未来食品科学2022年第2期│华中农业大学魏雪团副教授课题组：微生物蛋白作为优质替代蛋白资源的应用研...

微生物蛋白作为优质替代蛋白资源的应用研究

-华中农业大学食品科学技术学院魏雪团副教授课题组-

本文于《未来食品科学》期刊正式出版

研究背景

随着人口增长和人民生活水平的提高，人类对于优质蛋白质的需求量不断上涨，全球蛋白质需求量从20世纪70年代的5 000 万t增加至2020年的2.5 亿t。然而，现有蛋白的获取高度依赖于种植业和养殖业，作为一种传统蛋白来源，畜牧业提供了将近65%的蛋白质。传统畜牧养殖业的供给侧面临着严峻考验，随之而来的环境和社会问题也不容忽视。目前通过传统畜牧业提供蛋白资源已经基本达到极限，并且难以应对人口持续增长和生活水平不断提升的巨大压力。同时，流行病学统计结果表明，动物性食品摄入过多引起膳食结构不合理是导致人类营养健康问题的关键因素。因此，传统蛋白生产方式在数量、质量和可持续供应方面，难以满足人类未来的生活和健康需求，大规模、低成本、可持续、高质量的蛋白生产方式急需创新和发展。

微生物蛋白是由细菌、真菌、藻类和酵母等纯培养物或混合蛋白质组成。与传统畜牧业相比，微生物蛋白能在补充畜产品产能不足的同时协调解决可持续性等问题。根据菌种和培养条件不同，微生物蛋白的蛋白含量和产量也存在一定差异，微生物或微藻的蛋白质含量通常在30%～80%，其不仅是一种优质蛋白质资源，含有多种人体所必需的氨基酸，同时还含有多种其他有益机体健康的营养成分，如维生素、二十二碳六烯酸(docose hexaenoic acid，DHA)、多糖等。因此，微生物蛋白的开发和利用具有广阔的前景。

本文通过分析当前主要的非畜禽来源的蛋白原料以及市场前景，结合当下的研究热点微生物蛋白，阐述了微生物蛋白作为食品原料进行开发的可行性，为微生物蛋白作为食品原料的发展提供了一定的理论基础。

1  替代蛋白原料的应用现状

针对日益增长的蛋白需求，构建可持续的高品质蛋白供给模式迫在眉睫。替代蛋白通过充分发挥先进生物技术的优势，充分挖掘生物资源潜力、最大限度减少土地资源依赖和环境影响，利用植物、微生物等种质资源以工厂方式生产高品质蛋白，进而作为传统动物性蛋白质的有机补充和替代。目前植物蛋白、昆虫蛋白和微生物蛋白等蛋白资源已经逐渐引起人们的重视。

植物蛋白由于氨基酸组成基本平衡，容易被人体消化吸收，营养价值较高，是目前一种主要的替代蛋白资源，其作为优质蛋白被长期用于食品和饲料中。植物蛋白资源丰富，分布广泛，具有优越的生物功能特性。相对于动物蛋白，在饮食中摄入更多的植物蛋白类食品（如大豆、豌豆等），可以显著降低血脂和低密度脂蛋白的水平，植物蛋白的摄入与全因死亡风险下降8%有关，与心血管疾病死亡风险下降12%有关。然而，目前植物蛋白仍主要以豆类蛋白为主。从营养角度来看，摄入单一品类蛋白质往往在营养上不能满足人体的全部需求，例如大多豆类蛋白中甲硫氨酸和半胱氨酸含量较低，而谷物蛋白中往往赖氨酸含量较低。因此，为缓解蛋白质资源短缺现象，有待进一步探究和开发更多的优质植物蛋白质资源。

与其他传统食物相比，昆虫蛋白具有蛋白含量高、生产效率高的特点。此外，一些昆虫不仅可以用作重要的食物蛋白质资源，而且在医药领域也被广泛应用。昆虫蛋白营养丰富，富含多种氨基酸，如蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸和色氨酸等，并且氨基酸吸收率也较高，达70%～98.9%。一些昆虫如家蚕、黄粉虫等还富含抗菌肽、溶菌蛋白、外源性凝集素、防御素等，这对增强人类免疫能力和预防高血糖、高血脂、高血压和肿瘤等疾病具有重要作用。目前，许多国家已经开始利用昆虫作为替代蛋白资源用于饲料和食物中。

与传统蛋白质相比，微生物蛋白不仅生产效率高、碳排放低，而且可以利用食品和农业活动的废物和副产品进行培养和生产。目前，用于微生物蛋白生产的主要有细菌、真菌和藻类等（如图1所示）。其中，微藻蛋白质含量一般在60%～70%（w/w），细菌蛋白含量约30%～80%（w/w），酵母蛋白质含量约30%～50%（w/w）。目前，微生物蛋白主要应用于饲料产业，部分微生物蛋白也被用于食品加工和生产。

2  潜在微生物蛋白种类

目前工业化生产主要使用酵母和霉菌作为菌株。霉菌脂质、蛋白质等营养物质含量丰富，含有B族维生素和β-胡萝卜素、麦角甾醇等一些有益机体健康的次生代谢物质。目前用于生产霉菌蛋白的常用菌种有威尼斯镰刀菌（Fusarium venenatum）、宛氏拟青霉（Paecilomyces varioti）等。其中，威尼斯镰刀菌是应用最广泛的生产真菌蛋白的物种之一，已经主要用于生产肉类替代品Quorn TM。霉菌蛋白不仅是一种极好的蛋白质来源，还可用于改善食品的营养和功能特性，如质地、乳化和起泡能力。此外，酵母菌也是生产蛋白的一种常用菌种，酵母富含多种营养物质，如蛋白质、氨基酸、矿物质、维生素和多糖等。将酵母作为菌株生产蛋白可以提高农业废弃物的利用率，生长速率快，细胞密度高，生产设备简单，更为重要的是酵母菌及相关发酵产物已经被长期用于食品生产，安全性高。

食用菌蛋白质资源丰富、功能多样，也是一种优良蛋白质，如香菇蛋白、平菇蛋白、双孢菇蛋白、金针菇蛋白、杏鲍菇蛋白等。同细菌、动物和植物蛋白质相比，食用菌蛋白质种类繁多，具有多种其它来源蛋白质所不具备的生物活性；同时食用菌蛋白质具有较强的热稳定性和pH稳定性，有利于工业化规模生产；更重要的是食用菌的安全性和健康功效均得到了消费者的广泛认可，市场对食用菌蛋白质的接受程度也较高。目前食用菌研究和利用较多的有香菇、蘑菇和大球盖菇等。

3  微生物蛋白的应用现状

4  微生物蛋白作为未来替代蛋白肉原料的应用前景

结

语

微生物蛋白作为一种高品质蛋白原料，目前也存在着一些问题限制了微生物蛋白的利用和产业发展。微生物蛋白作为微生物菌体，是一类含有多种组分的复合物，如一些微生物含有较多的核酸，核酸在人体内代谢后形成尿酸，过量尿酸随血液循环可在人体内的关节处沉淀或结晶，从而引起痛风症或风湿性关节炎症；一些微生物在生长过程中因为培养基中含有石油衍生物，会对动物产生毒性作用；一些微生物所合成的脂多糖和毒素也会对机体健康产生威胁。同时，多数微生物蛋白消化率较低，比大多植物源蛋白和动物源蛋白低10%～15%，微生物蛋白氨基酸组成不平衡，含硫氨基酸偏少（如Cys、Met等）。相对于植物和动物蛋白资源，针对微生物蛋白消化和功能特性的研究均较少，这些因素导致微生物蛋白目前主要作为饲料应用于水产和畜牧养殖领域。

未来应以“大食物观”战略为引领，以微生物替代蛋白肉卡脖子技术的产业化为突破口，大力挖掘高品质菌种资源，发展新型培养技术，系统评价微生物蛋白的功能特性，通过多维交叉融合，促进微生物蛋白的应用和产业发展。基于迭代循环升级模式（图3）。首先，以目前市场可以获得的微生物蛋白原料为基础，挖掘获得优质替代蛋白核心基料和关键配料，开发微生物蛋白肉加工工艺，快速获得微生物基蛋白肉产品；在此基础上迭代升级，基于菌种选育和细胞工厂构建，创新高品质替代蛋白核心基料和关键配料资源，实现核心基料和关键配料的性能突破，获得高品质、低成本的微生物基蛋白肉产品，实现蛋白肉的品质突破和价值突破。最终为全方位开发利用微生物食物资源、积极推进农业供给侧结构性改革、抢占全球蛋白可持续供给技术制高点提供技术和原料支撑，从而保障国家粮食战略安全，更好满足人民群众日益多元化的食物消费。

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团队简介

魏雪团  副教授

华中农业大学食品科学技术学院

团队成员介绍

代表性科研成果