重塑餐桌未来：合成生物技术在食品领域的三大前沿探索

2024-03-25

食前言随着全球环境污染加剧、气候持续变化和人口不断增长，如何保障安全、营养和可持续的食品供给面临巨大挑战。人们利用合成生物学技术，使用细胞工厂制造替代传统食品获取方式，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品，大幅降低对环境资源的利用，提高物质转化能量传递效率，保障食品的高质量供给，从而推动未来食品工业的高质量可持续发展。相较于传统生产，合成生物学技术带来了不可替代的优势：首先，合成生物学变革了传统的食品制造方式，将食品的制造模式从种植养殖转变为车间制作。人们利用合成生物学，设计基因编码路线，在细胞工厂生产目标产物，从而得到定制化的食品产品。例如，Microbial Cell Factories期刊发表的《Engineered Bacillus subtilis for the de novo production of 2'-fucosyllactose》文章中，实验员通过在微生物细胞中整合母乳寡糖2'-岩藻糖基乳糖的生物合成途径，并重构微生物细胞中原有的代谢调控网络，获得相应的微生物细胞工厂，再经生物反应器的规模放大，实现了2'-FL的高效制备。其次，助力食品的低碳制造。传统的食品生产方式排放了全球约25%的温室气体。随着合成生物学技术的发展，生物制造可以将生物质、C1原料等可再生资源转化为蛋白、淀粉、脂肪酸等食品，既能减排，又能固碳。在Science发表的《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》的研究中，实验员利用电催化将CO2转化为甲醇，在酶的催化下，甲醇在生物反应器中经过11步反应转变为淀粉，实现了基于碳捕集的淀粉人工合成。最后，强化了食品的生产过程。随着人口增长，全球食品需求量增加。人们生活质量的显著提升，消费者对优质蛋白、肉等食品的需求逐步增加。生产替代蛋白是解决肉类资源紧缺的有效途径之一。典型的案例是人造肉的生物制造，采用大豆、玉米、芝麻、燕麦等植物蛋白作为原料，经过低湿或高湿减压合成植物蛋白肉。NEXT三大热点研究方向举例替代蛋白目前，使用合成生物学技术的替代蛋白已经展现出一系列具有高潜力的应用方向。例如，科学家们运用合成生物学技术改造微生物或细胞，成功生产出具有与动物源性蛋白相似特性的植物性和细胞培养肉制品，为解决全球蛋白质需求和环保问题提供了创新方案。1、高附加值蛋白高附加值蛋白，如乳蛋白、卵蛋白、乳铁蛋白等，随着合成手段日趋成熟，市场竞争逐步转入下游生产阶段。例如，美国Perfect Day公司开发了6种乳蛋白的酵母表达工艺，并通过乳蛋白复配、添加脂肪酸和多种风味物质，建立了一条人造奶的绿色制造路线。TurtleTree公司通过精密发酵扩大乳铁蛋白生产规模，弥补全球乳铁蛋白的短缺，其精密发酵衍生的乳铁蛋白获得GRAS认证与纯素认证，开辟了商业化道路。2、血红素类蛋白血红素类蛋白，如人造肉，包括植物肉和细胞培养肉，目前合成手段基本成熟。截至2024年2月，全球已有三个批准销售细胞培养肉的国家：新加坡，美国和以色列。例如，Upside Foods与GOOD Meat研发的细胞培养鸡肉先后获得FDA的无异议函，并获得美国农业部检查授权，已经被允许在美国进行销售。目前，再现肉类的质地、色泽、风味及口感成为当今食品科技领域日益重要的研究焦点。例如，在人造肉中添加血红蛋白和肌红蛋白可以增加其颜色和风味特征；在植物肉加工过程中添加交联酶可以促进其形成类似于真实肉的纤维结构，提高口感与品质；使用醇、醛脱氢酶将醇、醛等挥发性物质分解，可以显著提高植物肉的风味。3、微生物蛋白微生物蛋白，即以微生物为蛋白来源，如酵母蛋白、菌丝蛋白、无机碳源蛋白等，其平均蛋白质含量是肉类的2～2.5倍，是大豆的1.7倍，这是新型的蛋白获取来源。微生物蛋白因生产参数稳定、培养基物质高效利用、不需要杀虫剂和抗生素等优势，比动植物蛋白更具有经济价值。其中，除了酵母蛋白市场已成熟且产品竞争激烈外，其他还处于研究拓展阶段。食品添加剂食品添加剂是为改善食品品质和色、香、味以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或天然物质。通过设计和构建定制化的生物合成路径，合成生物学助力高效产出一系列功能性食品添加剂，如益生元、天然色素、抗氧化剂等，不仅提升了食品营养价值和感官体验，还大大降低了对传统化学合成添加剂的依赖。目前，利用合成生物学手段生产食品添加剂主要集中于通过低成本合成天然提取物、高效合成稀缺产品、开发新的食品添加剂产品。1、甜味剂天然产物主要从植物中提取，但是提取成本高、工艺复杂、供应稳定性不足，因此生物合成产物有巨大的发展潜力。为了在健康的低糖饮食中获得足够的甜味，有必要探索和生产糖的替代品。近年来，糖苷类甜味剂及其生物合成方法引起了研究人员的广泛关注。赤藓糖醇是首个通过微生物发酵方法商业化生产的糖醇，阿洛酮糖可通过生物酶催化的方法进行生产。此外，Amyris已通过合成生物学方法改造酵母，使其生产出甜菊糖苷中的莱鲍迪苷M。目前，生产甜味剂的新技术路径以及对易降解甜味剂进行改造是较为受关注的研究方向。2、母乳低聚糖随着公众健康意识的日益增强，各类创新型功能性食品原料不断涌现，并逐渐赢得消费者的认可与好评。母乳低聚糖是母乳中天然存在的第三大类营养成分，含量仅次于乳糖和脂肪。母乳低聚糖在调节肠道菌群、阻碍病原体的定植和入侵保护肠道屏障、促进免疫系统和大脑及认知功能的发育等方向具有明显优势。目前HMO在婴幼儿配方奶粉、功能食品和饮料、保健食品、特医食品等方面应用广泛。例如，雀巢是全球第一家推出HMOs婴幼儿配方奶粉的国际乳业巨头。生物合成法是目前工业化生产HMO最常用的合成技术，不需要进行酶的提取纯化，微生物利用自身代谢能力转化廉价的糖原料为HMO的组件成分，大大降低成本，而且高效环保、具有相对成熟的规模化生产技术和工艺。现今，对HMO的合成研究已在学术界和产业界形成燎原之势，HMO合成的终极目标是提高产量、提升产率和稳定性以及降低生产和纯化成本。国际大企业帝斯曼、巴斯夫等，国内嘉必优、一兮生物、芝诺科技、恒鲁生物、华熙生物、朗坤环境、虹摹生物、中科欣扬等合成生物学相关公司都有布局HMO。微藻微藻是一类在海洋中广泛存在的单细胞光合自养生物，数量庞大、生长速度快、适应性强。而且，微藻含有丰富的优质蛋白，人体所需的全部氨基酸、多种脂肪和脂肪酸，丰富的维生素和矿物质等，可用于食品、营养补剂或保健食品的开发。作为初级生产者，微藻能够高效率地进行光合作用并释放氧气，有助于实现碳中和。此外，由于具有多源性以及遗传多样性，微藻还能够产生多种次级代谢产物，如蛋白质、脂类、类胡萝卜素、维生素和多糖等生物活性物质，用于生产高附加值的产品，前景可观。根据华经产业研究院发布的《2020—2025 年中国海洋微藻行业市场运营现状及投资方向研究报告》，我国是目前全球最大的微藻生产国。随着合成生物学技术的发展，微藻作为工业底盘的优势和巨大商业价值逐渐被科研界、产业界和资本界所认知，进而孵化了一些利用合成生物学技术进行微藻工业化生产的企业。但放眼全球，微藻产能仍以农业养殖为主，工业化进程十分缓慢。微藻作为底盘细胞，高效且稳定的遗传转化体系是当前制约微藻合成生物的瓶颈问题，微藻产业的发展需要开发适合于微藻的高通量改造和检测体系，提升微藻底盘细胞的构建效率。总结尽管替代蛋白、新型食品添加剂和微藻生物技术已取得初步突破，但如何进一步优化相关生物工程过程，实现经济可行的大规模商业化生产仍然是一个重大挑战。这包括提高产物产量、降低成本、确保生产过程的可持续性和安全性。并且随着新技术产品的不断涌现，如何制定和完善相应的食品安全法规及标准，以保障消费者权益和健康安全成为当务之急，提升市场接纳度也是行业亟待解决的问题。合成生物学有望引领食品产业进入一个全新的生态友好、高效可持续的时代，为解决全球粮食安全、环境污染以及资源短缺等问题带来革命性的解决方案，同时也将深刻改变人们的饮食习惯与生活质量。然而，要充分挖掘这一领域的潜力，我们必须携手应对挑战，持续投入科研力量，加速科技成果的转化与应用，推动全球食品产业链的绿色转型和创新发展。声明文章内容仅供参考，不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担, 关于对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。本公众号发布的各类文章重在分享，如有侵权请联系我们，我们将会处理。▲4月12-13日，南京扬子江国际会议中心▲2024第二届合成生物学产业博览会（以下简称SBC2024）将于4月12-13日在南京扬子江国际会议中心召开。大会现场特设“未来食品专场”，届时将汇聚业界专家聚焦合成生物学颠覆性技术，助力我国生物材料与生物化工领域发展和应用。1场主论坛，10场分论坛，80+演讲嘉宾，3000+行业观众，100+行业代表展商，X+特色活动，开启合成生物学技术盛会。◎09:00-09:05 开场致辞李翔宇嘉必优生物执行总经理◎09:05-09:40 合成生物学高通量筛选：现状、挑战和发展趋势黄和中国工程院院士、南京师范大学副校长◎09:40-10:10 未来食品与智能生物制造庄英萍华东理工大学教授&国家生化工程技术研究中心（上海）主任◎10:10-10:20 Break Time◎10:20-10:50 合成生物学新原料在食品和化妆品领域的注册和备案舒婷婷浙江中贸企业服务有限公司创始人◎10:50-11:20 解锁生命密码，创健康新纪元李翔宇嘉必优生物执行总经理◎11:20-11:50 细胞培养肉产业化关键技术研发与应用张旭光蒙牛乳业助理副总裁、营养科学研究院负责人◎11:50-12:20 精准合成发酵推动食物与营养多元化与可持续贺庆嘉吉食品与生物事业部亚太营养研发负责人◎13:30-14:00 氨基酸羟化酶在功能食品原料制造中的应用陈可泉南京工业大学生工学院副院长/教授◎14:00-14:30 细胞培养肉产业化关键技术研发与应用丁世杰周子未来 CEO◎14:30-15:00 人乳低聚糖生物合成和应用进展陈祥松中国科学院等离子体物理研究所研究室主任/正高级工程师◎15:00-15:10 Break Time◎15:10-15:40 脂质营养化学品的合成生物制造肖文海天津大学教授◎15:40-16:10 多酶体外生物催化与细胞工厂体内生物合成化学品闫金勇华中科技大学副教授◎16:10-16:40 HMOs的多品类考量刘振云一兮生物 CEO◎16:40-17:20 高蛋白微藻种质创制与生物制造及食品应用魏东华南理工大学教授&博导[ 上下滑动，查看内容]扫码添加<佰傲谷小编>微信，即可进入佰傲谷BioValley"合成生物"领域专属群扫码进群，虚位以待跟随谷莉，一起探秘合成生物学的奇迹。点击原文，了解关于4月12日合成生物学产业博览会更多资讯~