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

2.1  微藻

微藻被认为是弥补“蛋白质缺口”最有效的原料，是微生物蛋白的一种重要来源。微藻粗蛋白含量约30%～80%，其蛋白质含量和氨基酸组成严格依赖于物种和培养条件。不同物种的蛋白含量不同，如小球藻（Chlorella vulgaris）蛋白含量在约51%～58%；钝顶节旋藻（Arthrospira platensis）蛋白含量约60%～71%；周氏扁藻（Tetraselmis chui）蛋白含量约31%～46%。多种微藻蛋白质含量高于脱脂牛乳、豆粉、鸡肉、鱼等。就营养价值而言，目前常用微藻蛋白质的氨基酸组成属于世卫组织/粮农组织定义的优质蛋白质范畴。除了高蛋白质含量外，微藻还含有其他有益成分，如DHA、色素、小肽和维生素，提升其作为食品和饲料来源的附加值。同时微藻源蛋白还具有一些优良的加工特性，如良好的凝胶和乳化特性。

与植物相比，微藻生长迅速，无论是全细胞生物量还是作为替代蛋白原料，均具有较高的应用潜力。目前全球自养微藻市场规模约30 000 t，主要培养的微藻有7 种。然而，被批准作为新资源食品的微藻菌株和成分则十分有限，目前只有6 种微藻和4 种微藻基组分被批准作为新食品原料。多种新型微藻食品应用均基于钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）和小球藻蛋白，这些藻类的食品消费历史悠久。其中螺旋藻的生产最为成功，其也是目前生产微藻蛋白的主要菌株。近期朱氏四爿藻（Tetraselmis chuii）已经被批准为新资源食品，而眼点微拟球藻（Nannochlotropsis oculata）也正在申请新资源食品。

2.2  真菌

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。

2.3  细菌

目前用于微生物单细胞蛋白生产最常见的细菌有紫光合细菌和氢氧化细菌。氢氧化细菌种类丰富且分布十分广泛，目前研究较多的菌种有真养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus）、罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha）。氢氧化细菌能够利用H₂和O₂作为电子供体和受体，快速固定CO₂，并吸收氮合成蛋白质，氢氧化细菌生产微生物蛋白的优点在于其来源广、生产周期短、产率高。细菌蛋白具有均衡的氨基酸组成以及含有多种维生素（如VB₁、VB₂、VB₆、VB₁₂）。研究表明氢氧化细菌蛋白中含有一定量的聚β-羟基丁酸酯，该物质对水产养殖中的致病菌具有潜在的抑制作用，并具有一定的益生潜力。紫光合细菌分为紫色硫细菌和紫色非硫细菌，可用于回收环境废弃物中的有机物，生产高附加值细菌蛋白等产品。紫光合细菌代谢途径多样，既可以在有、无光照条件下进行合成代谢，又可以在自养、异养两种途径下生长。目前紫光合细菌生产的蛋白粉主要作为水产养殖饲料用于替代鱼粉，但是在食品领域中应用较少。

3  微生物蛋白的应用现状

3.1  在饲料中的应用

随着粮食原料价格的上涨，饲料蛋白资源严重缺乏，畜禽养殖成本快速升高。由于微生物蛋白饲料具有原料来源丰富、营养价值高、生产周期短、生产效率高等优点，可进行工业化生产且不受地区、季节和气候的限制，微生物蛋白作为饲料蛋白缺口的替代和有机补充而受到广泛关注和研究。酵母蛋白是目前研究最深入、应用最广泛的一种微生物蛋白，在饲料中添加适量酵母蛋白可以改善饲料的适口性，增加动物进食量，同时提高饲料转化效率。因此，利用微生物生产饲用菌体蛋白可在一定程度上缓解我国饲料资源紧缺的现状，目前已有多种微生物蛋白应用于饲料生产。

3.2  在传统食品中的应用

微生物蛋白作为一种高品质蛋白质的替代来源，目前也逐渐用于食品生产。微生物蛋白自身具有较高的营养价值，富含人体所需的多种氨基酸、维生素，多糖含量也较丰富，同时一些菌种及其发酵代谢产物已被长期用于食品生产和加工，例如酵母菌及其发酵产物可以直接添加到其他食品中，用于天然调味物质和鲜味物质，增强食品的滋味和香味。研究表明，微生物蛋白含有丰富的蛋白质及多种维生素和无机盐，是一种营养较为全面的理想蛋白质来源，将其掺入面条、饼干、饮料、乳制品中，可以提高这些传统食品的营养价值；微生物蛋白还常作为食品添加剂，用以补充蛋白质、DHA、维生素、矿物质等。

4  微生物蛋白作为未来替代蛋白肉原料的应用前景

与传统畜牧业的生产方式相比，替代蛋白肉生产效率高、能耗和温室气体排放低。根据原料和工艺的不同，目前关注较多的为细胞培养肉和植物蛋白肉。细胞培养肉尚处于实验室阶段，生产成本相对较高，技术壁垒极高，规模化生产困难；植物蛋白肉目前已具备一定的市场基础，产品种类较多。此外，植物蛋白虽然氨基酸组成相对均衡，但部分植物蛋白肉品质相对动物蛋白肉仍明显不足。植物蛋白虽然来源广泛，但依然需要土地种植，在目前土地资源紧缺的情况下，寻找和开发植物蛋白的补充资源显得尤为重要。微生物蛋白因其来源极为丰富，如细菌、酵母菌、霉菌等均能利用多种碳源、氮源通过生物发酵途径来合成蛋白质，且生产效率高、产量大、蛋白品质好，逐渐成为目前替代肉的一种理想蛋白原料。

目前微生物蛋白质可用于制造“人造肉”等新型食品，例如威尼斯镰刀菌可用于生产肉类替代品QuornTM。微生物不仅可为机体提供高品质蛋白质，还可以作为人体其他关键营养素的一种重要来源，如维生素、类胡萝卜素、纤维、必需脂肪酸等。同时，利用微生物细胞工厂生产血红素和血红蛋白也对替代蛋白肉的加工具有重要意义。血红素是决定肉品风味、色泽的一种重要因素，也是制约替代蛋白肉发展的关键。目前，通过合成生物学手段构建血红素细胞工厂已经成为血红素生产的主要方法。如美国Impossible Foods公司以毕赤酵母（Pichia pastoris）作为底盘细胞，将血红素合成途径进行系统改造制备血红素。因此，利用微生物发酵不仅可以得到微生物蛋白，用于植物蛋白和动物细胞培养肉蛋白资源的有效补充，也可以为替代蛋白肉的加工和生产提供关键配料，进而解决食品原料和生产方式过程中的不可持续问题，实现更安全、更营养、更健康优质蛋白原料的获取。

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。

目前，微生物蛋白的开发流程如图2所示，包括微生物菌种挖掘、发酵培养、蛋白收集和蛋白功能评价等步骤。通过传统育种和合成生物学育种技术的结合，可以改善微生物菌种的性能，提升微生物蛋白的产量，挖掘获得高效的微生物细胞工厂。在生产过程中培养条件对微生物蛋白的蛋白含量、氨基酸组成、毒素以及核酸含量均有较大影响。通过优化培养条件和开发新型蛋白分离收集技术，可以调控氨基酸的组成、蛋白质功能特性，同时降低核酸含量和有害物质等。因此，系统研究和开发新型微生物菌种、发酵培养和蛋白收集技术，进而实现对微生物蛋白生产的高效精准控制，对于提升微生物蛋白的营养价值、降低微生物蛋白的生产成本具有重要意义。

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。

扫码即可下载全文

长按图片即可识别二维码

团队简介

魏雪团  副教授

华中农业大学食品科学技术学院

魏雪团，男，工学博士，华中农业大学副教授，博士生导师，首届硕彦计划青年英才A岗获得者。2013年于中国科学院过程工程研究所生物化工专业获工学博士学位。长期致力于合成生物学和细胞工厂相关研究，聚焦食品级芽胞杆菌，通过自然筛选、酶工程、代谢工程、合成生物学等手段，解析食品级芽胞杆菌关键分子基础，发展新型合成生物学平台技术体系，选育高效微生物菌种资源，建立高产发酵提取工艺，开发菌剂、酶制剂、代谢物产品，服务食品、烟草、饲料、生物医药等国家重大战略需求和行业需求。累计发表各类学术论文60余篇；申请或授权发明专利30余项；曾主持国家自然科学基金、湖北省重点研发计划青年科学家项目、国家烟草专卖局中国烟草总公司重点研发计划课题、国家重点研发计划子课题、湖北省自然科学基金等课题20余项。任国家自然科学基金委、教育部学位中心及湖北、广东、江西省科技厅评审专家，任Journal of Chemical Technology and Biotechnology编委，任生物化工青年学者工作委员会委员。

主要研究领域：食品发酵菌种改良与代谢调控。

团队成员介绍

代表性科研成果

[1] Dian Zou, Ziyue Zhao, Lu Li, Yu Min, Daiyuan Zhang, Anying Ji, Cong Jiang, Xuetuan Wei*, Xian Wu. A comprehensive review of spermidine: Safety, health effects, absorption and metabolism, food materials evaluation, physical and chemical processing, and bioprocessing, Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2022，21, 2820– 2842. DOI: 10.1111/1541-4337.12963. (通讯作者，IF 12.811，1区)

[2] Lu Li, Dian Zou, Anying Ji, Yuxuan He, Yingli Liu, Yu Deng, Shouwen Chen, Xuetuan Wei*. Multilevel Metabolic Engineering of Bacillus amyloliquefaciens for Production of the Platform Chemical Putrescine from Sustainable Biomass Hydrolysates, ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020, 8, 2147-2157 (通讯作者，IF 8.198，1区)

[3] Liying Ruan^#, Lu Li^#, Dian Zou, Cong Jiang, Zhiyou Wen, Shouwen Chen, Yu Deng*, Xuetuan Wei*. Metabolic engineering of Bacillus amyloliquefaciens for enhanced production of S-adenosylmethionine by coupling of an engineered S-adenosylmethionine pathway and the tricarboxylic acid cycle. Biotechnology for Biofuels. 2019, 12, 211. (共同通讯作者，IF 6.04，1区)

[4] Yu Deng^#*, Ning Ma, Kangjia Zhu, Yin Mao, Xuetuan Wei*, Yunying Zhao.  Balancing the carbon flux distributions between the TCA cycle and glyoxylate shunt to produce glycolate at high yield and titer in Escherichia coli. Metabolic Engineering. 2018, 46, 28-34. (共同通讯作者，IF 9.783，1区)

[5] Dian Zou, Lu Li, Yu Min, Anying Ji, Yingli Liu*, Xuetuan Wei*, Jing Wang,  Zhiyou Wen. Biosynthesis of a novel bioactive metabolite of spermidine from Bacillus amyloliquefaciens: gene mining, sequence analysis, and combined expression. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2021, 69, 267-274. (IF 5.279，1区)

[6] Dian Zou^#, Yu Min^#, Yingli Liu, Xuetuan Wei*, Jing Wang*. Identification of a Spermidine Synthase Gene from Soybean by Recombinant Expression, Transcriptional Verification, and Sequence Analysis. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020, 68, 2366-2372. (IF 5.279，1区)

[7] Chenlu Hong, Yangyang Chen, Lu Li, Shouwen Chen, Xuetuan Wei*. Identification of a key gene involved in branched-chain short fatty acids formation in natto by transcriptional analysis and enzymatic characterization in Bacillus subtilis. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2017, 65, 1592-1597. (IF 5.279，1区)

[8] Lu Li, Xiaoxue Wen, Zhiyou Wen, Shouwen Chen, Ling Wang*, Xuetuan Wei*. Evaluation of the biogenic amines formation and degradation abilities of Lactobacillus curvatus from Chinese bacon. Frontiers in Microbiology. 2018, 9:1015  (共同通讯作者，IF 5.64，2区)

[9] Lu Li, Dian Zou, Liying Ruan, Zhiyou Wen, Shouwen Chen, Lin Xu, Xuetuan Wei*. Evaluation of the Biogenic Amines and Microbial Contribution in Traditional Chinese Sausages. Frontiers in Microbiology. 2019, 10:872  (通讯作者，IF 5.64，2区)

[10] Dian Zou, Changwen Ye, Yu Min, Lu Li, Liying Ruan, Zhifan Yang, Xuetuan Wei*, Production of a novel lycopene-rich soybean food by fermentation with Bacillus amyloliquefaciens, LWT-Food Science and Technology, 2022, 153,112551. (通讯作者，IF 4.952，1区)

[11] Weijie Chen, Lu Li, Changwen Ye, Ziyue Zhao, Kuo Huang, Dian Zou, Xuetuan Wei, Efficient production of extracellular alkaline protease in Bacillus amyloliquefaciens by host strain construction, LWT, 2022, 163, 113620. (通讯作者，IF 4.952, 1区)