細菌造蛋白：科學家嘗試從空氣中獲取食物

這種說法聽起來難以置信，但這恰好是某些生活在土壤中的細菌的生存方式。在自然界中，這些“自養(yǎng)”微生物以氧氣、氮氣、二氧化碳和水蒸氣為食，直接從空氣中獲取資源。在實驗室中，它們也這樣運作，通過消耗廢棄的碳快速繁殖，填滿大型發(fā)酵罐。經(jīng)過抽取和脫水處理后，這些細菌的生物質(zhì)變成富含蛋白質(zhì)的粉末，不但營養(yǎng)豐富，而且?guī)缀蹩梢詿o限再生。

麗薩·戴森是一家名為空氣蛋白質(zhì)的公司的創(chuàng)始人。談到公司創(chuàng)辦的靈感，她常引用20世紀60年代美國國家航空航天局的研究。當時美國國家航空航天局希望在長途航行中為宇航員提供細菌食品，但最終因不符合心理接受度而放棄了。“地球其實就像一艘飛船，”戴森在2016年的一次TED演講中說，“我們空間和資源有限，必須找到更好的碳循環(huán)方式?！边@些細菌會是答案嗎？

目前，這個答案尚不確定。全球約有25家公司在挑戰(zhàn)如何將大量的二氧化碳轉化為富有營養(yǎng)的“空氣蛋白”。這些公司希望能夠創(chuàng)造一種比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)排放更低的食物來源，甚至可能徹底改變農(nóng)業(yè)。但要實現(xiàn)這個目標，他們面臨諸多挑戰(zhàn)，比如需要大規(guī)模生產(chǎn)蛋白質(zhì)來實現(xiàn)商業(yè)化，同時避免增加更多的排放或環(huán)境問題。此外，他們還需解決消費者對于細菌食品的抵觸情緒。

一些公司專注于工業(yè)動物飼料、魚粉和寵物食品，這些產(chǎn)品利潤較低，但消費者要求相對較少，監(jiān)管障礙也更少。然而，真正的利潤和影響力在于人類食品。這也是像戴森的空氣蛋白質(zhì)這樣的公司將重點放在這個領域的原因。2023年，該公司在加州圣利安卓開設了首個“空氣農(nóng)場”，并宣布與全球最大的農(nóng)業(yè)商品貿(mào)易公司之一ADM達成戰(zhàn)略合作，共同開展研發(fā)，并計劃建立更大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)工廠。公司研發(fā)的“空氣雞肉”（實際上并非真正的雞肉）正逐步走向商超貨架和餐桌。

替代蛋白

從環(huán)境角度來看，微生物蛋白的優(yōu)勢顯而易見：它在土地、能源以及供養(yǎng)人口方面有明顯的優(yōu)勢。全球蛋白質(zhì)需求已達到歷史新高，預計到2050年人口將增長至97億，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以滿足需求，尤其是在應對氣候變化、土壤退化和疾病的挑戰(zhàn)時。此外，全球中產(chǎn)階級的擴大預計將增加肉類消費，但工廠化養(yǎng)殖的肉類是溫室氣體排放的主要來源之一。盡管像大豆這樣的高蛋白替代品更為環(huán)保，但目前大部分大豆被用作動物飼料，而非人類食品。

相比之下，細菌“作物”可以直接將二氧化碳轉化為蛋白質(zhì)，所需土地和水資源更少。微生物蛋白“農(nóng)場”可以全年在任何可獲得廉價可再生電力的地方運行，甚至在像智利阿塔卡馬沙漠這樣幾乎無法進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)。這將減輕農(nóng)業(yè)用地的壓力，甚至可能為土地回歸自然提供機會。

芬蘭初創(chuàng)公司太陽能食品的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術官皮特卡寧在一段公司視頻中解釋道：“我們正在將食品生產(chǎn)從農(nóng)業(yè)的限制中解放出來?！?024年4月，太陽能食品公司在距赫爾辛基機場不遠的萬塔開設了一個示范工廠，名為1號工廠，計劃每年生產(chǎn)約160噸其獨特的黃色蛋白粉Solein，以證明其商業(yè)可行性。

像空氣蛋白質(zhì)公司一樣，太陽能食品公司的生產(chǎn)過程始于天然存在的氫氧化細菌，這些細菌代謝二氧化碳的方式類似于植物。細菌在類似于釀酒工業(yè)中的發(fā)酵罐中，靠水和穩(wěn)定供應的二氧化碳、氫氣以及氮、鈣、磷、鉀等營養(yǎng)成分得以繁殖。當它們大量繁殖時，逐漸使水變得濃稠，隨后將其連續(xù)抽取并脫水，得到可以用于替代肉類、乳制品和零食的蛋白質(zhì)粉末。

在太陽能食品的年度公司夏日聚會上，內(nèi)部廚師用Solein制作了明亮的黃色千層面。皮特卡寧說，這種粉末非常適合制作新鮮意面，還能出人意料地替代冰淇淋中的奶油。Solein富含類胡蘿卜素，因此味道帶有“胡蘿卜味”，并含有豐富的維生素B12和可被人體吸收的鐵，特別適合素食者。然而，這一產(chǎn)品并非直接替代牛奶、雞蛋或肉類，而是作為一種營養(yǎng)價值、成本和口感競爭的成分。皮特卡寧表示，公司最大的競爭對手不是其他新型蛋白，而是豆粕。

名稱各異的發(fā)酵工藝

空氣蛋白質(zhì)公司和太陽能食品公司所處的領域非常新，以至于尚未形成統(tǒng)一的稱呼。有人形象地稱其為“細胞農(nóng)業(yè)”，也有稱為“氣體發(fā)酵”或“生物質(zhì)發(fā)酵”，分別強調(diào)其工藝或最終產(chǎn)物。這些術語不同于“精準發(fā)酵”，后者是一種利用基因改造的酵母或細菌生產(chǎn)與動物蛋白相同的工藝。精準發(fā)酵并非新技術：美國食品和藥物管理局早在1982年就批準其用于胰島素生產(chǎn)，現(xiàn)今80%的干酪凝乳也是通過這種方法生產(chǎn)的，避免了從小牛胃中提取酶。

與其引導微生物生產(chǎn)我們已熟悉的動物蛋白，像空氣蛋白質(zhì)和太陽能食品這樣的公司提議跳過中間環(huán)節(jié)，直接將微生物干燥成粉末食用。這種新的發(fā)酵技術生產(chǎn)的微生物質(zhì)富含纖維、維生素且用途廣泛。更重要的是，這些細菌以碳為食，幾乎不需要土地和水，也不需要化石燃料衍生的肥料。據(jù)赫爾辛基大學和芬蘭自然資源研究所的一項生命周期分析，微生物蛋白的生產(chǎn)效率比動物蛋白高53%～100%。

當然，這樣的數(shù)值區(qū)間較大。芬蘭的電力組合偏向水電和風能等可再生能源；在以化石燃料為主的國家，Solein或其他微生物蛋白的生產(chǎn)對環(huán)境的影響可能會更高。

幾乎全球所有人為制造的氫氣——細菌“食物”中的關鍵成分——都來自化石燃料生產(chǎn)。而太陽能食品公司在其示范工廠使用的“綠色”氫氣，則是通過可再生能源驅動的電解水技術分離得到的，目前這一工藝還不普及。微生物蛋白公司NovoNutrients的首席執(zhí)行官大衛(wèi)·泰茲指出，依賴氫氣驅動的微生物蛋白產(chǎn)業(yè)可能會優(yōu)先在氫氣成本最低的地方落地。

這項技術所需的碳來源也多種多樣。一種選擇是企業(yè)使用捕獲的廢棄碳，如果這樣，企業(yè)則需與其他行業(yè)建立合作關系，將蛋白工廠與這些碳源相連接。另一種選擇是利用直接空氣捕獲（DAC）技術從大氣中獲取碳，但DAC技術目前仍較新、能耗高且成本昂貴?，F(xiàn)階段，空氣蛋白質(zhì)公司使用的是與碳酸飲料中相同的商品化二氧化碳，而太陽能食品示范工廠所需的碳約有15%通過DAC獲得，剩余部分則來自商業(yè)采購。兩家公司都希望在擴大生產(chǎn)規(guī)模時進一步調(diào)整碳源，待DAC技術普及后可以更多地依賴這一技術。

即使細菌攝入的碳完全來自捕獲的廢碳，碳也不會永久留在大氣外，因為人類消化食物時會釋放碳。不過，泰茲認為，“我們?yōu)槎趸假x予了第二次生命，讓它在經(jīng)濟中創(chuàng)造更大的積極價值?！备匾氖牵诩毦漠a(chǎn)品大幅降低了蛋白質(zhì)的碳排放量。根據(jù)世界資源研究所2016年的一項研究，生產(chǎn)一噸牛肉約會產(chǎn)生2400噸的溫室氣體排放。而對于脈類等植物蛋白，這一數(shù)值則不到300；而微生物蛋白的排放可能最終低至個位數(shù)?！叭绻腥诉x擇吃一口我們的產(chǎn)品，而不是其他任何蛋白，”泰茲表示，“排放量可能會有數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的差異。”

當然，如果微生物蛋白依舊停留在小眾行業(yè)，或價格過高難以讓普通消費者接受，那么這一切的努力都將無濟于事。即便滿負荷運轉，太陽能食品的示范工廠產(chǎn)能也只能勉強滿足整個芬蘭人一年的一餐需求。太陽能食品公司的皮特卡寧認為，這從商業(yè)角度來看是個好消息，說明行業(yè)還有很大增長空間。但如果希望在未來食品系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮作用，太陽能食品和空氣蛋白質(zhì)等公司需要實現(xiàn)數(shù)個量級的擴產(chǎn)，能否應對這一挑戰(zhàn)、消費者是否愿意接受尚未可知。

盡管發(fā)酵技術和微生物原材料都與大自然一樣古老且天然，但將空氣與微生物“攪拌”成食物的想法仍讓許多人覺得不可思議。畢竟，飲食帶有很強的文化屬性，尤其是在美國，蛋白質(zhì)更是帶有某種政治意味。戴森格外強調(diào)稱空氣蛋白質(zhì)公司生產(chǎn)過程中的細菌為“發(fā)酵菌群”，以強化它與傳統(tǒng)發(fā)酵食品如酸奶、啤酒或味增的聯(lián)系。而在太陽能食品公司官網(wǎng)上，優(yōu)雅的北歐風餐桌上，人們品嘗著黃色的Solein奶昔，網(wǎng)站上卻絲毫不見細菌的身影。

太陽能食品公司目前仍在等待歐盟和美國的最終監(jiān)管批準，而在新加坡，Solein已經(jīng)開始銷售，出現(xiàn)在巧克力冰淇淋和榛子草莓能量棒中。如果新加坡人對食用細菌粉有異議，那他們至少并未表現(xiàn)出抗拒。在全球范圍內(nèi)，最積極推動食品生物科技的國家往往是那些可耕地極少的國家。新加坡幾乎完全依賴進口，希望到2030年實現(xiàn)30%的食品自給率。以色列是一個半干旱國家，國土面積有限，因此大力投資生物制造；而荷蘭的農(nóng)田因化肥過度使用而嚴重耗竭，也在這一領域投入大量資源。但即便是在條件較好的國家，氣候變化也讓農(nóng)業(yè)步履維艱。監(jiān)管專家萊斯特表示：“不幸的是，我們遲早將無法再用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)食物。我們確實需要替代方案，需要政府支持，并從根本上改變食品資金的政策。”

這種觀點似乎在美國也引發(fā)了共鳴。2022年9月，美國總統(tǒng)喬·拜登簽署了一項行政命令，旨在推動生物制造的發(fā)展，擴大培訓、簡化監(jiān)管，并加強對生物技術研發(fā)的聯(lián)邦投資，特別提到“促進可持續(xù)生物質(zhì)生產(chǎn)”是重要目標之一。2021年，美國國防高級研究計劃局啟動了Cornucopia項目，要求包括戴森的空氣蛋白質(zhì)公司在內(nèi)的4個研究團隊開發(fā)一個足以裝進悍馬車的小型完整營養(yǎng)系統(tǒng)，能夠從空氣中提取氮和碳，以生產(chǎn)微生物營養(yǎng)品，如奶昔、能量棒、凝膠和牛肉干。微生物蛋白是否會如美國國家航空航天局所希望的那樣部署到長途太空旅行中尚未確定，但美國政府似乎正在押注這種蛋白質(zhì)能夠保障“地球飛船”上的生命延續(xù)——前提是“船員們”能夠接受它。