細胞農(nóng)業(yè)是指用動物或植物細胞培養(yǎng)物或微生物生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，產(chǎn)品的生產(chǎn)通常在生物反應器中進行，食品蛋白質(zhì)(雞蛋、牛奶、養(yǎng)殖肉類)和材料(皮革、纖維)，到精細化學品，如食品配料和藥品。
單細胞蛋白是微生物菌體嗎？
用于食品或飼料的微生物蛋白通常被稱為單細胞蛋白(Single cell Protein，SCP)，許多微生物，包括自養(yǎng)和異養(yǎng)細菌、真菌和酵母以及微藻都被作為SCP的來源進行了研究。根據(jù)物種和生長條件的不同，微生物或微藻群含有30%至80%的高濃度蛋白質(zhì)以及另外兩種基本的常量營養(yǎng)素、脂類和碳水化合物。微生物和微藻細胞的增殖速度比具有支持性組織(骨骼、彈殼、纖維素植物結(jié)構(gòu)等)的高等復雜生物快得多，整個細胞的生物量原則上是可以食用的。在許多情況下，可以利用非食用原料進行種植，如農(nóng)業(yè)和食品加工的副產(chǎn)品和殘留物，或大量可用的氯化合物，如甲烷或二氧化碳。
SCP既可用于食用，也可用于飼料。雖然用于動物營養(yǎng)的新型SCP產(chǎn)品也需要監(jiān)管部門的批準，但過程更簡單，可以使用更多種類的生長基質(zhì)。盡管飼料用短鏈淀粉的生產(chǎn)與畜牧業(yè)相關(guān)聯(lián)，從而又與農(nóng)業(yè)相關(guān)聯(lián)，但非食用原材料的利用仍然減少了耕地的使用，提高了資源效率。
圖1 SCP微生物的碳和能源
表1不同類別SCP微生物的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
單細胞蛋白的用途
（1）作為SCP異養(yǎng)微生物來源的微生物種類
真菌SCP具有良好的脂肪、蛋白質(zhì)和纖維素(如細胞壁葡聚糖和甲殼素)的營養(yǎng)成分。盡管蛋氨酸的比例相對較低，但蘇氨酸和賴氨酸含量較高的真菌SCP的氨基酸組成總體上符合糧農(nóng)組織指南的要求。真菌SCP除了是一種極好的富含蛋白質(zhì)的營養(yǎng)來源外，還可用于改善食品的營養(yǎng)質(zhì)量和功能特性，如質(zhì)地、乳化和起泡能力。然而，也要考慮在培養(yǎng)過程中某些種類(如鐮刀菌和曲霉菌)產(chǎn)生的毒素。
真菌的有益特征之一是它們能夠利用各種有機化合物進行生長。除了創(chuàng)造增值產(chǎn)品外，這一特性還可以通過建立循環(huán)經(jīng)濟的新路徑來解決工業(yè)側(cè)流管理中的許多挑戰(zhàn)。許多利用工業(yè)側(cè)流生產(chǎn)真菌生物質(zhì)的研究已經(jīng)報道，主要用于飼料用途，如利用橘子漿、香蕉廢料、啤酒糟、馬鈴薯淀粉加工廢料和乳制品廢料進行栽培。解脂耶氏酵母是工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域常用的酵母，不僅因為它的利用各種碳源的能力強，也會產(chǎn)生脂類。2019年，解脂耶氏酵母干燥和滅活的生物量被歐洲食品安全局(EFSA)批準為新食品。
雖然真菌SCP大多是在深層發(fā)酵中產(chǎn)生的，但最近的研究表明在固態(tài)發(fā)酵種也可以實現(xiàn)SCP的生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵是指在固體存在的情況下發(fā)酵，固體通常為培養(yǎng)物提供營養(yǎng)和物理支持。與水中生產(chǎn)相比，它具有一些優(yōu)勢，如較低的能源需求和較少的廢水產(chǎn)生。固態(tài)發(fā)酵已被用于提高用作飼料的農(nóng)殘的營養(yǎng)價值和蛋白質(zhì)含量。然而，使用這種復雜的廢物材料的一個潛在風險是，微生物可能會形成有毒次生代謝物。
（2）微藻和藍藻
微藻是單細胞生物體，可以單獨生長，也可以成群生長或成鏈生長，細胞的大小各不相同，從幾微米到幾百微米。微藻具有光合作用和固定二氧化碳的能力，是重要的氧氣產(chǎn)生器，也是SCP生產(chǎn)的有利宿主。利用各種溪流(如淡水、海洋或廢水)作為營養(yǎng)源的微藻短鏈藻類生產(chǎn)特別旨在取代大豆作為飼料。此外，例如，斜生柵藻在典型的煙道氣體中表現(xiàn)出在高濃度下固定二氧化碳的潛力，在存在4.1%二氧化碳的情況下，測得的最大生物量生產(chǎn)率為590至810mg/L/d，反過來，藍藻并不是真正的藻類，但由于它們的表型和光合作用能力，它們通常被稱為藍藻，并與微藻一起分類。螺旋藻和真核小球藻是藍藻和微藻中蛋白質(zhì)含量高達50%-70%的最重要的藻類，屬于藍藻和真核小球藻，目前都被作為功能食品出售。除了高蛋白含量外，微藻和藍藻還含有其他有益的成分，如脂類、色素、小肽和維生素，從而為食品和飼料應用帶來附加值。
（3）化學自養(yǎng)和甲基營養(yǎng)
由于乙酸菌直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為菌體和蛋白質(zhì)的潛力有限，因此提出了一種利用乙酸菌生產(chǎn)SCP的兩步法。二氧化碳首先被乙酸菌還原成醋酸鹽，然后在第二個培養(yǎng)步驟中作為可食用異養(yǎng)酵母或真菌物種的碳源供應。對輸入能量的生物質(zhì)理論產(chǎn)量的計算表明，結(jié)合厭氧自養(yǎng)和異養(yǎng)生產(chǎn)的兩步工藝實際上比厭氧或好氧一步生產(chǎn)更有利。然而，工業(yè)一步法生產(chǎn)的主要焦點一直是氫氧混合氣細菌，可能是因為細胞團的產(chǎn)量較高。
減少二氧化碳所需的氫氣可以通過可再生風能、太陽能、核能或地熱能提供動力的水電解產(chǎn)生。因此，生產(chǎn)與耕地的使用無關(guān)，但原則上在任何有能源和水的地方都是可能的。二氧化碳可以來自工業(yè)廢氣，也可以通過直接空氣捕獲技術(shù)從環(huán)境空氣中分離出來。水電解和直接空氣捕集都是能源密集型過程，需要特殊設備。然而，最近的研究表明，從空氣中捕獲的二氧化碳通過光伏發(fā)電生產(chǎn)SCP，在每一塊土地上的蛋白質(zhì)產(chǎn)量方面優(yōu)于農(nóng)作物栽培。
（4）氮源
在上面的介紹中，SCP微生物根據(jù)它們的碳代謝被分成不同的類別(圖1)。蛋白質(zhì)合成所需的另一個基本成分顯然是氮。盡管生物反應器中的培養(yǎng)確保了像銨鹽這樣的營養(yǎng)物質(zhì)被細胞有效利用并且不會流失到環(huán)境中，但通過目前的Haber-Bosch工藝將元素氮減少為氨仍然是二氧化碳排放的一個相當大的來源。因此，利用具有固氮能力的微生物生產(chǎn)單細胞多糖近來引起了人們的興趣。例如，一個氣態(tài)氮同化氫氧混合氣細菌的聯(lián)合體已經(jīng)被培養(yǎng)成SCP，但其生長速度和細胞產(chǎn)量低于以氨為氮源的。在農(nóng)業(yè)中使用化肥導致環(huán)境中活性氮過量，這是造成富營養(yǎng)化的一個主要原因。因此，有人建議回收可用的活性氮，而不是從空氣中固定更多的氮。人們對開發(fā)從廢水中回收氨的技術(shù)(例如，通過氣提、離子交換、電滲析)越來越感興趣，這些技術(shù)可以與SCP生產(chǎn)結(jié)合使用。
總結(jié)
SCP發(fā)展中與細胞農(nóng)業(yè)相關(guān)的一個重要趨勢是從使用可食用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原材料過渡到使用不可食用的原材料，如單碳化合物(二氧化碳和甲烷)和不同的有機副產(chǎn)品和廢物。然而，還應考慮到用于SCP生產(chǎn)的原料的監(jiān)管方面和安全性。正如已經(jīng)指出的那樣，許多國家要求原材料有安全記錄，并不是每一種廢物都有可以作為微生物食品的底物。
此外，微生物和微藻物種作為食物的安全性和一般適宜性并不總是得到足夠的重視。復雜的混合種群，產(chǎn)生內(nèi)毒素的細菌，甚至潛在的致病物種已經(jīng)被作為SCP的來源進行了研究。毒理學問題包括微生物團塊中存在外毒素、細胞毒素和遺傳毒素，在考慮使用食物或飼料之前應進行檢查。微生物直接用作食物的一個已知障礙是它們相對較高的核酸含量，這些核酸被代謝成尿酸，這是痛風的原因之一。還應更加重視微生物和微藻生物量的營養(yǎng)方面，不僅是為了必需氨基酸的均衡分配，也是為了蛋白質(zhì)和其他成分的消化率。除了通常被強調(diào)的蛋白質(zhì)外，微生物和微藻細胞團還提供了其他重要營養(yǎng)物質(zhì)的豐富來源，如維生素、類胡蘿卜素、纖維和必需脂肪酸等。
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