微生物食品革命

2023-05-31

编者按：当前的食品系统已难以跟上营养和蛋白质的需求以及人口增长的步伐。由于微生物的低碳足迹、对土地、水的低依赖性和季节变化以及良好的营养状况，微生物作为一种新的食物来源解决方案已受到关注。此外，随着新工具的出现和使用，特别是在合成生物学中，微生物的使用已经扩大，显示出满足大众的许多饮食需求的巨大潜力。帝国理工学院的研究人员研究了微生物在食品中的不同应用，并研究了其历史、最先进的技术和应对当前食品系统的潜力，包括利用微生物生产天然食品，以及作为细胞工厂生产高功能和营养成分的食品，同时也讨论了当前技术、经济和社会的限制，以及未来的应用前景。

现有的粮食系统——农业、畜牧业和水产养殖业均依赖于不可持续生产，逐渐无法应对土地退化、气候变化和气候灾害，并且预计气候等问题在未来会持续加剧。虽然转向植物性食品对环境的危害较小，但它仍然依赖于气候或季节，以及土地、水和化学品的密集使用。微生物生产作为一种新的食品生产方式，已被证明是一种生态和有弹性的食物来源，特别是与肉类等传统蛋白质来源相比，同时微生物来源的食品还具有很高的营养成分。随着新工具的不断研发和应用，特别是合成生物学的发展，微生物在食品中的用途逐渐扩大，显示出满足我们许多饮食需求的巨大潜力，在面对与饮食相关的健康流行病上升时也呈现至关重要的作用。

一、微生物在食品中的应用

最近的研究表明，在食物中使用微生物可以带来大量的健康益处，这也推动了创新应用的爆炸式增长。微生物首先被应用于发酵，发酵是已知最早的食品技术之一，可追溯到公元前7000年或更早，除了烟熏和腌制，发酵是食品保存的主要方法，因此是人类文明兴起的关键技术。此外，该工艺还引入了许多新产品、口味和口味。不同的发酵产品来自特定的环境和条件，产生了多种可食用的产品，包括乳制品、酒精产品、豆制品、蔬菜等。

新的加工和保存方法的出现，如冷藏、天然和人工防腐剂的使用以及冷冻和真空密封等，为传统发酵提供了替代方案。然而，在这些应用中都有需要克服的挑战，包括可扩展性和经济或生态可持续性。新的工具可以应用于这些领域，以加强和加速微生物食品的发展，并克服目前的限制。这包括微生物的高分辨率和高通量表征，以及基因和代谢工程工具。例如通过设计和选择菌株，可以改善食品风味和营养，使用废弃物作为饲料或廉价的非竞争性碳源提高可持续性，均有助于推动食品中的微生物革命。图1概述了微生物在食品中的不同应用，从传统的发酵技术到生产成分的生物技术应用，每个过程中的最新技术以及基因工程的当前或潜在作用以及未来发展趋势。

图1 依赖于微生物过程的各种应用场景

新的加工和保存方法的出现，如冷藏、使用天然和人工防腐剂、冷冻和真空密封等，为传统的发酵提供了替代方案。然而，最近的研究发现食物中存在的微生物对健康具有多种益处，使发酵产品再次受到关注，许多新流行的保健食品是发酵或含有发酵成分。植物性饮食的兴起和国际食品获取增加加剧了该情况，例如传统的发酵产品饮料康普茶被引入国际市场，现在价值超1亿美元；分别来自印度尼西亚和中国的两类发酵大豆产品——豆豉和豆腐，已经在全球范围内被用作肉类替代蛋白。此外，微生物生物质本身通常也具有适合作为食物消费的品质，包括高蛋白、纤维和生物活性化合物含量。

二、发酵食品的不同功能和健康益处

食品中微生物的存在提供了许多健康益处，在食品的背景下，发酵是指在微生物存在下进行酶促转化的原料，这些转换导致它们的物理化学性质发生变化。产生的许多代谢物在食物保存中发挥积极作用，抑制污染或腐败病原体的生长并延长保质期，其他代谢物有助于营养、质地、味道和气味。具体益处包括：

1. 增强微生物组（或益生菌）品质：越来越多的证据表明肠道微生物组对维持健康至关重要，益生菌补充剂已广泛应用，尽管其健康益处和菌株配方仍然存在争议。

2. 提高食物中营养素的生物利用度：这是由于微生物将食物分解，以便更容易消化和吸收摄入的营养素。例如，乳酸发酵可以通过优化pH值和酸含量来提高溶解度，从而增加食品的铁含量；同样，发酵可以通过干扰阻碍蛋白质、碳水化合物或植物化学物质可用性的抗营养因子来提高食物的营养价值。例如，在各种谷物和豆类中大量发现的胰蛋白酶抑制剂已被证明在发酵食品中的活性降低。

3. 降低血糖指数（Glycaemic Index，GI）：GI衡量食物中碳水化合物提高血糖水平的速度。益生菌和/或发酵谷物、乳制品与食物GI降低和血糖反应有关，降低胃肠道摄入量和反应已被证明可以减少2型糖尿病和心血管疾病等疾病的危险因素.

4. 去除毒素：微生物联合体也可以通过去除有毒化合物和抑制致病物种的生长来起作用。例如，黄曲霉毒素，一种在被黄曲霉污染的食物中发现的常见毒素，已被证明在各种发酵过程中被酶减少，蔬菜和水果制品中的自由基在发酵过程中也会减少。

5. 产生促进健康的化合物的生化途径：许多微生物自然产生有益营养的化合物，包括但不限于抗氧化剂、多不饱和脂肪酸、共轭亚油酸、鞘脂、维生素和矿物质。

然而，发酵并不总是能改善食物，有些微生物会对某些营养方面产生负面影响。例如乳酸菌会产生有毒的生物胺，包括由于微生物中产生组氨酸的酶的高度存在而导致的游离组胺增加，为了解决这个问题，已经制定了优化菌株选择的策略，或使用工程菌株来增强生物胺降解，此外，还值得注意的是，许多与发酵食品相关的健康声明尚未得到随机对照试验研究的充分验证，并且经常被夸大用于营销目的。

三、微生物的营养成分

微生物生物质本身通常也具有适合作为食物消费的品质，包括高蛋白、纤维和生物活性化合物含量（图2）。

通常所有微生物都具有高蛋白质含量的特征，藻类物种平均在40-60%之间，真菌30-70%，细菌平均在53%至高达80%之间。此外，许多微生物含有植物缺乏的高含量必需氨基酸，并且许多物种拥有完整的氨基酸来源，含有足量的人体无法合成的，需要从饮食获取的必需氨基酸。

图2 微生物的营养成分

纤维是维持肠道健康的关键抗碳水化合物，在许多微生物物种中含量也有所增加。例如，藻类的纤维含量很高，主要由细胞壁中的不溶性纤维、纤维素和其他多糖组成。丝状真菌和酵母都有潜在的有益纤维，即β-葡聚糖和甘露聚糖-低聚糖，两者都可以作为肠道健康和免疫增强作用的保健品。虽然与动物产品相比，微生物的油脂含量普遍较低，但产油酵母和藻类是高价值膳食脂质的来源，尤其是长链多不饱和脂肪酸。同时，其整体卡路里含量可能相当低，例如市售的营养酵母片，每100克含有400卡路里，带来很高的营养与能量比例。最后，微生物通常具有较高的内源性营养相关化合物含量，包括维生素、矿物质、抗氧化剂和其他功能成分。

随着微生物的应用越来越广泛，它们的营养状况需要进一步研究。上述所讨论的元素的真正比率还没有被完全阐明，而且根据不同的物种和它们生长的环境，它们的组成可能有很大的区别。此外，需要仔细选择菌种，因为有些微生物对安全和健康也有重大危害。在微生物中经常看到RNA含量升高，这可能导致健康问题，如痛风和肾结石。有些真菌和细菌种类也会产生过敏原和毒素，不适合作为食物，或者在食用前需要进一步处理。因此，通过仔细选择微生物的品种、基质和生长条件，以此调节食物的营养成分以适应特定的需求。

二、食物中微生物的新技术和应用

1. 增强发酵

发酵可以通过特别选择、繁殖或工程微生物菌株来优化，以增强发酵食品的外观、味道或健康状况。传统上，甚至在微生物生物学被发现之前，育种和选择技术就被用来选择有利的品质，从而导致为特定用途而产生截然不同的菌株。目前，利用遗传图谱技术和组学技术，能够进一步鉴定具有有利特性的菌株，大规模分析也使鉴定具有所需香气的菌株成为可能，并通过杂交技术进一步改进。

最近，发酵已经通过使用基因工程来增强，在传统发酵中使用的菌株可以被操纵以产生额外的有益产品。一些修饰的例子包括用于乳制品的乳酸菌中B族维生素的增强生产或酿酒酵母菌株中香气化合物的合成，用于新型和改进的啤酒风味。基因工程也被用于提高发酵食品过程的可持续性，这可以通过扩大或改善底物范围和利用来实现，这进一步提高了利用废弃原料并向向完全循环经济迈进。

值得注意的是，许多发酵过程是由微生物群落而不是单一菌株进行的，这为理解增加了额外的复杂性，并限制了我们改进它们的能力。测序技术和系统生物学的进步使我们能够提高我们对微生物群落的认识，包括那些在食物中自然发现的微生物。此外，在过去的几年里，专门开发用于设计微生物群落的合成生物学工具已经被创造出来，这些工具有可能用于改善食品生产。这包括减轻代谢负担，如在酱油生产中减少褐变的两种策略被设计成在两种微生物物种中协同作用，或增强自然共培养特性，如增加群体感应机制，减少食物腐败。

2. 利用微生物作为人类食物中的蛋白质来源

使用微生物作为食品成分被称为单细胞蛋白（single-cell protein，SCP），通常是指干燥或加工的微生物生物量或从中提取的蛋白质。它既可以作为补充剂、成分，也可以作为主要食物来源。由于其可持续发酵的潜力和有利的营养成分，它有可能成为我们饮食的重要组成部分。

SCP具有悠久的应用历史，其中最早的一种是马麦酱（Marmite），它诞生于1902年，是啤酒工业的副产品，在军队中被用作B族维生素的食品来源。另外一个成功的案例是成立于1980年的Quorn公司，其从丝状真菌镰刀菌（Fusarium venenatum）中产生SCP，然后去除多余的核酸含量，最后进行纹理化以制造肉类替代品。目前，该产品已在17个国家广泛销售，2020年的收入为2.36亿英镑。SCPs同样也是一种健康补充剂，比如小球藻和螺旋藻富含蛋白质、植物营养素和维生素。由于微生物在食品中的高潜力和多种应用，该领域最近有许多初创企业，其中许多初创公司专注于肉类替代品。

迄今为止，大多数研究都集中在野生型或非工程化的菌株上，这些菌株是根据它们的蛋白质含量选择的，它们的生产已经通过控制生长条件而得到优化。合成生物学有潜力对选定的菌株进行工程设计，以进一步提高蛋白质产量，这可以通过：1）增强和扩大有效利用所需原料的能力；2）提高生物质和蛋白质生产的产量；3）通过联合生产维生素或抗氧化剂等有价值的化合物来增加单细胞蛋白质的功能。改善生长和底物的利用可以极大地改善生态和经济，例如，通过将废物转化为蛋白质。除了模仿营养成分或蛋白质含量外，微生物也可以产生肉类调味品。这些产物可以被提取和纯化，或者整个微生物生物量可以被利用。例如，在Impossible公司研发的“人造肉”汉堡中，毕赤酵母被改造成能产生大豆血红蛋白c2以产生自然肉类的部分风味。

目前，“再造肉”（recreating meat）的主要挑战是需要提供足够的脂质组成和含量。大多数以植物为基础的替代品使用植物油，它们有与自然肉区别很大的味道和口感。此外，微生物的内源脂质含量与肉类的内源脂质含量也有显著差异，因此现在有大量的学术研究聚焦在微生物中产生膳食脂质。研究人员发现，产油物种是生产高营养脂肪酸的合适平台，例如在鱼类中大量存在的omega-3脂肪酸，微生物油生产的进步使我们不仅有可能调整脂质组成，还可以修改脂肪酸，使其更适合替代动物脂质。此外，微生物除了在肉制品替代品方面具有巨大的潜力，工程化微生物也有可能再造乳制品和蛋类等动物产品，同时未来也是畜牧业和水产养殖等主要的或补充的营养来源。

3. 食品配料和添加剂的精准发酵

当前的食品生态系统中，工程微生物最成熟的用途之一是生产配料和添加剂。几十年来，人们对微生物进行了选择和改进，首先是通过随机诱变和选择，然后是通过称为精确发酵的遗传和代谢工程，以最大限度地合成感兴趣的分子，一个典型的例子是生产维生素B2，其化学合成在90年代被发酵取代，工艺中的产量和生产率是决定其经济可行性的关键因素，因此，代谢工程不仅在提高产量方面发挥着重要的作用，而且在生产异源化学品方面也发挥重要作用。并且，消费者可以接受使用基因工程菌株生产的特定化合物，因为在发酵过程结束时，目标分子会被提取和纯化，通常不含重组细胞或DNA，可以将其标记为天然产物。

虽然大多数有益健康的营养品和添加剂仍然是通过化学合成或植物提取制成的，但已经有越来越多的营养品和添加剂是通过微生物生物制造的，其中一些营养保健品包括水溶性维生素（维生素B复合物和维生素C）以及脂溶性维生素（维生素A / D / E和维生素K），其他由工程微生物制成的营养保健品包括omega-3脂肪酸、白藜芦醇和柚皮素等多酚类物质，β-胡萝卜素或虾青素等类胡萝卜素，以及GABA和β-丙氨酸等非蛋白质原氨基酸。

由微生物制成的其他成分旨在改善对食物的感官特性，改善味道、气味、颜色和感觉。例如由微生物产生的风味增强剂谷氨酸（MSG）、肌苷单磷酸（IMP）和鸟苷单磷酸（GMP）用于增加鲜味；微生物也被设计用于生产甜菊糖衍生分子、木糖醇或赤藓糖醇等甜味剂；还有香气化合物，如橙子/柠檬（柠檬烯）、薄荷醇（薄荷醇）、桃子（γ-癸内酯）等；此外，微生物还用于合成有色分子用作食品和饮料的色素，例如橙色（β-胡萝卜素、角黄素）、红色（番茄红素，虾青素、灵杆菌素）、黄色（核黄素）、蓝色（藻蓝素）、紫色（紫色杆菌素）和黑色（黑色素）等。

三、技术障碍和未来前景

1. 技术障碍

为了在食品中充分利用微生物，必须克服一些技术上的困难。首先，主要的营养缺陷之一是核酸含量高，即RNA含量高。摄入过量的核酸，尤其是嘌呤，会增加体内尿酸的含量，而尿酸是痛风和肾结石的危险因素，也是代谢综合征和心血管疾病的重要危险因素，目前食品制造商采取加热和纯化的方法来减轻其含量。未来，有可能设计一种可诱导的方法，使微生物可以自我纯化多余的核酸。

许多微生物，特别是酵母、真菌和藻类分支也有厚厚的细胞壁。在许多情况下，这是饮食中纤维的重要来源。然而，对于某些单细胞蛋白（SCP）来说，厚实的细胞壁可能会限制可以吸收的营养物质的数量，并且本身可能是不可消化的，因此，可能有必要使用加热和/或机械和酶促过程处理SCP，提高营养物质的生物利用度。

2. 食品安全

以微生物为基础的食品和成分必须通过监管机构的批准，当使用新的或改造过的物种时，监管会更严格。监管机构以特定国家/地区的方式评估食品的安全性和批准食品，例如，美国和欧盟的主要监管机构分别是美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲食品安全局（EFSA）。促进获得微生物食品批准的一些策略包括使用已批准的生物体和工艺，将应用限制在动物饲养、产品纯化以及去除外来DNA和活细胞中。

食品的安全性也必须考虑到每一个不同的品种。已经对一些主要目标物种进行了广泛的调查，证实了它们在发酵、原料生产和SCP使用方面的食品安全性。同时必须特别注意过程中可能的污染，以及摄入时可能产生的引起过敏和不良反应的内毒素和外毒素。有些毒素可以通过简单的加热或化学处理去除。然而，通过严格的菌株选择、菌株工程和正确的发酵技术，可以防止或消除污染和毒素的产生。

3. 消费者接受度

在食品中使用SCP和基因工程微生物的最大挑战之一是消费者的接受度。转基因仍然受到严格的监管，不同国家的监管不同，有些国家对引入含有转基因的食品监管特别严格。很大一部分消费者仍然不接受食用转基因的食品，但随着人们对改善饮食生态方面的意识日益增强，以及人造肉和牛奶替代品的流行，这种态度可能正在改变；然而，这些产品在商业环境中仍然不常见，因此普通家庭的饮食中也极少出现该类食品。因此，为了促进消费，应该考虑到微生物食品的制备和文化背景。教育和营销可以帮助抵消对新产品的不熟悉和缺乏消费经验。

4. 经济障碍

部署SCP的一个大问题是扩展技术和营销新食物来源所需的投资资金。维护成本和基材使用也限制了盈利。由于开发原型所需要的成本太高，英国帝国化学工业公司（ICI）最初的SCP项目在与低成本农业，尤其是与转基因大豆竞争失败后被迫放弃。然而，最近的技术似乎表明，得益于生长条件的优化，先进的发酵技术，以及工程微生物实现的更高产量，建造一个微生物生长的工厂现在在经济上是可行的。商业化的另一个经济障碍是获得必要的监管和安全批准的漫长而昂贵的过程。虽然取决于价格、种类和运输，但利用废物流也有可能降低加工成本，同时提高可持续性，然而，由于不完全了解产品的营养品质是否会受到影响，因此很难将其推向市场。

合成生物学和微生物菌株工程拓宽了可设计的微生物食品的视野，能够创建所需的营养成分、香气化合物、风味和质地，有助于构建个性化营养（图3）。为了将这种技术能力转化为可持续的商业产品，需要改变公众对微生物食品的看法，需要立法促进这些新工艺的研发和实施，同时保持高的安全标准。微生物食品的扩展和规范化将进一步增加产量、降低成本并优化技术效率，而降低成本可以帮助地球上不发达地区的人群提高营养。展望未来，工程微生物还有望在传统上无法到达的地方发挥作用，例如救灾、沙漠甚至太空。

总之，如果持续创新，并且在设计微生物食品时考虑到可持续性和道德规范，它们就有可能彻底改变当前的食品系统。这种微生物食品革命可能是设计面向未来的战略以应对未来健康和环境挑战的关键。

图3食品中微生物的未来

张学博编译自Nature Communication