科技进展
《中国食品学报》:微生物替代蛋白生物制造:进展与展望
2022-07-21 12:16 新闻来源:中国食品科学技术学会 浏览人次:

本期介绍江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队(第一作者:刘延峰)发表在《中国食品学报》第22卷第6期特约专栏(新型蛋白专栏)上的文章《微生物替代蛋白生物制造:进展与展望》。

微生物替代蛋白为可持续蛋白供给提供重要支撑

食物蛋白是人类最重要的营养素。然而,现有的蛋白质获取大量依赖于养殖业,存在环境污染较严重、土地占用和水耗较多的问题,面临难以满足人口持续增长和生活水平不断提升对蛋白质需求增长的巨大压力。传统蛋白质生产方式不仅无法满足人类未来生活需求,而且难以达到环境友好和资源节约,亟需创新和发展大规模、低成本、可持续的蛋白质生产方式。习近平总书记在2022年“两会”期间指出,“要树立大食物观”“发展生物科技、生物产业,向植物、动物、微生物要热量,要蛋白”。针对可持续、健康地满足全球日益增长的蛋白质需求,寻找可持续的蛋白来源是有效、可行的解决办法,是未来食品科技研发的重要方向。

微生物蛋白可利用更少的资源产出更多的蛋白质来源,具有制造效率高并且二氧化碳排放少的优势。作为重要的替代蛋白,微生物蛋白的高效制造和规模化应用是实现可持续蛋白供给的重要途径。高效微生物蛋白制造一方面可以保障蛋白供给数量,保障国家发展和食物安全;另一方面,通过微生物制造获得高品质蛋白能够保障蛋白供给质量,满足人们对美好生活的需求。高品质蛋白主要体现在营养与功能性质方面,包括蛋白氨基酸组成与人体氨基酸模式相接近,蛋白性质能够提升食品的感官品质,并且调控食品及组分在制备、加工、储存和销售过程的物理特性。建立基于微生物蛋白高效生物制造的食品蛋白资源供给体系,对于保障国家食品蛋白供给安全,助力国家“碳达峰”和“碳中和”达成,具有十分重要的战略地位。

未来微生物替代蛋白制造重点研究方向

为了进一步提升微生物蛋白制造效率,提升微生物蛋白的品质,实现微生物蛋白低成本和大规模生产,微生物蛋白相关研究需从以下4个方面进一步加强:

1)高效构建蛋白生产的细胞工厂:基于元件挖掘、途径调控、系统优化等策略,建立芽孢杆菌、酵母、霉菌等蛋白生产的高效细胞工厂。

2)提升细胞生产蛋白效率:解决目标蛋白在不同细胞中高效合成与分泌问题;精准调控与优化细胞代谢与细胞组分,提升蛋白产量;设计与重构代谢模块,提高底物碳氮利用效率和能量代谢效率,提升蛋白得率;开展适应性进化与超高通量筛选相结合,获得生长速率提升的菌株,提升蛋白生产强度。

3)蛋白质资源的低成本和大规模生产:在解决表达系统的抗逆性与稳定性的基础上,建立目标蛋白高效、大规模、低成本生产的关键核心技术体系;筛选、挖掘抗逆元件,改善表达系统稳定性;通过功能蛋白高效表达系统进行功能模块间作用机制解析和挖掘;借助发酵工程优势平台,实现功能蛋白大规模、低成本生产,最终实现特定目标蛋白的大规模、低成本生产,建立食品领域蛋白生产的完整技术体系。

4)蛋白功能解析与特定蛋白生产:在确定未来食品中特定功能蛋白的组成和重大需求基础上,解析其发挥特定功能的核心结构,创新功能蛋白理性设计体系,设计并建立具有特定新功能蛋白的普适性新方法和新技术,获得决定特定功能的核心结构及分子折叠基础,揭示决定特定功能的构效关系及作用机理;特定功能蛋白需求的理性定向设计以获得性能提升的蛋白资源;解析和发现决定蛋白功能的新分子机制,开发设计和强化蛋白特定功能的普适性方法,以获得一系列特定功能得到显著提升的目标蛋白。


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