预计到 2050 年，全球人口将接近 100 亿。随着人口增长，为所有人生产足够食物的需求也随之增加。畜牧业和大豆等传统蛋白质来源需要消耗大量土地、水和能源，同时还会产生温室气体（GHG）排放，给环境带来额外压力。
这些温室气体的累积会加速气候变化，给农业系统带来额外压力，威胁粮食安全。因此，我们面临双重挑战：一方面需要生产更多蛋白质以满足日益增长的需求，另一方面需要减少食品系统的环境足迹。
微生物提供的答案
微生物在利用碳和能量并将其转化为生物质方面效率极高。微生物代谢极为多样，视微生物种类不同，细胞可以利用糖类等物质，或甲烷、氢气、二氧化碳和一氧化碳等气体（气体发酵）。这种能力意味着它们甚至可以将温室气体转化为有机物，实际上是将排放物用作原料。
与传统蛋白质来源相比，微生物生产所需的土地和水资源要少得多，因而
更加环保。生物反应器可维持受控条件，从而减少气候或地理因素的影响，提高工艺的可放大性和可靠性。此外，它还提供了一条减少而非增加温室气体排放的途径。因此，我们可以在生产食品的同时，助力应对全球变暖。
什么是单细胞蛋白？
“单细胞蛋白”（SCP）又称“微生物蛋白”（MP），是指可食用的微生物细胞。它可以是细菌、酵母、真菌或藻类的纯培养物或混合培养物，其生物质或蛋白提取物可用作富含蛋白质食品的配料或替代品。微生物的优势在于生长迅速，在适宜条件下可达到很高的细胞密度。培养完成后，可收获生物质并加工成适用于食品或饲料的高蛋白粉末。SCP 要适合食用，不仅需要具备较高的营养价值，还需要较低的核酸含量（约 8–12%），因为核酸会导致肾结石和痛风等健康问题。此外，经济可行性（包括原料可行性、可放大性和加工）是决定产品能否成功的根本因素。
SCP 的蛋白质含量通常占干重的 50–80%，并富含必需氨基酸。SCP 有多种用途：
- 动物饲料：在传统饲料来源资源消耗大的水产养殖和畜牧业中尤其有价值。
- 人类食品：从膳食补充剂到肉类替代品
- 其他应用包括为特定药物或营养用途生产定制的氨基酸谱
生产在生物反应器中进行，pH、温度、溶解氧或气体流量等物理化学参数均受到严格监测和控制。对于研究人员而言，H.E.L 集团 BioXplorer 等台式系统为优化这些参数提供了灵活的平台，为测试新的微生物菌株和探索原料提供了理想条件。精确控制和实时监测有助于获得可重复的结果和批次间的一致性。
Banks, M., Johnson, R., Giver, L., Bryant, G. & Guo, M., 2022. Industrial production of microbial protein products. Current Opinion in Biotechnology, 75, p.102707. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2022.102707
当前应用：已投入使用的微生物与产品
过去几年间，SCP 生产蓬勃发展，多种微生物和多家企业正在抢占市场。用于生产 SCP 的微生物多种多样，各具独特优势：
- 细菌
- Cupriavidus necator（钩虫贪铜菌）能够利用氢气和 CO₂，是气体发酵工艺的有力候选菌株。
- Methylococcus capsulatus（荚膜甲基球菌）是一种甲烷氧化菌，已被用于生产动物饲料。Calysta 和 Unibio 等公司正在开创甲烷制蛋白平台
- 酵母
- Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母，即酿造用酵母）和 Candida utilis（产朊假丝酵母）在发酵和食品生产领域历史悠久。凭借其强健性和公认的安全性，它们至今仍是重要的 SCP 候选菌株。
- 藻类
- Chlorella（小球藻）和 Spirulina（螺旋藻）等物种已作为膳食补充剂商业化销售。它们富含蛋白质，并含有有价值的色素和脂肪酸，但其大规模培养仍面临成本挑战。
- 真菌
- Fusarium venenatum（威尼斯镰刀菌）是知名肉类替代品 Quorn™ 背后的微生物。这一成功案例展示了真菌 SCP 进入主流消费市场的潜力。
多家公司一直在推动微生物蛋白的发展：
- Solar Foods 生产 Solein®，这是一种由 CO₂ 和氢气制得的蛋白质，以“空气蛋白”为卖点进行推广。
- LanzaTech 利用气体发酵技术将工业废气转化为燃料和化学品，同时也在探索蛋白质应用。
- Calysta 专注于甲烷基 SCP，为水产养殖生产高蛋白饲料原料。
这些例子证明，微生物发酵在当前市场上正日益普及，在饲料和食品领域的发展势头都在不断增强。
Banks, M., Johnson, R., Giver, L., Bryant, G. & Guo, M., 2022. Industrial production of microbial protein products. Current Opinion in Biotechnology, 75, p.102707. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2022.102707
气体发酵与 SCP 的未来
单细胞蛋白日益受到关注，前景十分广阔。气体发酵技术的进步，以温室气体为原料，再结合可再生能源的使用，指向一种可持续的体系：CO2 和绿氢可被转化为蛋白质。这代表着现有范式的转变：食品生产将摆脱对农田的依赖，不受气候影响，并且可持续。
然而，前进的道路并非没有挑战。放大气体发酵需要解决技术问题（例如气液传质），并确保产品质量稳定。监管审批也至关重要，对于人类食品应用尤其严格，这也是理所当然的。尽管如此，发展方向已经明确：微生物蛋白将在全球食品体系中发挥越来越重要的作用。
对于研究人员和开发人员而言，有助于开展精确实验和放大工艺的工具至关重要。生物反应器平台为此提供了理想环境，可在其中对气体发酵进行测试、优化和放大，以实现工业规模应用。
结论
养活不断增长的人口是一项多方面的挑战：空间和资源有限、气候条件多变、地球持续变暖，使这一问题更加复杂。微生物发酵提供了一种引人关注的解决方案：在优化有限资源的同时，从大气中移除碳并生产蛋白质，从而减轻气候变化的影响。借助单细胞蛋白，我们只需传统方法所需资源的一小部分，即可生产营养丰富、可持续的食品和饲料。
从以甲烷为食的细菌，到已成为优质肉类替代品的真菌，微生物不断证明其作为可持续蛋白质工厂的价值。全球各地的企业正在证明这一方式可以实现规模化和商业化，而研究人员也在持续探索新的菌株、原料和生物反应器设计。
展望未来，仍有许多创新有待实现，这需要投资作为基础、合作作为支撑。但其潜力非同寻常：在未来，养活人类与保护地球将相辅相成。而这一变革的核心，正是微生物以及帮助我们驾驭微生物的技术。