新食品技术：帮助供养不断增长的人口的一条出路
全球人口将在2050年预计达到100亿1，粮食需求将增加。但是简单地扩张农业并不是解决办法，因为可耕地不足。新食品技术能否提供替代食物来源，并提高全球食品生产在气候影响、资源和土地利用以及整体碳足迹方面的可持续性？
供养不断增长的全球人口
当今世界，人口快速增长，全球食品系统面临诸多挑战，寻找解决温饱问题的可持续方法是最紧迫的任务之一。到2050年，全球人口预计相较2020年增长超过25%，达到约100亿人口<sup><a style="font-size: 10.0px; color: rgb(74,74,74);" title="Footnote 1" href="#footnote">1</a></sup>。然而，由于食品系统已经占据温室气体排放的三分之一以上<sup><a style="font-size: 10.0px; color: rgb(74,74,74);" title="Footnote 2" href="#footnote">2</a></sup>，并且严重依赖资源密集型的工业和农业实践，简单地扩大这些实践并以目前的速度消耗资源是不可持续的。
缺乏可耕地只是一个方面。由于人口增长很大程度上可能高度集中在非洲、南亚和东亚地区，食品安全和营养健康的饮食这些问题将成为日益关注的焦点。同时，由于过度使用水资源、土地和农业化学品，生物多样性的持续流失也是一个问题。
如何通过新食品技术解决这个问题？
也许，新食品技术为这些问题提供了一种可能的解决方案。尽管新食品的范围涵盖一系列替代蛋白技术，但在此我们主要指两种基于发酵的技术：一种是生物质发酵，即利用微生物（如真菌）制造富含营养的传统蛋白质类似物；另一种是精确发酵，即利用微生物作为“细胞工厂”创造其他功能性原料。
作为生产些替代蛋白质的一种方式，这两种方法相比目前的农业实践具有明显的优势，尤其是在减少生产所需土地方面3。与传统蛋白质相比，这些替代蛋白质生产所需的投入更少，但能提供相等的营养和热量，这意味着在整个生产链中能减少能源和其他自然资源的消耗3。但是，每种技术在其各自的气候影响和大规模采用的影响方面都有特定的考虑因素。
生物质发酵
在生物质发酵的可持续性方面，利乐的可持续发展经理Lilly Li表示：“食品饮料行业才刚刚开始学习，具体要看你生产的是什么，该过程以及随后的水、土地、能源使用和废物产生的影响都会有所不同。”
目前，真菌蛋白质生物质（霉菌蛋白质生物质）是通过生物质发酵制造的素食和纯素肉类替代品的主要成分之一。初步研究表明，用这种真菌蛋白质替代全球饮食中的牛肉可能对森林砍伐和CO2排放产生重大影响。
来源：Humpenöder, F. 等人 Nature第605卷，第90-96页（2022年）。
同样，使用生命周期分析方法对真菌蛋白质的环境影响进行分析，包括每种蛋白质产品的碳足迹、水足迹和土地利用足迹与植物和动物蛋白质等可比产品相比，结果同样令人鼓舞。
最显著的优势在于土地利用。如下图所示，与传统生产的食品产品（如牛肉碎肉、猪肉和鸡胸肉）相比，生产相同量的蛋白质所需的空间要小得多，而真菌蛋白质与瑞典牛肉碎肉相比，效率几乎高出80倍5。
来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
真菌蛋白质在生产成品蛋白质时所需的每公斤水量（L/kg）也更少——对于一家领先的真菌蛋白质生产商而言，这个数字仅为31升/千克，与豆腐相比节约62％，与大豆相比节约71％，与瑞典牛肉碎相比节约84％6。
来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
总体而言，这意味着真菌蛋白质的总碳足迹（定义为从“发源地到加工关口”整个生产过程中释放的所有温室气体）大大降低，主要真菌蛋白质生产商每千克的碳足迹仅为0.79千克二氧化碳当量。与鸡胸肉相比，碳足迹降低82%；与猪肉相比，降低92%；与瑞典牛肉碎肉相比，降低98%7。
来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
精确发酵
利乐的食品技术经理Ashish Acharya表示，精密发酵有两个明显的领域，需要分别考虑：用于生物材料和生物制药行业的应用，以及用于生成新食品成分。“精确发酵并不是新技术，多年甚至几十年来一直被用于生产或收获稀有或复杂的成分，否则这些成分将消耗大量资源或无法自然获得。”他说。例子包括许多不同的食品成分和营养产品，例如凝乳酶的关键成分蛋白酶（用于奶酪生产），以及人乳中的寡糖（婴儿营养的重要组成部分）。
“其中一些发酵过程非常耗水和耗能，但对于寡糖等某些物质，自然规模化生产是不可能的。当然，我们可以研究回收热能、净化废水和部署其他先进技术，使过程更加高效，但目前对于这些成分并没有其他的生产替代品。”
然而，就牛奶和动物蛋白的生产而言，精密发酵正变得越来越重要，包括从可持续性角度来看。“工业农业实践导致森林砍伐、温室气体排放不断增加，精密发酵可以帮助解决其中一些问题。”Acharya说。“以牛奶蛋白质为例，未来随着精密发酵的进一步发展，将不需要那么多奶牛，这意味着不需要那么多土地或水，也不需要那么多饲料，甚至不需要更多的土地来种植饲料。同时还能减少与牛有关的甲烷气体排放，甲烷是一种比CO2影响大25倍的温室气体8。”
对于牛肉来说情况也是一样，Acharya表示：“从气候变化的角度来看，牛肉被认为是影响最大的产品”9，还有其他动物蛋白质。大规模应用精密发酵和生物质发酵意味着我们可以从不同方面显著减少生产链中的气候影响，如森林砍伐、动物用水和放牧所需的土地和饲料种植。
处理废弃物和副产品
精确发酵和生物质发酵产生废弃物和副产品，这些因素在评估该过程的整体气候影响时需要考虑 。“它产生了相当多的气体，生物质发酵也是如此，”Acharya说。“在大多数情况下，产生的是二氧化碳，但也可能产生其他气体，具体取决于生产的化合物、发酵类型以及所使用的微生物种类。” 随着生物技术的进步，也许将来这些气体可以被提纯或作为碳原料重新送入生产循环——目前这一领域正在进行大量研究10。
还有废弃微生物的问题，以及如何处理这些废弃物。精确发酵涉及对使用的微生物进行基因组修改，因此对于产生的废弃物有严格的监管框架。
“据Acharya介绍，“您添加浓缩氢氧化钠并将pH值提高至>11，从而中和并变性/分解所有DNA。” 并且根据特定转基因生物的遏制级别，废弃物的处理方式有所不同，但最终目标都是一致的——确保没有活性遗传物质被释放到环境中11。
利乐的设备安全专家Christina Schornack表示，“对于遏制级别较低的GMO，可以通过化学消毒和/或热处理来杀灭GMO。” 她说：“遏制级别规定了处理程序的要求12，这样可以保护与病原体工作的人员、更广泛的社区以及环境，在废物处理方面尤其如此。”
此外，Lilly Li补充道：“转基因生物废弃物需要接受全面的生命周期评估，尤其需要评估其对生态系统和人类的潜在毒性风险。” Li表示，关于此类废物流的回收再利用也正在研究中，特别是针对生物质发酵的研究。“从生物质发酵废物流中重新利用，并从中回收大量水的潜力非常巨大，”她说。“我们预计在未来几年中，研究和开发将更多地将循环概念融入到工艺设计中，我们将看到更多的成果。”
目前，关于传统生产产品与含有精密发酵蛋白质的产品之间的直接比较的数据非常有限。Acharya表示：“这种成分的生产方法仍处于起步阶段，但正在迅速发展。因此，对用于生产个别成分（如牛奶蛋白质）的过程进行了生命周期评估，但牛奶蛋白只是最终产品中的一种化合物，并未涵盖使用精密发酵生产的牛奶的完整组分。”
但对于Acharya来说，精确发酵和生物质发酵的潜力似乎是明确的。他说：“这种可能性是巨大的，特别是当你考虑到创造功能性食品——即生产营养优越的蛋白质，避免蛋白质过敏的产品时。相比在目前条件下生产蛋白质成分时的产量及其带来的效益，未来的五年左右，我们将使发酵过程的效率（以及产量）提高五到六倍——然后我们将看到规模化商业化的同时发生。这将是一场革命。”
相关链接
脚注：
- 来源：https://sdg.iisd.org/news/world-population-to-reach-9-9-billion-by-2050/
- 来源：https://www.unido.org/stories/new-research-shows-food-system-responsible-third-global-anthropogenic-emissions
- 来源：https://gfi.org/blog/regenerative-agriculture-and-alternative-proteins/
- 来源：Humpenöder, F.等人 Nature第605卷，第90-96页（2022年）。
- 土地占用着重于生产成品所需的物理面积。对于肉类制品来说，主要涉及畜禽饲养的土地（例如畜禽生活所需的区域）以及用于种植畜禽所需饲料的土地。土地占用以每公斤成品蛋白质或食物中蛋白质所需土地面积（m2a/kg）为计量单位。
数据来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - 总水量是指生产成品所需过程中使用的全部水量。这包括动物消耗的水（例如畜禽饮用的水）、用于生产饲料和种植作物的水以及加工过程中消耗的水。水足迹以每公斤成品蛋白质产品所需水的升数（L/kg）为计量单位。
数据来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - 测量单位是二氧化碳当量（CO2e）。CO2e是评估各种温室气体（如二氧化碳和甲烷）对全球变暖促进作用的参考单位。碳足迹以每公斤成品蛋白质或含蛋白质成品所排放的二氧化碳当量（kg CO2e/kg）为计量单位。
数据来源：Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf；Quorn Sustainability-Report-2022.pdf，Mycorenaimpact report 2022；J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - 来源：https://www.epa.gov/gmi/importance-methane#:~:text=Methane%20is%20more%20than%2025,due%20to%20human%2Drelated%20activities
- 来源：https://www.nature.com/articles/s43016-021-00358-x
- 来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S095816692200057X
- 来源：DNA的碱性变性 Biophys J. 1969年11月；9(11): 1281–1311。
- 参考2009年5月6日欧洲议会和理事会指令2009/41/EC关于对转基因微生物的封闭使用。