料具备适当的功能性。我们需要考虑：蛋白质是否具有预期的理化特性，比如水溶性或凝胶能力？当这种蛋白质应用于实际产品时，它的营养特性、风味、质地和营养价值如何？由于这类应用分析通常需要相对较大的样本量，因此成本往往较高。”

　　Nizo 公司开发的微型食品模型可以提供极大帮助。例如，Nizo 的微量奶酪模型只需要略多于1 毫升的样品就可以进行测试。通过这种微量样品，可以对各种类型奶酪的质地、风味和其他特性进行筛选。Teuling表示：“我们已经验证了这种微型食品模型在奶酪和酸奶领域的应用效果。”

　　Floris 补充道：“我们注意到，那些对精密发酵技术开发蛋白质感兴趣的食品公司，都热衷于在产品开发早期阶段使用这些经过验证的食品模型。这些模型可以在小规模上筛选和测试配料，从而加快开发进度并降低成本。特别是现在已经有了针对奶酪和酸奶等重要大市场的模型，这种趋势更加明显。”

　　消费者视角下的“前沿技术”

　　2022 年3 月2 日，《福布斯》发表了一篇题为“关于精密发酵，消费者应该询问的哪些问题？”的文章，其中列出了在采用这种创新技术或任何创新技术时需要进一步考虑的问题。其中涉及对底物污染和成品营养质量( 与传统同类产品相比) 的食品安全监管；对社会因素的影响，如消费价格和当前食品体系中已经存在的不平等现象( 如废物处理)；谁拥有知识产权? 例如, 如果关键成分——无论是食品、药品还是其它供应有限的有机化合物的所有权都是唯一的，该怎么办?

　　这项技术的可持续性如何？大规模生产设施在能源和原材料方面会消耗哪些资源，又会产生哪些废弃物？在评估其可持续性时，我们应该将它与哪些方式进行比较？是传统的集约化畜牧业，还是新兴的农业模式，如再生农业或生态农业？

　　在“2023 清洁标签大会上”，哈特曼集团（HartmanGroup）高级副总裁Shelley Balanko 指出，消费者对自己摄入的食物仍然保持谨慎态度。不过，随着人们对食品系统所面临挑战的认知度不断加深，消费者对食品科学和技术的抵触情绪可能正在逐渐缓和。

　　在哈特曼发布的《2023 年食品与技术》报告中，约64% 受访者表示，他们“愿意尝试使用科学、生物学和技术新发展种植、养殖或加工的食品”，而在2019 年的相同调查中，这一数字是55%。

　　Balanko 建议，食品行业应该向消费者清晰展示运用新兴、具有颠覆性食品生产技术的目的和人文关怀，以提高消费者对这些技术的接受度。她强调，消费者需要通过获得充分信息来做出自主选择，从而感到自己拥有掌控权。此外，企业还应该努力确保新技术能够带来实质性的价值，而不仅仅是“昙花一现”的噱头。

　　像所有产品一样，“消费者最终会根据这些高科技食品给他们生活带来的实际价值做出最终判断。”她总结道。