微小的生物体,潜力巨大

发酵用于食品生产已有几千年的历史。古代文明利用微生物培养物保存食物,制造酒精饮料,并提高从泡菜到豆豉等食品的营养价值和生物利用度。在过去的一个世纪里,发酵的作用已经远远超出了它的历史用途,扩大到更广泛的应用范围。

目前,发酵技术已广泛应用于工业化学、生物材料、治疗和医药、燃料以及高级食品配料等领域。通过发酵进化而开发的这套工具现在正准备通过加速替代蛋白质的崛起来彻底改变食品行业。

“发酵”一词在不同学科中有着不同的含义。在生物学中,它指的是在缺氧情况下产生能量的一种特定代谢途径。在替代蛋白质工业中,发酵主要用于三种方式:

传统发酵使用完整的活微生物来调节和处理植物源成分。

传统发酵产生的产品具有独特的风味和营养成分,并改良了质地。例如使用真菌根霉将大豆发酵成豆豉,以及使用各种乳酸菌生产奶酪和酸奶。这一概念也有更现代的诠释,例如MycoTechnology公司发酵植物蛋白来改善风味和功能。

生物质发酵利用许多微生物的快速生长和高蛋白质含量,有效地生产大量的蛋白质。

微生物生物量本身可以作为一种成分,在细胞完整或最少加工的情况下——例如,细胞可以被打破以提高消化率或丰富甚至更高的蛋白质含量。

这种生物质作为食品的主要成分或作为混合中的几种主要成分之一。生物质发酵的例子是Quorn 's和Meati公司使用丝状真菌作为其产品的基础。

精确发酵利用微生物宿主作为“细胞工厂”生产特定的功能成分。

这些成分通常需要比主要蛋白质成分更高的纯度,并以低得多的水平被纳入。这些功能成分可以改善植物性产品或栽培肉的感官特性和功能属性。

精确发酵可以产生酶、调味剂、维生素、天然色素和脂肪。例如Perfect Day的乳制品蛋白、Clara Foods的鸡蛋蛋白和Impossible Foods的血红素蛋白。

这三种发酵方式都有创新。

尽管微生物发酵在食品和工业生物技术中有着悠久的历史,但其巨大的创新潜力仍有待开发。微生物物种的巨大生物多样性,加上几乎无限的生物合成能力,转化为巨大的机会,以发酵为基础的新替代蛋白质解决方案出现。

在整个价值链中,推进发酵的机会可以划分为五个关键领域:目标选择和设计、菌种开发、原料优化、生物工艺设计以及最终产品的配方和制造。

DNA链的图解

目标选择与设计

当微生物被用作生产宿主来创造特定的高价值成分时,识别和设计正确的目标分子来生产是关键。

目标选择的当前状态

生物学为食品开发人员提供了几乎无限的分子调色板,从这些分子中组合味道、质地和香味。然而,并不是所有这些食材都能轻易地大量低价采购到。通过使用微生物细胞作为生产宿主,精确发酵允许高度可伸缩制造几乎任何成分。

目标的选择和设计是精确发酵过程的出发点。感兴趣的分子称为靶分子。目标可以是蛋白质、脂类、风味化合物、香气化合物、酶、生长因子、色素或另一类分子。

发酵原料已经广泛应用于食品工业。

营养补充剂和强化加工食品中的大多数维生素,如B12和核黄素,是通过发酵产生的,许多调味成分也是如此。食品工业是最早利用发酵在日常使用中取代动物产品的行业之一。

20世纪80年代,发酵生产的凝乳酶(小牛凝乳酶的主要酶,从小牛胃里提取)的商业化,使得小牛凝乳酶作为一种凝乳剂在奶酪生产中的重要作用在全球大多数奶酪生产中被淘汰。

最近,不可能食品公司(Impossible Foods)使用纯化的大豆leghem红蛋白作为替代蛋白,这是一个值得注意的例子。“亚铁血红素”生产使用毕赤酵母属pastoris在他们的汉堡中,它被用作一种调味料,在煮熟的产品中产生一系列的感官特性。

其他重组蛋白,如酪蛋白和乳清蛋白,由于其独特的功能在乳制品中是关键的目标。这些蛋白质可以与植物源性成分结合,形成最终产品。例如,糖、椰子油和葵花籽油与发酵产生的重组乳清相结合,就制成了完美日冰淇淋的基底。

精确发酵针对特定分子。

目标分子如无动物源性生长因子被用于养殖肉的生产。几家公司,包括子遗传学Richcore,Peprotech,已经在这个空间工作。此外,通过发酵产生的胶原蛋白或纤维连接蛋白等蛋白质可能是更复杂、高度结构化的栽培肉制品的支架的关键无动物成分。

以蛋白质靶为例,合成蛋白质的说明书编码在宿主生物的DNA中,要么作为自然发生的基因,要么作为通过工程引入的基因。根据目标的不同,工程和非工程方法都有可能。

例如,Impossible Foods公司生产的大豆豆类蛋白被改造成酵母菌宿主株,以实现高效、规模化生产。另一方面,微藻公司Triton Algae Innovations正在商业化其藻类品种的原生血红素蛋白,因此不涉及工程。

非蛋白目标的合成不能直接编码在宿主的DNA中。相反,基因组编码一系列酶,这些酶组成了生产目标分子的生物合成途径。

例如,藻类生产欧米伽-3的目标分子是脂肪酸DHA和EPA,但生产这些脂肪酸的说明书由几种基因编码的酶组成,这些酶将前体脂肪酸转化为细胞内所需的脂肪酸。与蛋白质目标一样,脂肪或调味分子等分子可以在微生物宿主中产生,无论是否使用工程技术,这取决于特定的目标和宿主生物的选择。

精确发酵目标选择的挑战

靶标选择最基本的挑战之一就是确定哪些分子对动物产品的特定特性贡献最大。多种挥发性化合物构成了不同种类肉类的味道,其中许多化合物因种类、类型和切割方式而不同。这些化合物应该更全面地进行描述和编目,以形成一个目标分子的共识“希望列表”,作为通过发酵生产的候选目标分子。

大规模生产已经存在分子

在许多情况下,一个候选目标的几个变体可能已经在自然界中存在。例如,几乎每一种生物体都含有某种血红素蛋白质,但哪种蛋白质最适合作为肉制品的增味剂呢?哪些是最稳定的——不仅在生产过程中,而且在最终食品的下游加工和整个保质期中?哪种靶点在宿主细胞内积聚的滴度最高,从而获得最有利的经济效益?

所有这些答案必须通过彻底的实证筛选和预测方法相结合来确定。

对于非蛋白质的目标分子,还有额外的挑战:确定能够制造这些分子的生物合成途径,然后确定这些途径是否已经存在于合适的宿主生物中,或者是否必须对它们进行改造或增强以提高生产率。

例如,发酵衍生的脂质生产在食品应用方面还相对未被探索,但在工业化学品方面有相当强大的历史。替代蛋白质工业可能会发展一个开放获取的研究基金会,并通过聚合化学工业的脂类合成途径的见解,加速发酵衍生脂肪的商业化。

这些方面的每一个饲料进入一个关键挑战的精密发酵:提高经济生产。为了与动物性蛋白质竞争,研究人员和公司必须提高目标分子和蛋白质生物量的滴度(表达目标分子的数量相对于上游产生的含有该制剂的液体的总体积——上游效率的主要基准)和产量(最终纯化蛋白的质量相对于纯化开始时的质量的比值——下游效率的主要基准)。

虽然菌株开发和原料优化可以对整体经济做出重大贡献,但目标选择是实现经济可行性的一个关键因素。

精准发酵的目标选择创新走向何方

发酵允许分离目标分子的原始来源及其生产方法。这种解耦极大地扩展了具有独特和有价值功能的生物分子的搜索领域。

首先,理想的目标可能来自那些极其稀有、难以收获、昂贵或难以接近或不切实际的物种。发酵提供了一种以适合商业可行性的规模和价格制造这些分子的机制。

其次,目标并不局限于那些在自然界中发现的:通过随机改变和筛选(定向进化)或通过合理设计,可以设计出新的目标分子变体,从而产生性能超过任何自然发生版本的目标。

乳齿象胶原蛋白吗?

美国生物科技公司Geltor的胶原蛋白生产平台说明了这一扩展搜索版图的两个方面。传统动物来源的明胶(一种胶原蛋白)仅限于少数种类(主要是猪和牛,尽管鱼明胶也可以在市场上买到),它们被大量加工。但胶原蛋白在动物王国中无处不在,Geltor可以从任何物种中制造胶原蛋白,包括灭绝的物种。

2018年,该公司展示了其平台的多功能性,该平台使用了一种无动物的皮革装订材料海蜇胶原蛋白还有橡皮糖点心乳齿象胶原蛋白.Geltor还生产定制版本的胶原蛋白,精确地调整到特定应用所需的特性,例如,明胶显示特定的凝胶粘度,弹性,或融化温度。

同样,发酵可以使酶在特定的加工条件下表现出更高的活性、新的底物特异性、更大的稳定性或鲁棒性,从而显著降低成本。这种酶在替代蛋白质工业中有许多用途。

这些例子表明,发酵具有巨大的潜力,可以筛选靶点的自然变异,并设计新的变异,以增强感官、功能或营养特性,或降低成本和简化生产过程。

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微生物菌株

应变发展

微生物菌株提供了巨大的生物多样性,可用于识别或创建具有增强的生长潜力、营养特性、风味剖面或原料偏好的菌株。

微生物菌种发展现状

从理论上讲,微生物发酵包括大量物种和巨大的生物多样性,从真菌到细菌到微藻。然而,很少有微生物种类被商业化用于食品。

新技术使我们能够彻底改变对新线路的搜索。

高通量筛选和表征工具的出现,此外在网上能力,值得重新搜索所有已知微生物物种,因为它们可能适合作为蛋白质来源。

例如,应变镰刀菌素venenatum这种丝状真菌最初是由Quorn商业化的,正是在这样的筛选工作中出现的。这项特殊的研究是在20世纪60年代开始的,当时人们担心蛋白质短缺,但那个时代的研究工具的限制意味着发现的范围有限。

同样,用于生产高价值靶标的微生物工厂的宿主菌株目录也早该进行彻底改革。几十年来,发酵部门主要依赖于少数成熟的主食品种。

虽然有空间进一步设计这些物种以获得更高的产量、更强健的栽培、更快的生长和其他理想的生产特性,但由于长期使用和熟悉,以及对商业化新寄主物种的监管障碍,该部门一直局限于这些物种。

发酵微生物菌株开发的挑战

全面的菌株发现和开发计划需要大量的数据集和标本库,以确保广泛捕获足够的生物多样性、基因组数据和不同的生长条件。这些数据集和数据库(有时被称为生物库)的创建和维护成本都很高。因此,很少有私人公司有能力投入时间和资源来创建它们,而那些能够做到这一点的公司则有动力保留专有使用权,以证明其投资是合理的。

这些数据限制限制和延迟了新菌株或改进菌株的商业采用,并限制了只有某些玩家的访问。一些公共资助的生物代工厂已经建立,比如能源部资助的敏捷BioFoundry还有一些全球性的努力全球Biofoundries联盟但需要专门的资源来进行筛选,以确定适合替代蛋白质应用的菌株。

协调菌株发现加速alt蛋白的改进。

更有针对性的菌株开发工作——比如对现有菌株的改进,而不是全面的筛选工作——可能会带来渐进式的进步,但可能无法实现替代蛋白领域所要求的能力的阶段性变化或范式转变。这些分门别类的方法也可能无法对微生物生物学产生更深入的见解,比如代谢如何以理想的方式转变以提高生产力,或者哪些基因特征表明对各种原料或生长条件的适合性,这些都可能加速对多个菌株的研究。

希望将新型或显著改变的菌株商业化的公司也面临监管障碍,这对创新构成了障碍,但在私营部门解决这个问题时,提供的竞争优势相对较小。协调菌株发现和开发工作,使安全数据的生成标准化和流程化,可以加快对新菌株的更广泛采用。这可以促进营养质量、生产效率、可持续性,甚至是风味和质地等最终产品特性的改善。

发酵菌株开发的前景

一个系统的菌株发现和开发的程序使用今天的工具进行,并以基于数以万计的微生物物种的基因组数据的计算洞察力为支撑,除了为现有菌株的持续改进提供路线图之外,可能产生全新的微生物蛋白生产候选。

高通量菌株选择、适应、筛选和工程方法使创新者能够以更快的速度和更精确地迭代新菌株。他们可以选择更细微的属性,比如精确的增味代谢物剖面,而不是像生长速度或耐温等简单的特征。

虽然该部门的一些菌株开发工作可能涉及基因编辑和基因工程等生物技术工具,但通过先进的基因组洞见支持的简单适应和育种策略,仍需取得巨大进展。

为下一代扫清道路

菌株开发研究可以为新的主力菌株铺平道路,这些菌株可以大大超过现有菌株。我们还需要有远见的监管领导来简化新候选人的商业应用。发酵不应因历史上对遗留宿主菌株的忠诚或过时的监管程序而受阻。

此外,应采取全面的努力,以吸收系统生物学的见解,有关代谢途径跨物种,以帮助识别和设计具有理想属性的新宿主。这些特性可能包括延长的代际稳定性以支持长期连续培养,使用广泛的原料的代谢途径,理想的风味,以及低水平的核酸或其他不良代谢物。

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原料优化

发酵最引人注目的特点之一是利用多样化和可延展性的原料的潜力,例如利用现有的农业侧流来实现经济和可持续优势。

发酵原料的现状

原料提供营养——生命的基本组成部分——在发酵过程中支持微生物的生长。发酵的弹性和适应性很大程度上源于其与这些原料原料输入有关的内在延展性。

同时,原料是大多数发酵过程的主要成本驱动因素。因此,在工程工业规模的生产计划中,大量的优化是可能的,以使用非常规的原料,包括来自其他行业的潜在支线。这为经济可行性和可持续性带来了潜在收益。

目前,大部分发酵依赖于相当标准化、精炼的糖基原料。这些在食品和工业生物技术发酵过程中有很长的验证使用历史。要实现大规模商业化,必须广泛提供更廉价和更可持续的基质。需要更多的研究来超越这一范式,使发酵公司能够利用更多样化的投入。

优化发酵原料的挑战

由于所需要的原材料非常多,原料是发酵过程中一个关键的投入成本,而不考虑微生物或下游加工技术。此外,与原料本身的成本相比,原料的运输成本很高。

虽然这些都不是目前发酵使用的显著瓶颈,因为糖原料足够便宜,质量足够高,供应足够多,但发酵需求的增长将导致对传统原料的需求大幅增加。

不断增长的发酵需求是一个多样化的机会。

最终,这种不断增长的需求可能会带来问题,但也代表着多元化的机会。

替代原料仍然是高度不一致和缺乏特征的。人们担心,如果使用较低等级的非常规投入,如农业副产,可能会引发食品安全和监管问题。

如果建立了广泛采用的、值得信赖的成分标准,并容易获得全面的表征方法,那么向这些更多样化的原料的转变将会更容易。不仅需要技术解决方案,还需要以市场、交易平台、经纪人和服务等形式的基于市场的解决方案,以促进原料买卖双方的匹配。这将包括轻松订购研发数量,以及简单地比较不同供应商和产品。

未来更好的原料

越来越多的公司和研究人员正在利用废物或农工业副产品转化为高质量蛋白质生物质的潜力。大自然的Fynd从黄石国家公园的温泉中分离出来的嗜极菌产生蛋白质。

这些真菌表现出广泛的代谢灵活性,因此可以使用不同的原料。3 f生物和Mycorena瑞典也将自己定位为可持续原料使用的领导者。其他初创公司,包括Air Protein,利用气态原料,从涉及氢气、甲烷或二氧化碳的化学反应中获得能源。

建设全球生物经济

原料优化应考虑在许多生物原料的全球需求变化的背景下。对发酵原料需求的上升是由向生物经济生产模式的大规模转变所驱动的。这种生物经济可能会利用微生物平台,不仅用于生产食品和制药产品,还可以用于生产绿色化工产品、生物聚合物和燃料,这些产品在历史上一直以石油化工为基础的生产。

从这个角度来看,在新发酵设施的选址方面有可能进行更具战略性的决策,将它们放置在丰富的低成本原料来源附近。

原料也应该在所有替代的蛋白质生产平台上进行检查,包括植物性的和栽培的。目前,所有这些生产方式都需要略有不同的原料作为主要投入,对所有部门的原材料需求进行战略性预测,有助于在加工、采购和配方方面做出更好的决策。

通过采用全球认可的标准和新型表征技术的发展,该行业灵活开发各种非常规原料的能力也将得到加强。这将使购买者对他们购买的原料的质量和性能有信心。这些标准也将使他们具备预测能力,根据需要调整他们的过程,以适应给定的批次,即使它来自他们过去没有经常使用的来源或成分。

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探索原料优化的研究

有机会协调原料供应商、战略伙伴和产品制造商之间的产品开发伙伴关系,以直接更全面地参与产品配方。

许多替代蛋白质公司使用类似的原料,但各自缺乏购买力来谈判有利的合同条款。原料、投入物的集合采购/团购机制……

将生产替代蛋白质所需的原料、投入和服务的买家和卖家联系起来。

生物工艺设计

生物工艺设计的创新可以为替代蛋白质中发酵的成本降低、规模扩大和环境可持续性打开新的机会。

生物工艺设计的现状

几十年来,工业微生物发酵一直在大规模地进行,单个培养槽的容量高达数十万升。然而,这些生产设施代表了工艺设计的相对有限的选择,以适应新的生物体或适应发酵替代蛋白应用的制造要求。

例如,目前用于工业生物技术和生物乙醇生产的绝大多数发酵设施都采用浸没发酵,这意味着微生物细胞悬浮在液体营养介质中。然而,一些结构化和完整的全细胞生物质利用(例如,整块肉)依赖于固态发酵,将微生物接种到潮湿的固体原料上,这些原料可能是封闭的,甚至是在露天生长的。

即使在深层发酵生物过程中,与替代蛋白质应用相关的规模、成本敏感性和可持续性考虑可能需要不同于经典的搅拌槽生物反应器的方法。一些发酵公司成功地使用了新颖的生物工艺和生物反应器设计,但相对而言,很少有人关注这些设计的进一步优化或迭代,因为迄今为止很少有公司使用它们。

显然,生物工艺设计仍有很大的创新空间,以满足替代蛋白质工业的独特需求。

更好的生物工艺设计的挑战

虽然目前许多关于发酵的假设值得挑战,生物工艺创新可以代表巨大的风险。特别是在当前发酵能力有限的环境下——无论是寻求生产合作伙伴的公司,还是寻求购买现有设施的公司——可能很少有机会从根本上改变发酵生物工艺设计的关键方面。这个过程越多地反映出几十年前的做法,后续扩大阶段的风险就越小。这使得短期投资资金更容易获得。

步伐的改变需要与过去决裂

然而,照旧的做法使得油气行业缺乏真正能够改变游戏规则的创新,从而最终促进生产率、可扩展性和成本的降低。在基础生物反应器设计上的创新可以容纳更密集或更粘稠的培养物,在更大的体积和更少的能源消耗下促进营养和空气交换,或使更长的连续生产周期。除微生物培养外,该过程的其他方面也可以从根本上提高效率。

可能的进展包括新的收获方法和创新的清洁协议,以减少设备停机时间,确保安全。下游净化和收获后的加工要求也会有很大差异。目前的酶生产过程代表一种范式,但这些过程通常假设需要非常高的纯度,而这可能是不必要的许多调味成分或功能蛋白用于替代蛋白质产品。

在整个生产过程中,评估各种参数之间的权衡的开放获取技术经济模型并不存在发酵的替代蛋白质应用。这妨碍了对生物工艺创新中最有前途的重点领域的更严格的见解。

生物工艺设计的下一个目标是什么?

利用发酵的替代蛋白质播放器已经在生物工艺创新方面展示了一些大胆的想法。例如,阔恩开创了一种生物反应器设计空气升发酵,它比传统的生物反应器需要更少的能量,同时容纳大量的容量。这种生物反应器设计非常适合于丝状真菌,它比非丝状真菌或细菌增加了溶液的粘度。

使用气体饲料的动物饲料公司Unibio而且Calysta通常采用类似的概念,即原料气体和其他气体在一个封闭的循环中循环细胞和介质,而不需要叶轮。

几家公司正在探索固态发酵平台的使用,它们利用发酵来制造全肌肉切口或将植物蛋白转化为更有功能的成分。这些系统可能会节省成本,降低进入门槛,因为它们不需要像深层发酵所需的那样,需要资本密集型的不锈钢生物反应器。

固态发酵平台也为规模化生产敞开了大门——通过并行的小规模生产单元而不是体积更大的单个生产单元来增加产能。这种方法减轻了与扩展相关的一些技术风险和资本成本。

现有设施是一个机会吗?

另一个关键的机会领域是研究改造现有的生产设施和设备,以适应替代蛋白质应用的需求。例如,大多数现有的发酵基础设施是为厌氧生物乙醇生产而建的。

随着世界日益走向可再生能源和电气化,这些设施可能会在未来几十年退役。然而,需要更深入的分析,以了解在什么情况下,将这些设施转化为替代蛋白质应用在技术上可行或财政上值得。

白狗实验室最近收购了一家乙醇工厂计划改造它水产饲料蛋白质生产。它们可以这样做是因为它们的微生物耐受厌氧生长。这个例子说明了协调所有关键技术开发领域的研发工作的重要性,以利用这些学科的接口的见解。目前大多数用于食品成分发酵的微生物需要有氧生长,但如果技术经济和工程分析表明从生物乙醇设施到厌氧食品生产设施的转化是高度可行的,那么厌氧生长应是综合菌株评估工作中的一个关键筛选条件。

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替代蛋白质公司将受益于现成的或可定制的生物反应器,用于栽培肉类和发酵衍生产品。这种需求可以通过增加对……的投资和支持来满足。

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原子

最终产品的配方和制造

由于发酵衍生产品仍然是替代蛋白质的一个新兴类别,它们可以通过配方和制造的创新实现更大的感官和质地突破。

生产消费品的发酵公司在配方和制造方面与植物性肉类公司有同样的创新机会。在某些情况下,可能需要额外的收获后加工步骤,以赋予微生物生物量所需的结构和质地。

例如,Quorn应用了一个冷冻步骤来巩固脆弱的菌丝纤维,使其成为更持久、更整齐的束,更接近于动物肌肉组织中的纤维。

发酵原料成本更低,质地更好。

有足够的空间开发其他新颖的、相对低技术和低成本的结构解决方案。这些可以进一步改善质地,而不需要像目前许多植物蛋白生产所使用的高水分挤压技术那样的资金成本。

个别公司将不断改进其配方,可能会加入调味料、脂肪、粘合剂、功能性酶和营养强化,以实现更接近于动物源产品的感官配置。

反过来,许多这些成分本身可能是由发酵衍生成分的B2B供应商生产的。因此,终端产品层面的许多创新机会与基于植物的产品是相同的。

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