从靠经验到精准可控，食品发酵技术或将满足个性化数字化营养定制

2099 年，太空移民中，宇宙飞船的食堂。

“请语音输入您今天想吃点啥？”

“刚运动完有点累，想吃一块辣椒口味的无糖巧克力，辣度 5 万左右，纤维素多放一点，卡路里最好不要超过 300 千焦。”

“正在为您 3D 打印食品中……”

在未来的星际旅行中，确保食物充足和营养丰富是第一要务，如果从一开始就将几年甚至十几年的食物储备放进飞船，似乎有些不切实际。如果能够把人类呼出的二氧化碳或产生的其它代谢物转化为食物，或许能解决这些问题。

事实上，这些问题也是科学们一直在研究的。近日，我国科学家实现了以二氧化碳为原料人工合成淀粉，在二氧化碳转化为有机物的第一步使用了化学催化的方法，后续通过各种酶的催化，进行碳链的延长，最终实现了淀粉的合成。

除此之外，也有许多研究者采用自养微生物（一种以二氧化碳作为主要或唯一的碳源，以无机氮化物作为氮源，通过细菌光合作用或化能合成作用获得能量的微生物）将二氧化碳转为有机物，而后续各种食物的合成制造，同样也依赖于使用各类微生物的发酵工程。

微生物工程：

又叫发酵工程，指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种技术。对微生物进行生物工程改造，包括基因工程技术、转基因生物技术、合成生物学技术，以及工业化应用微生物发酵生产的工程等。

新一代食品发酵技术

纵观人类发展史，其实人们早已经开始使用微生物发酵技术，比如利用微生物酿造葡萄酒、啤酒和酱油等等。但传统发酵大多依靠经验，使用的微生物为天然发酵菌群，其稳定性和效率无法保证，发酵条件受自然因素影响较大，品质也无法保证。

在某些情况下，天然微生物还会产生对人体健康有害的物质，比如用于腐乳和食醋酿造的红曲霉，在代谢过程中可产生一种毒性与黄曲霉毒素相似的真菌霉素 —— 桔霉素；在酸菜、 果酒、奶酪等发酵食品中，微生物脱羧氨基酸可形成生物胺等。

而随着基因编辑、合成生物学等生物技术的出现，发酵工程也进入了新的纪元，将传统发酵中的不确定性一一克服，逐渐进入精准发酵的阶段。学科之间的渗透和交叉，数学、动力学、化学工程原理和计算机技术开始被用于发酵过程的研究，自动记录和自动控制发酵过程的全部参数已经被应用于生产。

食品生物工程也步入了新的发展阶段，促进食品工业向规模化、标准化、功能化发展。

食品合成生物技术的总体技术思路是构建特定的 “细胞工厂”，以 “车间” 的生产方式合成奶、肉、糖、油、蛋，以及各种食品添加剂等。设计 - 构建 - 测试 - 学习，循环通常用于构建具有广泛应用的高效细胞工厂，包括食品工业中的应用。目前，已经开发了各种合成生物学方法和工具来促进细胞工厂建设的设计 - 构建 - 测试 - 学习循环，这些技术正在改革未来的食品行业。

借助食品合成生物学技术与生物技术、信息技术与工程技术的革新发展，食品发酵的研究方法和发酵流程实现了多环节的优化重构，其中包括：原始菌群的分离鉴定、人工合成菌群、发酵食品中微生物代谢特性及功能解析、发酵过程的预测、发酵装备智能化等。

图丨食品发酵研究手段与生产方式的多层面重构（来源：传统与未来的碰撞：食品发酵工程技术与应用进展［J］. 生物技术进展. 2021,11 (04)）

微生物发酵几乎可以生产任何食物种类，蛋白质、脂肪、糖类、淀粉、调料、添加剂等等，例如当前热门的 “植物肉” 的制造方法之一就是利用微生物发酵植物蛋白，“人造奶” 也是利用微生物发酵的各类营养成分组合而成。

微生物发酵肉和人造奶

微生物发酵肉指的是利用合成生物学手段，即通过发酵微生物（如酵母、细菌）生产的单细胞蛋白。这些微生物体内的蛋白质含量高达 40%-80%，远超过大豆、花生等的蛋白质。

单细胞蛋白具有多种优势，包括生产周期短，营养价值高，甚至超过猪肉、鱼等；可进行工厂化大规模生产；含有人体必需的多种氨基酸，例如亮氨酸、赖氨酸、异亮氨酸等。

现阶段，食品行业中采用的发酵技术包括传统发酵和新式发酵两种，这两种发酵方式的差异在于目标产物是微生物还是宿主。所谓新式发酵技术就是利用微生物发酵得来的主要产物来生产类牛奶蛋白。

人造奶

2014 年，美国生物科技初创公司 Perfect Day 基于 “细胞农业 （Cellular Agriculture）” 提出人造奶（Animal-Free Milk）概念，通过设计改造酵母细胞工业化发酵牛乳蛋白（如乳清蛋白和酪蛋白）以及相应营养成分，实现人造乳制品的精准营养和绿色制造。

人造奶，即合成牛奶，是将 20 种左右营养成分混合加工而成的类乳饮料。其主要成分包括 6 种牛奶蛋白、8 种脂肪酸、矿物质、维生素、以及糖类，还有约 87% 的水分。通过调节其成分和配比，这种人造奶可以具有和牛奶相似的成分组成和风味，且不含乳糖、胆固醇、抗生素和致敏原等不良因子，其生产过程无需养殖动物，可以有效节约资源与能源，是一种颠覆传统养殖业的未来乳制品生产新模式，将引领未来食品产业和细胞农业发展方向。

牛奶中含有丰富的蛋白质，成分复杂，总含量约为 3.2%，主要包括酪蛋白（casein）和乳清蛋白（lactoal-bumin）两大部分，此外还有 40 余种其他微量蛋白，占比约为 2%。其中，除血清白蛋白、免疫球蛋白来自血液外，所有酪蛋白和乳清蛋白均为乳腺中的乳分泌细胞合成产物。因此，生产人造奶的核心步骤在于研发出与牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。

牛奶蛋白的制造流程如下图所示：

图丨乳蛋白组合表达细胞工厂创建与人造奶生物合成的技术流程（来源：乳蛋白重组表达与人造奶生物合成：全球专利分析与技术发展趋势［J］. 合成生物学，2021，2）

（1）科研人员首先从奶牛细胞中提取染色体，并获得可以合成牛奶蛋白的目的基因。再在奶牛体外将目的基因与被称为细胞质粒的载体连接，形成重组 DNA。之后将这个重组 DNA 再转入到酵母中，并对转化后的酵母进行筛选，挑选出获得重组 DNA 的个体，这些挑选出的酵母即可合成牛奶蛋白。

（2）将这种重组后的酵母置于适当的温度和浓度下进行工业化培养。酵母在数天时间内即可产生足够多的蛋白质。最后，从酵母中进行蛋白质精制，就可以获得大量所需要的牛奶蛋白。

（3）为确保能够获得与牛奶相似的口感，还需要经过乳化这一必要的食品加工过程。即采用乳化加工工艺、乳化剂等化学手段或高压均质机等机械手段可将酪蛋白和脂肪酸形成胶束，再将两者用水包围形成尺寸在微米左右的胶束。使酪蛋白和脂肪酸和水等形成一个均匀的体系，从而保证人造奶的颜色与均匀程度。

作为 3D 打印原料制作个人订制食品

当可以利用微生物生产任意的食物营养分子，人们制作食物的方式或许会有一个颠覆性的改变，例如以营养分子为原料，使用 3D 打印的方式制造食物。

传统的食物制作方式类似于数控加工，是一种减材方式，谷物或者动物在被做成食物的过程中，一些无法食用的废弃物如麦麸、骨头、内脏等都会被丢弃，而以食物分子为原料、3D 打印制作食物的方式，是一种增材方式，可以极大减少食物的浪费。

图丨数控加工（减材）VS 3D 打印（增材）（来源：3Dnatives ）

大约在 2000 年左右，3D 打印技术被引入食品领域，最初的打印原料是各类食物粉末，例如蛋白粉等，还没有利用到食物分子进行打印。随着研究的不断深入，科学家可以利用细胞、水凝胶等制造出 3D 打印肉。

科学家们还进一步利用食物营养分子作为 3D 打印的原料，例如澳大利亚昆士兰大学 Bhandari Bhesh 团队以黑巧克力、牛肉酱、猪脂肪或蛋清蛋白作为打印材料，进行巧克力、肉类和蛋白类食品的研发。

国内，江南大学张慜教授团队研究覆盖了淀粉类、藻类、果蔬类、蛋白类和鱼类等可使用材料的 3D 打印，通过计算机模拟、打印材料预处理和打印过程优化实现了 20 多种可食用材料的精准打印，并通过富含益生菌、虫草花粉、花青素、维生素 D 等组分食材的保护性打印，获得了 20 多款具有良好功能性的打印食品。

与普通食物相比，3D 打印食品的一个优势是营养成分可控，可以无缝整合营养物质，制造个性化的食品，满足不同情况下人们对食物的需求。

例如上文中提到的人造奶技术，可以通过添加母乳成分，让人造奶成分更接近天然母乳，当母亲母乳分泌不足时，可以作为替代品；对于乳糖不耐受的人群来说，可以通过减少人造奶中的乳糖成分或过敏成分，以更适合乳糖不耐受人群饮用。

未来，结合计算机技术以及大数据分析，人们还可以将自己的健康数据上传，软件通过算法进行健康食谱的配比，再通过 3D 打印制作食物。运动员、宇航员、老人、儿童、孕妇以及每个人都可以通过这种方式进行个性化和数字化的营养定制。