從全靠經驗到精準可控的食品發酵技術　未來或滿足個性化和數字化的營養定制

2099年，太空移民中，宇宙飛船的食堂。

“請語音輸入您今天想吃點啥？”

“剛運動完有點累，想吃一塊辣椒口味的無糖巧克力，辣度5萬左右，纖維素多放一點，卡路里最好不要超過300千焦。”

“正在為您3D打印食品中……”

在未來的星際旅行中，確保食物充足和營養豐富是第一要務，如果從一開始就將幾年甚至十幾年的食物儲備放進飛船，似乎有些不切實際。如果能夠把人類呼出的二氧化碳或產生的其它代謝物轉化為食物，或許能解決這些問題。

事實上，這些問題也是科學家們一直在研究的。近日，我國科學家實現了以二氧化碳為原料人工合成淀粉，在二氧化碳轉化為有機物的第一步使用了化學催化的方法，后續通過各種酶的催化，進行碳鏈的延長，最終實現了淀粉的合成。

除此之外，也有許多研究者采用自養微生物（一種以二氧化碳作為主要或唯一的碳源，以無機氮化物作為氮源，通過細菌光合作用或化能合成作用獲得能量的微生物）將二氧化碳轉為有機物，而后續各種食物的合成制造，同樣也依賴于使用各類微生物的發酵工程。

微生物工程：

又叫發酵工程，指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種技術。對微生物進行生物工程改造，包括基因工程技術、轉基因生物技術、合成生物學技術，以及工業化應用微生物發酵生產的工程等。

縱觀人類發展史，其實人們早已經開始使用微生物發酵技術，比如利用微生物釀造葡萄酒、啤酒和醬油等等。但傳統發酵大多依靠經驗，使用的微生物為天然發酵菌群，其穩定性和效率無法保證，發酵條件受自然因素影響較大，品質也無法保證。

在某些情況下，天然微生物還會產生對人體健康有害的物質，比如用于腐乳和食醋釀造的紅曲霉，在代謝過程中可產生一種毒性與黃曲霉毒素相似的真菌霉素——桔霉素;在酸菜、果酒、奶酪等發酵食品中，微生物脫羧氨基酸可形成生物胺等。

食品發酵研究手段與生產方式的多層面重構

而隨著基因編輯、合成生物學等生物技術的出現，發酵工程也進入了新的紀元，將傳統發酵中的不確定性一一克服，逐漸進入精準發酵的階段。學科之間的滲透和交叉，數學、動力學、化學工程原理和計算機技術開始被用于發酵過程的研究，自動記錄和自動控制發酵過程的全部參數已經被應用于生產。

食品生物工程也步入了新的發展階段，促進食品工業向規模化、標準化、功能化發展。

食品合成生物技術的總體技術思路是構建特定的“細胞工廠”，以“車間”的生產方式合成奶、肉、糖、油、蛋，以及各種食品添加劑等。設計-構建-測試-學習，循環通常用于構建具有廣泛應用的高效細胞工廠，包括食品工業中的應用。目前，已經開發了各種合成生物學方法和工具來促進細胞工廠建設的設計-構建-測試-學習循環，這些技術正在改革未來的食品行業。

借助食品合成生物學技術與生物技術、信息技術與工程技術的革新發展，食品發酵的研究方法和發酵流程實現了多環節的優化重構，其中包括：原始菌群的分離鑒定、人工合成菌群、發酵食品中微生物代謝特性及功能解析、發酵過程的預測、發酵裝備智能化等。

微生物發酵幾乎可以生產任何食物種類，蛋白質、脂肪、糖類、淀粉、調料、添加劑等等，例如當前熱門的“植物肉”的制造方法之一就是利用微生物發酵植物蛋白，“人造奶”也是利用微生物發酵的各類營養成分組合而成。

微生物發酵肉指的是利用合成生物學手段，即通過發酵微生物（如酵母、細菌）生產的單細胞蛋白。這些微生物體內的蛋白質含量高達40%～80%，遠超過大豆、花生等的蛋白質。

單細胞蛋白具有多種優勢，包括生產周期短，營養價值高，甚至超過豬肉、魚等;可進行工廠化大規模生產;含有人體必需的多種氨基酸，例如亮氨酸、賴氨酸、異亮氨酸等。

現階段，食品行業中采用的發酵技術包括傳統發酵和新式發酵兩種，這兩種發酵方式的差異在于目標產物是微生物還是宿主。所謂新式發酵技術就是利用微生物發酵得來的主要產物來生產類牛奶蛋白。

人造奶

2014年，美國生物科技初創公司Perfect Day基于“細胞農業”提出人造奶概念，通過設計改造酵母細胞工業化發酵牛乳蛋白（如乳清蛋白和酪蛋白）以及相應營養成分，實現人造乳制品的精準營養和綠色制造。

人造奶，即合成牛奶，是將20種左右營養成分混合加工而成的類乳飲料。其主要成分包括6種牛奶蛋白、8種脂肪酸、礦物質、維生素、以及糖類，還有約87%的水分。通過調節其成分和配比，這種人造奶可以具有和牛奶相似的成分組成和風味，且不含乳糖、膽固醇、抗生素和致敏原等不良因子，其生產過程無需養殖動物，可以有效節約資源與能源，是一種顛覆傳統養殖業的未來乳制品生產新模式，將引領未來食品產業和細胞農業發展方向。

牛奶中含有豐富的蛋白質，成分復雜，總含量約為3.2%，主要包括酪蛋白和乳清蛋白兩大部分，此外還有40余種其他微量蛋白，占比約為2%。其中，除血清白蛋白、免疫球蛋白來自血液外，所有酪蛋白和乳清蛋白均為乳腺中的乳分泌細胞合成產物。因此，生產人造奶的核心步驟在于研發出與牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。

牛奶蛋白的制造流程如下圖所示：

乳蛋白組合表達細胞工廠創建與人造奶生物合成的技術流程

（1）科研人員首先從奶牛細胞中提取染色體，并獲得可以合成牛奶蛋白的目的基因。再在奶牛體外將目的基因與被稱為細胞質粒的載體連接，形成重組DNA。之后將這個重組DNA再轉入到酵母中，并對轉化后的酵母進行篩選，挑選出獲得重組DNA的個體，這些挑選出的酵母即可合成牛奶蛋白。

（2）將這種重組后的酵母置于適當的溫度和濃度下進行工業化培養。酵母在數天時間內即可產生足夠多的蛋白質。最后，從酵母中進行蛋白質精制，就可以獲得大量所需要的牛奶蛋白。

（3）為確保能夠獲得與牛奶相似的口感，還需要經過乳化這一必要的食品加工過程。即采用乳化加工工藝、乳化劑等化學手段或高壓均質機等機械手段可將酪蛋白和脂肪酸形成膠束，再將兩者用水包圍形成尺寸在微米左右的膠束。使酪蛋白和脂肪酸和水等形成一個均勻的體系，從而保證人造奶的顏色與均勻程度。

數控加工（減材）VS 3D打印（增材）

當可以利用微生物生產任意的食物營養分子，人們制作食物的方式或許會有一個顛覆性的改變，例如以營養分子為原料，使用3D打印的方式制造食物。

傳統的食物制作方式類似于數控加工，是一種減材方式，谷物或者動物在被做成食物的過程中，一些無法食用的廢棄物如麥麩、骨頭、內臟等都會被丟棄，而以食物分子為原料、3D打印制作食物的方式，是一種增材方式，可以極大減少食物的浪費。

大約在2000年左右，3D打印技術被引入食品領域，最初的打印原料是各類食物粉末，例如蛋白粉等，還沒有利用到食物分子進行打印。隨著研究的不斷深入，科學家可以利用細胞、水凝膠等制造出3D打印肉。

科學家們還進一步利用食物營養分子作為3D打印的原料，例如澳大利亞昆士蘭大學Bhandari Bhesh團隊以黑巧克力、牛肉醬、豬脂肪或蛋清蛋白作為打印材料，進行巧克力、肉類和蛋白類食品的研發。

國內，江南大學張憨教授團隊研究覆蓋了淀粉類、藻類、果蔬類、蛋白類和魚類等可使用材料的3D打印，通過計算機模擬、打印材料預處理和打印過程優化實現了20多種可食用材料的精準打印，并通過富含益生菌、蟲草花粉、花青素、維生素D等組分食材的保護性打印，獲得了20多款具有良好功能性的打印食品。

與普通食物相比，3D打印食品的一個優勢是營養成分可控，可以無縫整合營養物質，制造個性化的食品，滿足不同情況下人們對食物的需求。

例如上文中提到的人造奶技術，可以通過添加母乳成分，讓人造奶成分更接近天然母乳，當母親母乳分泌不足時，可以作為替代品;對于乳糖不耐受的人群來說，可以通過減少人造奶中的乳糖成分或過敏成分，以更適合乳糖不耐受人群飲用。

未來，結合計算機技術以及大數據分析，人們還可以將自己的健康數據上傳，軟件通過算法進行健康食譜的配比，再通過3D打印制作食物。運動員、宇航員、老人、兒童、孕婦以及每個人都可以通過這種方式進行個性化和數字化的營養定制。 （綜合整理報道） （編輯/多洛米）