J. Future Foods | 未来食品中的真菌

Introduction

真菌已被培养并用于生产食品、食品配料（如柠檬酸、醋）、饲料、酶、药品、营养制剂等。真菌通常以蘑菇的形式或作为食品的一种成分被食用。食用菌在全世界范围内都有采集和/或种植，被认为是 人类 健康饮食的重要组成部分。已知某些真菌的菌丝体含有维生素、膳食纤维、必需氨基酸和健康脂质。这些物质的均衡消费与各种健康益处有关，如降低胆固醇水平。尽管这些物质对健康有益，但很多人的摄入没有达到推荐量。例如，美国农业部估计，至少70%的1岁以上的美国人口食用的蘑菇和其他蔬菜少于推荐量。

在二十世纪中叶之前，人们就开始关注利用真菌细胞作为家畜衍生蛋白质的替代蛋白质来源。将真菌或其他微生物用作替代蛋白质是因为其资源利用效率的提高，氨基酸图谱完整或其他营养益处，以及伦理问题少。某些种类的丝状真菌的蛋白质含量高于大多数蘑菇，因此是替代蛋白质来源的良好选择。近年来，人们对在工业和商业发酵中生产丝状真菌用于食品应用的兴趣越来越大，某些新产品已成功推向市场。同时，一些新技术（如食品3D打印）已经在食品的纹理、颜色、形状和尺寸的修改方面取得了进展。这些现代技术和理念使丝状真菌在各种食品中除了作为替代蛋白质外，有了新的应用（图1）。

图1 利用农业升级和副产品加工生产菌类食品

美国 肯塔基大学 的 Tyler J. Barzee和UC戴维斯大学的Zhongli Pan， Ruihong Zhang*等 在本文中综述了真菌作为未来食物来源的可持续生产的最新进展和挑战。概述了创造具有各种形态、质地和形状的真菌产品的策略，并汇编了关于这些产品营养特征的知识状况。此外，文章还详细介绍了越来越多的循环生产方法如何用于真菌培养，以提高环境效益，如提高资源效率和减少温室气体排放。

真菌产品在食品工业中的应用

在许多情况下，真菌被用于食品，因为它能够分解有机物质并创造出具有吸引力的风味、颜色和/或质地。例如，真菌（如米曲霉和大豆曲霉）在曲和酱油的生产中已经使用了至少3000年，因为它们能够分泌酶和分解大豆，并赋予酱油产品独特的风味（图2）。此外，自1919年以来，黑曲霉已被商业化用于大规模深层发酵生产柠檬酸。以酵母形式生长的真菌（如酿酒酵母和酵母）是酿造啤酒、葡萄酒和蒸馏酒的传统原料。在许多情况下，真菌是利用由碳源（如糖）和营养成分组成的介质生长的。例如柠檬酸和酱油生产以及其他各种生物衍生的产品，主要来源于真菌分泌或转化的化合物，而不是真菌生物质本身。

图2 在食品和其他产品中培养和利用真菌的历史里程碑

作为食物的真菌生物质

菌蛋白

市场上最常见的菌蛋白产品QuornTM，经过15年的研发，从1985年开始生产。从鸡肉馅饼到香肠和汉堡，市面上有很多可供选择的产品。这些产品是使用连续有氧模式下的压力循环发酵罐生产的，丝状真菌镰刀菌（Fusarium venenatum）在干燥的基础上生产60%至90%的真菌蛋白产品。真菌菌丝的分枝性质近似于肌肉纤维的组织，并有助于肉状结构的发展。近年来人们开始利用真菌生产不同的产品，如牛排和培根的菌丝体。这些企业还处于起步阶段，但它们试图复制对消费者有利的结构和材料。

饮料、烘焙食品和新型食品

除了作为动物蛋白产品的替代品，真菌菌丝体还可以作为许多其他食品产品的替代品。例如，研究人员最近开发了一种真菌培养策略来生产以真菌为基础的饮料。这类产品含糖量低，蛋白质和纤维含量高，同时含有单不饱和脂肪和多不饱和脂肪。

真菌生物质由于其特殊的营养和物理特性，也可以作为创新成分。例如Stoffel等用白侧耳菌蛋白粉代替小麦粉生产饼干。作者报道，通过测定蛋白质、膳食纤维和酚类化合物的含量，使用菌蛋白粉显著提高了饼干的营养价值。霉菌蛋白的加入也增加了饼干的硬度并改变了饼干的颜色。

真菌菌丝还可以作为其他微生物的载体，因为它能够附着在其他微生物的细胞壁上，为最终食品提供额外的营养价值或质地、风味和/或颜色。例如，已知许多种真菌能够将悬浮在液体培养中的微藻细胞絮凝。根据使用的藻类和真菌的特定菌株，絮凝颗粒可以显示出比单独的任何一种成分在最终产品中蛋白质或某些脂肪酸水平的增加。此外，由于微藻体积小，需要能源密集型工艺来收获并融入食品，尤其是那些需要脱水或干燥的微藻产品。本文作者利用A.awamori、A. oryzae和其他真菌以及微藻开发了基于真菌的产品。产生的微生物生物质含有30%-60%的蛋白质，并含有有益的脂类、膳食纤维和维生素，使它们健康且易于消化（图3）。

图3 真菌辅助采集微藻后，基于真菌的纹理饮料产品（左）和基于真菌和微藻的食品成分（右）

真菌形态与培养

真菌的生命周期和形态

生命周期

真菌可以通过有丝分裂进行无性繁殖，也可以通过减数分裂进行有性繁殖。大多数真菌是全形的，这意味着它们可以无性繁殖和有性繁殖。 有性生殖和无性生殖的生命周期如图4所示。

图4 真菌的生命周期

形态

菌丝和颗粒生长

在水下培养的真菌通常以3 种不同的形态生长：悬浮菌丝、球团或团块。菌丝的形态对真菌生物质的增长和代谢产物的产生有着巨大的影响。在这三种形态中，真菌球团因其优势越来越受到业界和研究人员的关注，它易于培养，因比表面积大而改善了营养物质的传质，发酵液黏度低，黏附在反应器中的机会低，从而将输送和收获设备堵塞的风险降至最低。真菌球团的结构可分为4 个不同的区域（图5）。孢子萌发并生长成菌丝后，菌丝继续生长并分枝成菌丝体。最后，这些紧密交织的菌丝体形成小球。新球团也可以由破碎的球团或从现有球团上切下的小表面碎片形成。

图5 真菌颗粒区域和颗粒内的氧梯度

沉水和固态培养

液体培养和固态培养是生产真菌和其他微生物和/或其代谢产物的2 种方法。这2 种方法已被广泛用于真菌生物质培养。需要仔细分析成本和效益，以选择合适的栽培方法。沉水培养是真菌生物质在含有大量游离水和溶解营养物质的液体培养基中生长的过程，有3 种常见模式：分批、补料分批和连续培养。固态培养是通过在含水量适当的固体基质上培养真菌生物质来实现的，以支持真菌生长。一般来说，与沉水培养相比，固态培养能耗更低，成本效益更高。然而，由于真菌生物质、营养物质和水分、温度和pH值的不均匀分布，工艺参数的控制比沉水培养更具挑战性。

球团生长的沉水培养策略

反应器结构和工艺参数

反应器配置

生物反应器配置会影响浸没培养中的真菌生长。常用的生物反应器包括：搅拌槽反应器（STR）、气升式反应器（ALR）和鼓泡塔反应器（BCR）。其中STR是用高黏度肉汤培养真菌的首选。与STR相比，ALR中的剪切应力较低且在整个反应器中更均匀。此外，搅拌强度通常足够高，以混合高黏度的肉汤。BCR是另一种非机械搅拌反应器，底部有适当的气体分配器。气体在柱状反应器中以气泡的形式向上移动，引起液相的搅动。由于每个反应器配置中剪切力特性的差异，反应器配置可以影响真菌形态。

搅拌

搅拌是影响反应器内剪切力以及传质和传热的关键因素。更高的搅拌可促进氧气和营养物质的传质，并使反应器中的营养物质和热量分布更均匀。然而，发酵过程中更高的搅拌会产生更高的剪切力，剪切力会破坏颗粒的外部区域或分解整个颗粒。因此，搅拌强度可以用来控制真菌的形态和生长。

溶解氧

氧通常是一种生长限制因素，因为它在介质中的溶解度低，进入真菌颗粒的扩散率低，并且微生物对氧的吸收率 高 。由于氧转移到球团的限制，只有球团的外壳有助于生长。因此，最广泛观察的颗粒生长动力学是立方根生长。真菌颗粒的中心氧气有限，一些真菌（如曲霉和根霉）可以在该区域产生少量到适量的乙醇。

pH

真菌可以在相对较宽的pH范围内生长；然而，它们在不同的pH值下表现出不同的形态。表1列出了不同pH值下不同真菌的形态。培养基的pH值影响营养物质进入细胞的运输、营养物质的溶解度、酶的活性以及细胞表面的特征；所有这些都会影响真菌的生长和生产力。

表1 pH对球团形成的影响

温度

大多数真菌为中温真菌，生长温度在5-35°C之间。它们生长的最佳温度通常在25-30°C之间。嗜热物种可以在40°C以上的温度下生存。黏度和溶解氧浓度都是温度相关变量。代谢和生长的酶活性与温度高度相关，这可能导致真菌生长对营养素和pH值的不同要求。真菌生长的最佳培养参数组合（包括温度）应针对每个物种进行确定。

收获

真菌的丝状或颗粒状形态使它们比其他更小的微生物如大多数细菌和微藻更容易收获。菌丝直径一般在1-30 µm。菌丝长度从几微米到几米不等。颗粒状时，颗粒直径可小于1 mm到几厘米。通常，简单的筛子或有适当开口的筛子可以捕捉菌丝或球团。

培养基质

碳源

真菌是异养的，需要有机物来提供能量和碳源。它们还需要各种宏观和微观营养素。真菌生长至少需要13 种元素，包括8 种常量营养素（碳、氧、氢、氮、磷、钾、硫和镁）和5 种微量营养素（锰、铁、锌、铜和钼）。有机碳的常见来源通常是糖（如葡萄糖、果糖、蔗糖），真菌可直接快速吸收这些糖。除单糖外，木质纤维素生物质等复杂基质也可用于真菌生长。真菌首先利用胞外酶将复杂的底物分解成单糖，然后将单糖运输到细胞内供利用。

农副产品

大多数真菌都有复杂的酶系统，这使它们能够利用广泛的底物，如农业副产品。利用农业副产品培养真菌生物质可以降低原料成本，减少农业副产品对环境的影响，并将这些低价值材料转化为高价值产品。表2概述了利用副产品生产真菌生物质和真菌蛋白的情况。

表2 农业和食品加工的副产品的真菌生物质生长

真菌菌株的筛选与优化

根据将真菌用于生物质和产品的预期目的，菌株选择和优化的标准可能会有所不同。对于真菌蛋白的生产，选择真菌菌株的主要标准是高蛋白含量和高生长率。丝状生长的能力也通常被用作替代蛋白质生产的选择标准，因为真菌菌丝的大小与动物肌肉纤维相似，并且可以模拟肉的质地。农业副产品和废物通常用作培养真菌生物质的原料。不同的副产物具有不同的化学和物理特性，不同的真菌菌株利用这些副产物的能力也不同。菌株选择和优化可以通过在材料上培养不同的菌株，并选择高产、高生长率和高蛋白质含量的菌株等来完成。

真菌生物质的营养特性

真菌组成

真菌是纤维和蛋白质以及各种维生素和微量营养素的良好来源。不同食用菌的营养成分及其氨基酸谱列于表3和表4。

表3三种食用菌的营养概况（每100 g干重）

表4不同食用菌的氨基酸图谱

健康影响

几项人体研究调查了食用菌对胆固醇水平、胰岛素水平和能量摄入的影响 。这些研究表明，在饮食中加入适量的真菌可以降低总胆固醇水平、餐后胰岛素血症和能量摄入。 与无细胞壁处理相比，真菌细胞壁的存在减缓了消化过程中糖的释放。真菌细胞壁的结构复杂性被认为有助于某些观察到的益处背后的机制。

基于真菌的食品制造

食物特性的控制

风味控制是最终食品最重要的特征之一。对于以真菌为基础的食品，微生物的选择可能是控制最终产品风味的最重要方面。对于风味强烈的真菌种类，这可能是一种理想的特性，也可能不是，这取决于所需产品的需求。除了这些产品中使用的真菌菌株外，培养基的选择也是一个关键组成部分，它可以在向真菌生物质输送某些风味方面发挥作用。例如，在马铃薯葡萄糖肉汤中生长的真菌可能含有不同的马铃薯风味，而使用果汁生长的真菌将保留某些风味果汁中残留的生物质成分。

根据真菌微生物的生长方式，可以通过多种方式控制真菌衍生食品的质地。首先，可以通过添加某些化学物质（如白蛋白）来改变 ，如用于生产QuornTM霉蛋白 。影响产品质地的另一个因素是真菌形态。浸没培养中培养的颗粒大小受传质和机械效应的影响，这些效应会影响最终的密度和孔隙率。例如，过大颗粒的真菌颗粒内部氧气含量极低（图5），导致颗粒内部自溶可满足厌氧条件，从而产生具有低生物质密度的中空纹理颗粒 。

质地 通常使用 质地 轮廓分析（TPA）方法进行测量。图6显示了在30 °C马铃薯葡萄糖培养基中培养5天的 A. awamori 颗粒（直径  (6±0.4)mm, n = 12）的硬度、胶性和回弹性的TPA示例结果。对代表性材料进行TPA处理是新食品研发的重要组成部分。

图6纹理分析仪(TA-XTPlus)配有用于单个真菌颗粒TPA的TA-4探针(左)；A. awamori颗粒TPA结果(直径 = (6±0.4)mm, n = 12)

由于真菌细胞能够吸附液体培养基中的某些分子，培养基中的色素可以从液体中移到菌丝体材料（图7）。例如，真菌已被证明能有效去除工业废水中的染料，并已被调查其在处理或排放到环境中之前清除废水的能力。与可输送至真菌生物质的风味化合物类似，颜色和色素高度依赖于所培养真菌的特性，并可能受到真菌自身色素或微生物在培养过程中产生的酶和其他产品的影响。

图7用水果提取物和果汁着色的真菌颗粒（左）和人工色素（右）

真菌衍生食品的营养状况也可以改变。与培养期间向真菌生物质添加风味和颜色化合物类似，具有营养意义的分子也可能选择性地附着在真菌表面。此外，通过利用某些真菌菌株从培养基中获取其他微生物的固有能力，也可以改变产生的生物质产品的生物活性。

食品3D打印是一个新兴的研究和商业兴趣领域。图8可以看到示例3D食品打印机。

（1）便携式粘贴头；（2） 注射器；（3） 喷嘴；（4） 可移动框架；（5） 印刷平台；（6） 操作界面。

图8（a） ByFlow 3D食品打印机；（b） 填充图案“同心”设计的印刷路线60%；（c） 填充图案为30%的“蜂窝”设计的印刷路线

有研究利用从废弃农业材料中提取的生物质基质，将其接种真菌，然后通过3D打印机应用于生产所需形状、大小和生物活性的产品。该研究表明，3D打印后真菌材料的生物活性得以保留（图9），这可能对需要“益生菌”或“生物活性”标签的食品配方有影响。3D打印真菌食品尚处于起步阶段，但未来的应用可能集中在利用3D打印机的精确应用改进或模仿现有食品的特性。

图9使用生物质真菌混合物的3D打印样本（左）；二次定植后的3D打印样本（右）

市场上以真菌为基础的食品

以真菌为基础的食品已经从蘑菇栽培发展到其他加工食品，如模仿家畜肉的替代蛋白质、咖啡和茶等饮料产品、无乳奶酪和牛奶，以及其他一些产品。除了以食品为基础的产品外，真菌还被用于新的企业，用于保健和美容产品，如纺织品、生物降解包装、宠物食品、环境修复和农业等。图10总结了市场上或正在开发的基于真菌的食品。

图10市场上以真菌为基础的食品

真菌食品的环境影响

在全球变暖潜力、土地利用效率和能源使用等影响类别中，真菌蛋白通常比动物源性蛋白表现更好，但结果对功能单位的选择敏感（例如，以每千克产品为基础，而不是以每千克蛋白为基础）。然而，到目前为止，生命周期评价的研究只集中在菌蛋白的应用上。随着更多基于真菌的食品的开发，应进行更多的环境研究，以比较其相对于现有产品的性能（如霉菌蛋白），或量化其相对于类似食品的影响（如新食品开发）。

Summary

丝状真菌在未来食品中的应用是一个很有前途和活跃的研究和商业风投领域。近年来，真菌作为动物蛋白质的替代蛋白质来源（真菌蛋白）的使用范围越来越广，包括具有不同或更具挑战性质的食物（如牛排和培根）。3D打印在食品中的应用最近引起了人们的极大兴趣，有望进一步改善和/或改变现有和新食品的质地和营养特征。在饮料、烘焙食品和其他食品类别中应用真菌的前沿领域最近已经开发出来，这些领域要么模仿/改进现有食品，要么创造全新的产品类别。然而，真菌在这些新产品和新类别中的应用还处于科学的初级阶段。

未来的研究主题可能包括调查真菌生物质作为替代材料，以可比的方式替代各种传统食品，因为它们已被用作替代蛋白质。丝状真菌物种独特的结构、生命周期和营养特征赋予它们与传统来源相比模仿材料和提供营养或环境效益的特殊能力。此外，环境和营养研究应伴随未来的食品开发，并量化产品对环境和人类健康的益处、成本和风险。

Fungi for future foods

Tyler J. Barzeea, Lin Caob, Zhongli Panb, Ruihong Zhangb,*

a Department of Biosystems and Agricultural Engineering, University of Kentucky, 128 C.E. Barnhart Building, Lexington, KY, 40546-0276, USA

b Department of Biological and Agricultural Engineering, University of California Davis, One Shields Avenue, Davis, CA, 95616, USA

*Corresponding author.

rhzhang@ucdavis.edu

Abstract

The rapid growth of human civilizations has led to imminent pressures to develop new food products with increased nutritional characteristics and decreased environmental footprints. Filamentous fungi, a class of microorganisms that have been utilized in a wide variety of foods for thousands of years, have recently garnered widespread attention in research communities and commercial ventures seeking to explore new and innovative applications in a diverse array of food products including, but not limited to, their more established applications as alternative proteins. Technological advances in the cultivation and processing of filamentous fungi have created new frontiers in the control of textures, flavors, and nutritional properties of fungi-based foods. This review highlights technological advances in the production of fungi-based foods from cultivation to product manufacturing, presents the current state of the art in fungi-based food products, and offers thoughts on their future trajectories. Emphasis is given to circular bioprocessing concepts for the sustainable utilization of agricultural and food processing byproducts.

Reference:

BARZEE T J, CAO L, PAN Z L, et al. Fungi for future foods[J]. Journal of Future Foods, 2021, 1(1): 25-37. DOI:10.1016/j.jfutfo.2021.09.002.

翻译/编辑：王佳红；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

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