作者：植提桥 Tony
根据联合国粮农组织（FAO）的预测数据，到2050年，全球总人口将达到97亿。其中，人口增长的绝大部分将来自发展中国家。当下的全球还有8.15亿饥饿人口，基本的粮食需求得不到满足。2050年全球在现有的基础上新增20亿人口，这意味着粮食产量必须增长60-70%，平时所吃的水果、蔬菜、坚果等食物的产量需要提高95%，才能给全球人口提供充分的健康饮食。一个残酷的现实是，全球可耕地面积已经到达了理论极限。在将近100亿人口的地球上，人类该如何养活自己？从绿色农业革命到AI智能化生产再到实验室食物，“科技”在塑造着新的食物生态链，找到提高农业产量的方法，更加科学的种植粮食作物，更加柔性的适应未来极端的气候变化。从常规的动物肉到植物肉再到细胞培养肉，人造肉成为这两年的热点趋势，美国人造肉公司Beyond Meat更是借此身价暴涨。人造肉的成功带火了其他品类的发展，包括人造奶、人造奶、人造蜂蜜、人造咖啡……许多初创企业纷纷进入这一领域，大型公司也在涉足相关业务，行业的游戏规则正在被重构。基于此背景，替代蛋白质公司如雨后春笋一个接一个层出不穷。据不完全数据统计全球目前有1200多家替代蛋白质公司，其中细胞培养蛋白和植物基蛋白是占比最多的。其中，有几家企业“另辟新径”，声称能够从我们日常呼吸的空气中制造蛋白质，人类真的可以从大气中创造出有营养的食物吗？早在20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）就在寻找能在有限资源下为长期太空任务生产食物的方法，并且以使用最少资源和占用最少空间的方式在太空舱内生成食物，并提出了“闭环系统”的概念。在这个系统中，微生物能将宇航员呼出的空气转化为食物，不过因为某些原因这个技术被搁浅了。然而，美国宇航局研究的微生物并不是普通的微生物，它们是一种能从空气、二氧化碳和水的简单成分中获取能量，从而制造出大量营养蛋白质的细菌。跟植物不同的是，这些微生物甚至不需要使用光。相反，这种被称为氢细菌的细菌利用氢作为燃料从二氧化碳中制造食物，就像植物在光合作用中利用阳光的能量一样。源于早期美国NASA科学家的想法，空气制造来源的食物技术被重新被提上日程，目前主要集中在“空气蛋白”方面，代表企业包括Solar Foods、Kiverdi、Air Protein以及NovoNutrients等。据悉，空气制造蛋白质的过程类似于制作啤酒或酸奶，但又不等同于发酵。事实上，酿造啤酒的过程需要谷物，制造酸奶的原料是牛奶，而空气来源的蛋白质依靠的是“微生物菌株”。空气制造蛋白是一种生产可持续蛋白质的高度可扩展方式，原因是双重的。一个是我们呼吸的空气元素，它存在我们周围的任何角落。另一个是可再生能源，该方式能够将可再生能源变得越来越丰富，成本越来越低。随着技术规模的成熟，相信这将具有经济吸引力，并且从经济、可持续性和营养的角度来看，这将成为优质蛋白质的来源之一。以下是全球主要研发空气来源蛋白的企业，包括Solar Foods、Air Protein、NovoNutrients等。2017年成立于芬兰，通过空气中的二氧化碳制造出供人类可食用的蛋白质。Solar Foods 采用的制作过程以芬兰科技研究院 (VTT Technical Research Centre of Finland) 和拉彭兰塔理工大学 (Lappeenranta University of Technology) 研发的技术为基础，从空气中榨取水供微生物生存，并喂给它们微小的二氧化碳气泡，以及氮、钙、磷和钾等营养物质。这种微生物在空气来源的水中生长和繁殖。等到其干燥后，就会得到一种营养丰富的蛋白质粉末。Solein是一种独特的单细胞蛋白质，包含人类营养所需的必需氨基酸，但由于它是使用二氧化碳和电力生产的，因此不需要大量土地来生产。同时，与传统蛋白质生产不同的是，生产1kg Solein蛋白只需空气中的一小部分水。此外，Solein蛋白的味道和外观均为中性，可添加到各种食品中和制作各类食品，包括用作营养成分，生产替代肉或培养肉，作为动物蛋白和植物蛋白的替代品，可满足当下膳食的营养需求方案。Solar Foods公司CEO Pasi Vainikka对外表示，Solein没有使用任何农业原材料，也不用开垦土地，仅由化石能源生产的氨水制成。不过，每生产1kg的Solein会产生0.4kg碳排放，对比同一生产重量，其排放量都远低于肉类的45kg及植物蛋白质的2kg。品牌预计Solein于2023 年年初推出，会先以奶昔或乳酪形式亮相，现于全球申请新食品批准。Kiverdi的子公司，Kiverdi目前正致力于利用二氧化碳制造对环境友好的产品，Air Protein是专注空气蛋白来源的肉类企业。首先，从呼吸的空气中元素开始，比如二氧化碳、氧气和氮气；然后，与水和矿物质营养素结合。接下来，使用可再生能源和益生菌生产过程，其中培养物将元素转化为营养物质。据悉，该公司使用的是一类被称为“耗氢微生物”（hydrogenotroph）的单细胞微生物，它们能将二氧化碳最终转化为蛋白质。Air Protein开发一种名为“闭环碳循环”的专利工艺，该工艺基于在太空生产食物背后的科学原理，在这个循环系统中，微生物能将宇航员呼出的空气转化为食物。这种专利技术将重塑人们在地球上制造食物的方式，使人们能够在几个小时内以最可持续的方式制造蛋白质，并且不需使用任何耕地。Air Protein公司称这种空气蛋白来源的人造肉富含维生素和营养物质，其蛋白质结构与真肉相似，可以说是一种完整的蛋白质。该空气蛋白不仅可以用于汉堡、玉米卷和香肠，还可以用于制作富含蛋白质的谷物、意大利面和饮料。美国一家替代蛋白质公司，该公司利用工业二氧化碳排放、廉价氢气和天然微生物来制造供人类和动物消费的蛋白质。该公司的技术是一种发酵工艺，类似于将葡萄变成葡萄酒或将小麦变成啤酒的过程。NovoNutrients不使用小麦或葡萄，而是使用以二氧化碳和氢气为主的饮食中成长的天然微生物来生产各种高营养蛋白粉，可用于植物性汉堡等食品或其动物饲料。空气来源的蛋白质是天然的、非转基因、完整蛋白质，含有肉类中的氨基酸，对于土地和水的影响大大减少。无论是对人、鱼，还是其他食肉动物和杂食动物，NovoNutrients蛋白质成分的氨基酸谱优于大豆。此外，NovoNutrients计划生产化妆品、化学品和材料等行业所需的非蛋白质产品。与传统的动物蛋白和替代植物蛋白相比，制造空气蛋白所需的资源大幅减少。空气蛋白提供的好处之一是该过程节省空间，不像传统的植物基蛋白需要大量的耕地面积。其次，生产基于空气的蛋白质技术在几天就可以实现量化生产，而不是像传统工艺需要几个月，并且不受天气条件或季节的影响。此外，它还能显着减少的水和土地，允许农场以地理灵活性垂直扩展。淀粉是由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成的聚合碳水化合物，是人类饮食的主要成分、重要的能量来源，广泛存在于马铃薯、小麦、玉米、大米、木薯等主食中。淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用产生，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。近期，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在合成淀粉方面实现创新性突破，在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成，该项研究结果已经刊登在国际权威学术期刊《科学》。该二氧化碳合成淀粉的工艺能够将60步的代谢反应缩短为11步，其合成速率是传统玉米淀粉合成速率的8.5倍。和传统农业种植相比，从空气中二氧化碳制备淀粉具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。从农耕时代到狩猎采集时代再到目前的工业化体系，人类已经经历了几次食物革命。以细胞农业和发酵技术为代表的方式将颠覆传统的食品加工方式，堪称为“新食品革命”，从实验室到餐桌已经成为现实，实现可持续、简化的食品生产是未来的目标。
参考文章：
Making protein out of thin air
PASI VAINIKKA – LEADING THE WAY FROM LABORATORY TO REALITY
“从0到1”，我国用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原创性突破
AAES2021天然健康产品展暨天然健康产品行业大会
主题：与时代共生
2021年10月20-22日 广东佛山
