2099 年，太空移民中，宇宙飛船的食堂。

“請語音輸入您今天想吃點啥？”

“剛運動完有點累，想吃一塊辣椒口味的無糖巧克力，辣度 5 萬左右，纖維素多放一點，卡路里最好不要超過 300 千焦?！?/p>

“正在為您 3D 打印食品中……”

在未來的星際旅行中，確保食物充足和營養(yǎng)豐富是第一要務(wù)，如果從一開始就將幾年甚至十幾年的食物儲備放進飛船，似乎有些不切實際。如果能夠把人類呼出的二氧化碳或產(chǎn)生的其它代謝物轉(zhuǎn)化為食物，或許能解決這些問題。

事實上，這些問題也是科學(xué)們一直在研究的。近日，我國科學(xué)家實現(xiàn)了以二氧化碳為原料人工合成淀粉，在二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物的第一步使用了化學(xué)催化的方法，后續(xù)通過各種酶的催化，進行碳鏈的延長，最終實現(xiàn)了淀粉的合成。

除此之外，也有許多研究者采用自養(yǎng)微生物（一種以二氧化碳作為主要或唯一的碳源，以無機氮化物作為氮源，通過細(xì)菌光合作用或化能合成作用獲得能量的微生物）將二氧化碳轉(zhuǎn)為有機物，而后續(xù)各種食物的合成制造，同樣也依賴于使用各類微生物的發(fā)酵工程。

微生物工程：

又叫發(fā)酵工程，指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種技術(shù)。對微生物進行生物工程改造，包括基因工程技術(shù)、轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)、合成生物學(xué)技術(shù)，以及工業(yè)化應(yīng)用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的工程等。

新一代食品發(fā)酵技術(shù)

縱觀人類發(fā)展史，其實人們早已經(jīng)開始使用微生物發(fā)酵技術(shù)，比如利用微生物釀造葡萄酒、啤酒和醬油等等。但傳統(tǒng)發(fā)酵大多依靠經(jīng)驗，使用的微生物為天然發(fā)酵菌群，其穩(wěn)定性和效率無法保證，發(fā)酵條件受自然因素影響較大，品質(zhì)也無法保證。

在某些情況下，天然微生物還會產(chǎn)生對人體健康有害的物質(zhì)，比如用于腐乳和食醋釀造的紅曲霉，在代謝過程中可產(chǎn)生一種毒性與黃曲霉毒素相似的真菌霉素 —— 桔霉素；在酸菜、 果酒、奶酪等發(fā)酵食品中，微生物脫羧氨基酸可形成生物胺等。

而隨著基因編輯、合成生物學(xué)等生物技術(shù)的出現(xiàn)，發(fā)酵工程也進入了新的紀(jì)元，將傳統(tǒng)發(fā)酵中的不確定性一一克服，逐漸進入精準(zhǔn)發(fā)酵的階段。學(xué)科之間的滲透和交叉，數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化學(xué)工程原理和計算機技術(shù)開始被用于發(fā)酵過程的研究，自動記錄和自動控制發(fā)酵過程的全部參數(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)。

食品生物工程也步入了新的發(fā)展階段，促進食品工業(yè)向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、功能化發(fā)展。

食品合成生物技術(shù)的總體技術(shù)思路是構(gòu)建特定的 “細(xì)胞工廠”，以 “車間” 的生產(chǎn)方式合成奶、肉、糖、油、蛋，以及各種食品添加劑等。設(shè)計 - 構(gòu)建 - 測試 - 學(xué)習(xí)，循環(huán)通常用于構(gòu)建具有廣泛應(yīng)用的高效細(xì)胞工廠，包括食品工業(yè)中的應(yīng)用。目前，已經(jīng)開發(fā)了各種合成生物學(xué)方法和工具來促進細(xì)胞工廠建設(shè)的設(shè)計 - 構(gòu)建 - 測試 - 學(xué)習(xí)循環(huán)，這些技術(shù)正在改革未來的食品行業(yè)。

借助食品合成生物學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)、信息技術(shù)與工程技術(shù)的革新發(fā)展，食品發(fā)酵的研究方法和發(fā)酵流程實現(xiàn)了多環(huán)節(jié)的優(yōu)化重構(gòu)，其中包括：原始菌群的分離鑒定、人工合成菌群、發(fā)酵食品中微生物代謝特性及功能解析、發(fā)酵過程的預(yù)測、發(fā)酵裝備智能化等。

圖丨食品發(fā)酵研究手段與生產(chǎn)方式的多層面重構(gòu)（來源：傳統(tǒng)與未來的碰撞：食品發(fā)酵工程技術(shù)與應(yīng)用進展［J］. 生物技術(shù)進展. 2021,11 (04)）

微生物發(fā)酵幾乎可以生產(chǎn)任何食物種類，蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、淀粉、調(diào)料、添加劑等等，例如當(dāng)前熱門的 “植物肉” 的制造方法之一就是利用微生物發(fā)酵植物蛋白，“人造奶” 也是利用微生物發(fā)酵的各類營養(yǎng)成分組合而成。

微生物發(fā)酵肉和人造奶

微生物發(fā)酵肉指的是利用合成生物學(xué)手段，即通過發(fā)酵微生物（如酵母、細(xì)菌）生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白。這些微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)含量高達 40%-80%，遠(yuǎn)超過大豆、花生等的蛋白質(zhì)。

單細(xì)胞蛋白具有多種優(yōu)勢，包括生產(chǎn)周期短，營養(yǎng)價值高，甚至超過豬肉、魚等；可進行工廠化大規(guī)模生產(chǎn)；含有人體必需的多種氨基酸，例如亮氨酸、賴氨酸、異亮氨酸等。

現(xiàn)階段，食品行業(yè)中采用的發(fā)酵技術(shù)包括傳統(tǒng)發(fā)酵和新式發(fā)酵兩種，這兩種發(fā)酵方式的差異在于目標(biāo)產(chǎn)物是微生物還是宿主。所謂新式發(fā)酵技術(shù)就是利用微生物發(fā)酵得來的主要產(chǎn)物來生產(chǎn)類牛奶蛋白。

人造奶

2014 年，美國生物科技初創(chuàng)公司 Perfect Day 基于 “細(xì)胞農(nóng)業(yè) （Cellular Agriculture）” 提出人造奶（Animal-Free Milk）概念，通過設(shè)計改造酵母細(xì)胞工業(yè)化發(fā)酵牛乳蛋白（如乳清蛋白和酪蛋白）以及相應(yīng)營養(yǎng)成分，實現(xiàn)人造乳制品的精準(zhǔn)營養(yǎng)和綠色制造。

人造奶，即合成牛奶，是將 20 種左右營養(yǎng)成分混合加工而成的類乳飲料。其主要成分包括 6 種牛奶蛋白、8 種脂肪酸、礦物質(zhì)、維生素、以及糖類，還有約 87% 的水分。通過調(diào)節(jié)其成分和配比，這種人造奶可以具有和牛奶相似的成分組成和風(fēng)味，且不含乳糖、膽固醇、抗生素和致敏原等不良因子，其生產(chǎn)過程無需養(yǎng)殖動物，可以有效節(jié)約資源與能源，是一種顛覆傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)的未來乳制品生產(chǎn)新模式，將引領(lǐng)未來食品產(chǎn)業(yè)和細(xì)胞農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。

牛奶中含有豐富的蛋白質(zhì)，成分復(fù)雜，總含量約為 3.2%，主要包括酪蛋白（casein）和乳清蛋白（lactoal-bumin）兩大部分，此外還有 40 余種其他微量蛋白，占比約為 2%。其中，除血清白蛋白、免疫球蛋白來自血液外，所有酪蛋白和乳清蛋白均為乳腺中的乳分泌細(xì)胞合成產(chǎn)物。因此，生產(chǎn)人造奶的核心步驟在于研發(fā)出與牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。

牛奶蛋白的制造流程如下圖所示：

圖丨乳蛋白組合表達細(xì)胞工廠創(chuàng)建與人造奶生物合成的技術(shù)流程（來源：乳蛋白重組表達與人造奶生物合成：全球?qū)＠治雠c技術(shù)發(fā)展趨勢［J］. 合成生物學(xué)，2021，2）

（1）科研人員首先從奶牛細(xì)胞中提取染色體，并獲得可以合成牛奶蛋白的目的基因。再在奶牛體外將目的基因與被稱為細(xì)胞質(zhì)粒的載體連接，形成重組 DNA。之后將這個重組 DNA 再轉(zhuǎn)入到酵母中，并對轉(zhuǎn)化后的酵母進行篩選，挑選出獲得重組 DNA 的個體，這些挑選出的酵母即可合成牛奶蛋白。

（2）將這種重組后的酵母置于適當(dāng)?shù)臏囟群蜐舛认逻M行工業(yè)化培養(yǎng)。酵母在數(shù)天時間內(nèi)即可產(chǎn)生足夠多的蛋白質(zhì)。最后，從酵母中進行蛋白質(zhì)精制，就可以獲得大量所需要的牛奶蛋白。

（3）為確保能夠獲得與牛奶相似的口感，還需要經(jīng)過乳化這一必要的食品加工過程。即采用乳化加工工藝、乳化劑等化學(xué)手段或高壓均質(zhì)機等機械手段可將酪蛋白和脂肪酸形成膠束，再將兩者用水包圍形成尺寸在微米左右的膠束。使酪蛋白和脂肪酸和水等形成一個均勻的體系，從而保證人造奶的顏色與均勻程度。

作為 3D 打印原料制作個人訂制食品

當(dāng)可以利用微生物生產(chǎn)任意的食物營養(yǎng)分子，人們制作食物的方式或許會有一個顛覆性的改變，例如以營養(yǎng)分子為原料，使用 3D 打印的方式制造食物。

傳統(tǒng)的食物制作方式類似于數(shù)控加工，是一種減材方式，谷物或者動物在被做成食物的過程中，一些無法食用的廢棄物如麥麩、骨頭、內(nèi)臟等都會被丟棄，而以食物分子為原料、3D 打印制作食物的方式，是一種增材方式，可以極大減少食物的浪費。

圖丨數(shù)控加工（減材）VS 3D 打?。ㄔ霾模▉碓矗?Dnatives ）

大約在 2000 年左右，3D 打印技術(shù)被引入食品領(lǐng)域，最初的打印原料是各類食物粉末，例如蛋白粉等，還沒有利用到食物分子進行打印。隨著研究的不斷深入，科學(xué)家可以利用細(xì)胞、水凝膠等制造出 3D 打印肉。

科學(xué)家們還進一步利用食物營養(yǎng)分子作為 3D 打印的原料，例如澳大利亞昆士蘭大學(xué) Bhandari Bhesh 團隊以黑巧克力、牛肉醬、豬脂肪或蛋清蛋白作為打印材料，進行巧克力、肉類和蛋白類食品的研發(fā)。

國內(nèi)，江南大學(xué)張慜教授團隊研究覆蓋了淀粉類、藻類、果蔬類、蛋白類和魚類等可使用材料的 3D 打印，通過計算機模擬、打印材料預(yù)處理和打印過程優(yōu)化實現(xiàn)了 20 多種可食用材料的精準(zhǔn)打印，并通過富含益生菌、蟲草花粉、花青素、維生素 D 等組分食材的保護性打印，獲得了 20 多款具有良好功能性的打印食品。

與普通食物相比，3D 打印食品的一個優(yōu)勢是營養(yǎng)成分可控，可以無縫整合營養(yǎng)物質(zhì)，制造個性化的食品，滿足不同情況下人們對食物的需求。

例如上文中提到的人造奶技術(shù)，可以通過添加母乳成分，讓人造奶成分更接近天然母乳，當(dāng)母親母乳分泌不足時，可以作為替代品；對于乳糖不耐受的人群來說，可以通過減少人造奶中的乳糖成分或過敏成分，以更適合乳糖不耐受人群飲用。

未來，結(jié)合計算機技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析，人們還可以將自己的健康數(shù)據(jù)上傳，軟件通過算法進行健康食譜的配比，再通過 3D 打印制作食物。運動員、宇航員、老人、兒童、孕婦以及每個人都可以通過這種方式進行個性化和數(shù)字化的營養(yǎng)定制。

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