「 替代蛋白產業如火如荼，微生物發酵憑什麼成為支柱技術？發酵替代蛋白的商業畫卷美在何處？」
發酵食品已經存在數千年。古人利用微生物發酵來保存食物，從釀酒、泡菜、發酵乳，到地域性食品，如納豆、天培（印尼傳統發酵食物）等，發酵食物不僅在營養價值和生物利用度上得到顯著提高，也因其獨特的風味口感而廣受歡迎。
當前，替代蛋白成為全球最火熱的食品創新領域。通常採用的技術路線包括植物蛋白調配、微生物發酵與細胞培養。其中最核心的技術就是發酵。
The Good Food Institute在今年9月發布了《發酵：替代蛋白產業支柱》的研究報告，深入剖析了全球替代蛋白領域的商業格局，技術進展，產品類型，法規考量及消費者態度。大量數據表明，自2013年以來，以發酵作為主要技術手段的替代蛋白製造商正在商業資本的扶持下快速成長。
本文從該報告中汲取大部分精華內容，帶您全景式觀察發酵替代蛋白產業的面貌與未來走向。
01「粗鉤、細織」皆相宜：替代蛋白的三種發酵模式
在替代蛋白工業中，通過發酵獲取豐富的有機物——菌體蛋白及衍生成分（如風味物，酶和脂肪），由此組成替代蛋白的核心原料。通用的發酵技術一般分為三種類型：
1）傳統發酵。使用天然來源的活性微生物作用於底物，使產品具有獨特的風味和營養特性，並改變質地。例如，用根黴菌將大豆發酵成豆豉，用乳酸菌生產奶酪和酸奶。
2）生物質發酵。利用受控微生物的快速生長，生產大量蛋白質。發酵末期將微生物細胞破碎，得到蛋白質濃縮物和分離物。發酵產物可以直接用作食品的主要成分。
3）精密發酵。將微生物宿主作為「細胞工廠」，生產特定功能成分。發酵產物能直接改善終端產品的感官特性和功能屬性，對其純度要求更高，產量也更低。典型的商業化產品包括Perfect Day的人造乳蛋白，Clara Foods的合成雞蛋白，Impossible Foods的血紅素蛋白，以及酶、風味劑、天然色素和脂肪。
如今，人類正處於向非動物源食物生產系統過渡的初期。隨著植物基肉、蛋、乳製品的普及，發酵類替代食品也將滲透進大眾日常生活中。
菌絲體，微藻，微生物和發酵生產的植物蛋白可模擬動物製品的感官性狀與營養特徵，同時不含膽固醇，抗生素和生長激素等成分。此外，發酵蛋白的生產成本更低，生物效價更高。英國埃克塞特大學（Exeter University）於2019年進行的一項研究發現，運動員在劇烈運動後食用Quorn真菌蛋白，其「肌肉生長速度提高了兩倍」。真菌蛋白比牛奶蛋白能更有效地促進肌肉生長。Mycoprotein的PDCAAS蛋白質的消化率得分高於碎牛肉，豌豆蛋白，昆蟲蛋白和大豆蛋白。
高生物效價的蛋白質不僅對人體健康更有益，對地球環境也更友好。在將卡路裡轉換為蛋白質和環境附加值（減少汙染物和溫室氣體排放，並節省水和土地消耗）方面，微生物比牲畜更有效。微生物發酵可以消耗各種原料，它們通常是低成本的工業或農業廢物。原料的多樣化將促進本地化生產，減少運輸費用。
02資本推動下的一路高歌：全球發酵替代蛋白產業掃描
如今，全球範圍內有數百家公司利用發酵技術創造出數千億美元的年收入。隨著消費者對替代蛋白的興趣日益增長，許多企業開始將業務聚焦於替代蛋白生產，風險資本也隨之加快投資步伐。
2013-2020年，全球在發酵生產替代蛋白領域的投資交易數量和額度。圖片來源：GFI
2013年，TritonAlgae Innovations成為該領域內第一家獲得風險投資的公司。至今年7月，全球共完成66筆風險投資，合計8.37億美元。2019年，發酵公司所籌集的資金相當於所有細胞培養肉製品公司募集資金的3.5倍。儘管該數字仍不及植物基食品上的投資，但從最近3年的迅猛勢頭上看，不久的將來，發酵領域將成為匯聚風險資本最大的「資金池」。
2010-2020年，全球/美國在細胞培養肉、植物基食品和發酵替代蛋白等領域的投資額度。圖片來源：GFI
在全球68家涉及生產植物基肉、蛋、奶的企業中，有44家將發酵替代蛋白質作為主營產品。其中，21家的技術路線為精密發酵，18家為生物質發酵，剩餘5家為傳統發酵。
創立於1985年的Quorn和2011年的ImpossibleFoods堪稱這個領域的「長者」。他們在商業上的成功激發了一大批企業入局。2018年以後企業數量呈現爆發式的增長。大量初創公司將該領域企業的平均「年齡」拉低到僅有2歲。
2013-2020年，發酵蛋白領域成立的公司數量。圖片來源：GFI
從地域分布上，美國一枝獨秀，擁有近半數的發酵公司。歐洲各國緊隨其後。以色列、印度、澳大利亞、新加坡和韓國5國領跑亞太地區。
全球68家發酵蛋白企業的地域分布。圖片來源：GFI
從投資額TOP10企業列表中可以看出：除了1家在英國外，其餘9家均在美國。這反映出美國完善而活躍的商業資本體系，以及對關乎人類未來生存命運的生物&食品技術的特別關注。
下面對其中5家企業做一個簡要介紹：
Perfect Day：全球第一家用微生物發酵技術生產牛奶蛋白（酪蛋白和乳清蛋白）的公司。2018年末，Perfect Day與ADM籤署聯合開發協議，將發酵牛乳蛋白原料商業化。2020年初，Perfect Day與舊金山冰淇淋生產商Smitten合作，在當地銷售使用發酵牛乳蛋白的冰淇淋。同年，Perfect Day創立子公司The Urgent，旗下品牌Brave Robot專營人造乳蛋白冰淇淋。
Brave Robot人造乳蛋白冰淇淋。圖片來源：GFI
MycoTechnology：該公司的首個產品ClearTaste來源於真菌菌絲體培養物，可作為某些植物基食品中的苦味阻滯劑。為清潔標籤產品的口感優化提供了一條途徑。其第二款產品PureTaste用香菇菌絲髮酵豌豆和大米蛋白，從而賦予這種發酵產物濃鬱的風味、更強的水油結合能力及高膨化力。全球最大的肉類公司JBS的子公司Planterra，就在使用PureTaste生產Ozo品牌系列植物肉。
Motif FoodWorks：2019年2月，合成生物學領導者GinkgoBioworks斥資9000萬美元創立Motif，旨在將Ginkgo的生物合成能力擴展到肉類，蛋類和奶類替代品中。Ginkgo負責菌株篩選與生物合成技術，Motif的任務是給出目標物質結構，並利用Ginkgo提供的發酵技術製造出產品和功能解決方案。Motif專注於風味物質（主要是脂肪類）的合成。他們與澳大利亞昆士蘭大學建立合作夥伴關係，開發用於評估產品質地的高通量方法。新的自動篩選方法，加上Motif豐富的宿主菌株來源和蛋白質表達優化工具，使生物合成蛋白質和快速迭代成為可能，在開發生物合成蛋白的領域裡保持足夠的競爭力。
Clara Foods：全球第一家生物合成卵蛋白的公司。該公司用酵母生產的蛋清蛋白可作為烹飪和烘焙原料。2019年4月，Clara Foods與Ingredion建立開發和分銷合作夥伴關係，推進發酵卵蛋白的商業化。
3F Bio：該公司在發酵原料和生產流程上具有獨到之處。他們使用與真菌蛋白公司Quorn相同的絲狀真菌作為發酵劑，以生物乙醇（多採用小麥和玉米作為原料）生產中的殘留物為底物，將這種低價值的生物質副產物轉化為高質量的更可口的食品原料，用於製作各種肉類替代品。2019年7月，3F Bio與包括動物肉生產商Mosa Meats和植物肉品牌Vivera在內的近十二家企業建立合作夥伴關係，英國首座規模化的綜合生物精煉廠開始運營。
03罐子裡的妙不可言：掌握替代蛋白發酵中的關鍵技術
儘管微生物發酵在食品和工業生物技術領域有著悠久的歷史，但其蘊藏的巨大創新潛力仍有待開發。微生物物種的生物多樣性，加上幾乎無限制的生物合成能力，為發酵替代蛋白解決方案帶來機遇。替代蛋白發酵技術包括五個關鍵領域：目標選擇和設計，菌株開發，原料優化，生物工藝設計以及終產品提取。
發酵關鍵技術圖釋。圖片來源：GFI
1、目標選擇與設計
目標選擇和設計的概念僅適用於精密發酵。人們感興趣的分子稱為靶標，包括蛋白質，脂質，風味化合物，香料，酶，生長因子，色素等。
採用精密發酵路線生產的第一種商業化產品是重組凝乳酶。凝乳酶常用於奶酪生產，以前多從犢牛胃中提取。如今，大多數奶酪企業已在使用這種精密發酵的產品。通過發酵，對酶進行改造，使其在特定加工條件下表現出更高的活性，新的底物特異性，更高的穩定性和耐用性，從而大幅度降低成本。
目標蛋白可以是通過基因工程改造而獲得，也可以是微生物菌株體內天然存在的成分。例如，Impossible Foods添加到植物漢堡中的大豆血紅蛋白，就是將大豆蛋白基因導入宿主酵母體內，高效合成得到的。而Triton Algae Innovations所研究的血紅素蛋白則是藻類細胞中天然存在的物質。
在Impossible Foods開發的植物漢堡中，來自大豆的血紅素是決定產品商業化的關鍵成分。圖片來源：enewsdispatch
微生物發酵能夠消除底物和靶向物的偶聯關係，從而生產出具有獨特功能的生物分子。以膠原蛋白生產為例，傳統的動物明膠僅限於少量幾個物種（主要是豬、牛、魚），而美國膠原蛋白製造商Geltor利用微生物發酵可以從任何物種中（包括已滅絕的物種）合成膠原蛋白。2018年，Geltor開發出由水母膠原蛋白製成的人造書皮和由乳齒象（已經滅絕）膠原蛋白製成的橡皮糖零食。
2、菌株開發
在發酵領域的全部技術研究中，菌株開發佔據了總成本中相當大的一部分。使用高通量篩選能夠加快菌株研究迭代速度。高通量篩選和表徵工具的出現也讓人們開始重新考慮所有已知微生物的潛在適用性。
英國Quorn公司最成功的商業化案例——用絲狀鐮刀菌（Fusarium venenatum）發酵出高纖維、低飽和脂肪的優質蛋白，正是利用了高通量篩選技術得以實現。目前，基於數萬個微生物物種的基因組數據所獲得的計算洞察力，可以為微生物蛋白生產提供全新的候選對象。
GFI建議應及時採納跨物種代謝途徑的系統生物學觀點，用以幫助鑑定和設計具有理想屬性的新型宿主微生物。這些屬性包括繼代穩定性，對多種原料的利用能力，理想的風味特徵以及低核酸含量。
3、原料優化
無論從經濟性上，還是可持續發展的角度，利用食品加工中的廢棄物或副產物作為發酵原料，都是一個極有前景的選擇。Nature's Fynd在黃石國家公園的溫泉中分離出的極端嗜熱性真菌，具有廣泛的代謝靈活性，適用於多種原料。3F Bio和Mycorena（位於瑞典哥德堡的真菌發酵生產替代蛋白公司）也將自己定位為可持續原料使用的領導者。其他創業公司，像空氣蛋白公司（Air Protein），利用氣態原料，從氫氣，甲烷或二氧化碳參與的化學反應中獲取能量，合成生物質。
Air Protein空氣蛋白生產模式圖。圖片來源：airprotein官網
通過採用全球公認的標準和開發新穎的蛋白質表徵技術，發酵行業能夠更為靈活地利用各種非常規原料。
不同類型發酵原料的適應性。圖片來源：GFI
4、生物工藝設計
當前，生物工業中的絕大部分發酵設施都使用淹沒式發酵罐，微生物細胞懸浮在液體培養基中。然而，替代蛋白產業所需的部分生物質的特殊結構和用途（例如整塊肉塊）卻依賴於固態發酵體系。在這種生產模式中，將微生物接種到潮溼的固體原料上，進行厭氧或需氧發酵。固態發酵可以節省掉昂貴的不鏽鋼生物反應器，通過增加並行的小容積生產單元而非提高單元容積來提高產能，從而減輕了與規模化相關的技術風險和資金成本。
即使在液體深層發酵體系中，要考慮發酵規模、成本和可持續性，也需要採用不同於傳統攪拌式發酵罐的設備。已經有數家企業開始使用新型生物反應器。Quorn率先使用一種「氣提發酵」式生物反應器。與傳統生物反應器相比，它所需的能源更少，容量更大，非常適合絲狀真菌，發酵液的粘度得到提高。使用氣態原料合成動物飼料的一些公司（如利用嗜甲烷細菌生產蛋白的Unibio和Calysta）通常採用類似的工藝，將原料氣體充入封閉體系中，無需攪拌葉輪。
5、終產品提取
對於發酵產物，一般需要後處理步驟才能使終產品具有所需要的結構和質地。例如，Quorn將纖細的菌絲纖維凍結結成更耐用，更齊整的纖維束，類似於動物肌肉纖維。
此外，通過添加調味劑，脂肪，粘合劑，酶，功能性成分等，獲得與動物製品相近的感官和營養特性。
6、未來技術展望
在傳統發酵和生物質發酵體系中，已經有很多成熟的商業化產品表現出良好的可擴展性和低成本。它們將成為在中低收入國家推廣發酵技術的有利因素。對於精密發酵，該如何推進其商業化呢？
1）擴大規模。在發酵產業中，規模化回報令人印象深刻。不同商業純化蛋白的每公斤成本可能相差九個數量級。一些常見酶製劑的成本約為10美元/kg，而一些特殊蛋白（如治療劑中的特殊蛋白）則可能高達近100億美元/kg。即使來自相同宿主，成本也可能相差7個數量級！
2）提高單位體積生產率。對於全細胞生物質，這個數字僅反映生長速率和最大細胞密度。對於精密發酵生產，該數字還包含了生物效價。
3）延長連續生產能力。在發酵峰值時段將運行時間儘量穩態延長，即可以高效率地收穫發酵產物。
4）降低純度要求。只要宿主微生物具有必要的食品安全性，不會對終產品的風味或質地產生負面影響，則一般性的純度足矣。純化過程往往佔合成蛋白總生產成本的很大一部分，放寬純化要求將大大降低成本。
04就是要佔滿你的餐盤：無處不在的發酵替代食品
如果將數千年來利用傳統發酵方法製作各類食物，稱之為對微生物的「第一次馴化」。那麼，進入21世紀以來，全球掀起的發酵生產各種替代食品的浪潮，則堪稱「第二次馴化」。與第一次馴化相比，此次馴化無疑進程更快，更加精確。參與馴化的不僅有生物科學家、營養學家和食品工程師，也有立志解決人類未來食物危機，並從中開闢商業藍海的商人與投資家。
與人類通常食用的幾十種動物、數百種植物食材相比，微生物發酵為人類食物提供了幾乎無限的可能。當前，微生物發酵原料已經應用於碎肉，全切肉，雞蛋，牛奶，奶酪，明膠，海鮮，脂肪，油脂，寵物食品等各類食品中。
1、碎肉
這種半結構化食材可以通過傳統，生物質和精密發酵三種路線進行。Quorn是第一家使用生物質發酵技術生產碎肉的公司。產品形式包括肉餅，香腸，肉末（仿牛肉，仿雞肉和仿豬肉）。
2020年6月，來自瑞典的生物發酵公司Mycorena在當地推出用黴菌發酵蛋白製成的肉丸。以色列的幾家公司則使用酵母發酵蛋白。
2、全切肉
全球1.7萬億美元肉類市場中，全切肉製品利潤最高。多年來，合成植物肉製品（如香腸、肉塊和肉餅）一直依靠低水分活度擠壓工藝。如今，雙螺杆高水分活度擠壓工藝可以實現與動物肉質構的高度相似。過去一年，相關企業對不同原料和擠壓設備進行了大量研究，為市場帶來更令消費者滿意的植物肉。
Meati使用深層發酵技術生產全切牛排和雞肉產品。菌絲體發酵蛋白公司Atlast Food Co.使用固態發酵工藝生產全切培根肉。Prime Roots則用絲狀真菌米麴黴（Aspergillus oryzae）發酵生產培根。據稱，數千袋軟包裝人造培根在數小時內售罄。
3、蛋製品
除了Clara Foods用酵母生產蛋清蛋白外，Fumi Ingredients同樣開發出可作為起泡劑，熱固性凝膠和乳化劑的蛋清替代品。Noblegen於2020年初推出用自家蛋粉製成的 「全雞蛋」。
4、乳製品
乳製品是最被看好的微生物發酵應用領域。大多數植物基奶酪公司，如Treeline和Miyoko's，均採用發酵堅果和植物油脂的工藝。而像New Culture,Change Foods, Cultivated和 Legen Dairy等企業，則以發酵合成乳蛋白和乳脂肪，推動植物乳製品的新一輪革命。
5、明膠
大多數的合成膠原蛋白被用於醫學組織工程和美容護膚領域。Geltor是該領域致力於食品應用的標杆性企業。
6、海鮮食品
海鮮是替代蛋白涉足最少的品類。微藻發酵可能是推動替代海鮮普及的關鍵。Quorn推出的Fishless Fingers是當前唯一進入市場的發酵合成海鮮產品。Odontella用海藻和微藻作為底物，合成出鮭魚替代物，但尚未完成商品化。
2020年7月，3F Bio推出用真菌發酵蛋白製成的金槍魚排，魚排用3D印表機製成。此外，Gardein推出的植物魚、植物蟹餅；Good Catch開發的植物基金槍魚等產品中添加了微藻發酵製成的ω-3油脂。
3F Bio推出的3D列印真菌合成金槍魚排。圖片來源：linkedin
7、脂肪
脂肪是食用肉，蛋和乳製品時感官體驗的關鍵因素。由於全球動物油脂供應有限，以及棕櫚樹對環境的影響，人們對發酵生產動物脂肪替代物的興趣日益增加。微藻是最常採用的發酵底物。Algarithm、DSM、iWi和Corbion等公司都開發出用微藻合成的替代脂肪。C16 Biosciences和Nourish Ingredients使用能夠改變脂質合成路徑的微生物生產飽和脂肪。PerfectDay和Motif FoodWorks今年也相繼開發用於植物基乳製品和肉製品的替代脂肪產品。
8、寵物食品
2019年，全球寵物食品市場規模近千億美元。為寵物們開發高蛋白植物基食品有著巨大的商業價值。
2018年，WildEarth推出酒麴發酵生產的狗零食，2019年推出酵母發酵高蛋白狗糧。Bond寵物食品公司致力於開發微生物發酵的動物增肌蛋白。2020年3月，該公司推出一款由新型酵母菌株生產的高蛋白狗零食。
微生物發酵替代食品正在不斷豐富著人類食譜。奶酪、冰淇淋、蛋白棒、蛋白水……不久的將來，在餐桌上尋找真正的肉製品或乳製品將成為新的困惑。
05未來無限
全球絕大多數的動物食品產自集約化的畜牧生產系統，與發酵相比，這種系統的生產效率相當低。根據世界資源研究所（World Resources Institute）的數據，生產1卡路裡雞肉要消耗掉9卡路裡大豆，小麥和玉米。其他動物將農作物轉化為肉的效率則更低。GFI曾指出：如果沒有替代蛋白，到2050年，地球將無法養活全球近100億人口。
除了最直接的糧食安全隱患外，碳排放和食品安全也是促使植物基產業蓬勃興旺的因素。
通過傳統發酵，生物質發酵和精密發酵，如今，一批生物科技企業用極具創新性的技術和產品不斷帶給人們直面未來的信心。對於發酵替代蛋白，乃至所有的替代食物，已不能僅僅視為一種高附加值的食材，它對於改變人類的飲食習慣、改善環境和社會風尚，推動商業致力於提升人類福祉，都有著積極深遠的意義。
1萬億種微生物×數千種可食用植物（發酵底物），天文數字背後的商業空間，才是令所有人為之神往的地方。
封面圖來源：foodnavigato