細(xì)菌造蛋白：科學(xué)家嘗試從空氣中獲取食物

這種說(shuō)法聽(tīng)起來(lái)難以置信，但這恰好是某些生活在土壤中的細(xì)菌的生存方式。在自然界中，這些“自養(yǎng)”微生物以氧氣、氮?dú)?、二氧化碳和水蒸氣為食，直接從空氣中獲取資源。在實(shí)驗(yàn)室中，它們也這樣運(yùn)作，通過(guò)消耗廢棄的碳快速繁殖，填滿(mǎn)大型發(fā)酵罐。經(jīng)過(guò)抽取和脫水處理后，這些細(xì)菌的生物質(zhì)變成富含蛋白質(zhì)的粉末，不但營(yíng)養(yǎng)豐富，而且?guī)缀蹩梢詿o(wú)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(jì)60年代美國(guó)國(guó)家航空航天局的研究。當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)家航空航天局希望在長(zhǎng)途航行中為宇航員提供細(xì)菌食品，但最終因不符合心理接受度而放棄了?！暗厍蚱鋵?shí)就像一艘飛船，”戴森在2016年的一次TED演講中說(shuō)，“我們空間和資源有限，必須找到更好的碳循環(huán)方式。”這些細(xì)菌會(huì)是答案嗎？

目前，這個(gè)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(zhuǎn)化為富有營(yíng)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(lái)源，甚至可能徹底改變農(nóng)業(yè)。但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，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(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，同時(shí)避免增加更多的排放或環(huán)境問(wèn)題。此外，他們還需解決消費(fèi)者對(duì)于細(xì)菌食品的抵觸情緒。

一些公司專(zhuān)注于工業(yè)動(dòng)物飼料、魚(yú)粉和寵物食品，這些產(chǎn)品利潤(rùn)較低，但消費(fèi)者要求相對(duì)較少，監(jiān)管障礙也更少。然而，真正的利潤(rùn)和影響力在于人類(lèi)食品。這也是像戴森的空氣蛋白質(zhì)這樣的公司將重點(diǎn)放在這個(gè)領(lǐng)域的原因。2023年，該公司在加州圣利安卓開(kāi)設(shè)了首個(gè)“空氣農(nóng)場(chǎng)”，并宣布與全球最大的農(nóng)業(yè)商品貿(mào)易公司之一ADM達(dá)成戰(zhàn)略合作，共同開(kāi)展研發(fā)，并計(jì)劃建立更大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)工廠(chǎng)。公司研發(fā)的“空氣雞肉”（實(shí)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(lái)看，微生物蛋白的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：它在土地、能源以及供養(yǎng)人口方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。全球蛋白質(zhì)需求已達(dá)到歷史新高，預(yù)計(jì)到2050年人口將增長(zhǎng)至97億，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以滿(mǎn)足需求，尤其是在應(yīng)對(duì)氣候變化、土壤退化和疾病的挑戰(zhàn)時(shí)。此外，全球中產(chǎn)階級(jí)的擴(kuò)大預(yù)計(jì)將增加肉類(lèi)消費(fèi)，但工廠(chǎng)化養(yǎng)殖的肉類(lèi)是溫室氣體排放的主要來(lái)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(dòng)物飼料，而非人類(lèi)食品。

相比之下，細(xì)菌“作物”可以直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，所需土地和水資源更少。微生物蛋白“農(nóng)場(chǎng)”可以全年在任何可獲得廉價(jià)可再生電力的地方運(yùn)行，甚至在像智利阿塔卡馬沙漠這樣幾乎無(wú)法進(jìn)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(jī)會(huì)。

芬蘭初創(chuàng)公司太陽(yáng)能食品的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)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(lái)?！?024年4月，太陽(yáng)能食品公司在距赫爾辛基機(jī)場(chǎng)不遠(yuǎn)的萬(wàn)塔開(kāi)設(shè)了一個(gè)示范工廠(chǎng)，名為1號(hào)工廠(chǎng)，計(jì)劃每年生產(chǎn)約160噸其獨(dú)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(yáng)能食品公司的生產(chǎn)過(guò)程始于天然存在的氫氧化細(xì)菌，這些細(xì)菌代謝二氧化碳的方式類(lèi)似于植物。細(xì)菌在類(lèi)似于釀酒工業(yè)中的發(fā)酵罐中，靠水和穩(wěn)定供應(yīng)的二氧化碳、氫氣以及氮、鈣、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分得以繁殖。當(dāng)它們大量繁殖時(shí)，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(lèi)、乳制品和零食的蛋白質(zhì)粉末。

在太陽(yáng)能食品的年度公司夏日聚會(huì)上，內(nèi)部廚師用Solein制作了明亮的黃色千層面。皮特卡寧說(shuō)，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(lèi)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(lèi)，而是作為一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、成本和口感競(jìng)爭(zhēng)的成分。皮特卡寧表示，公司最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不是其他新型蛋白，而是豆粕。

名稱(chēng)各異的發(fā)酵工藝

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

與其引導(dǎo)微生物生產(chǎn)我們已熟悉的動(dòng)物蛋白，像空氣蛋白質(zhì)和太陽(yáng)能食品這樣的公司提議跳過(guò)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(shù)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(xì)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(xué)和芬蘭自然資源研究所的一項(xiàng)生命周期分析，微生物蛋白的生產(chǎn)效率比動(dòng)物蛋白高53%～100%。

當(dāng)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(fēng)能等可再生能源；在以化石燃料為主的國(guó)家，Solein或其他微生物蛋白的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響可能會(huì)更高。

幾乎全球所有人為制造的氫氣——細(xì)菌“食物”中的關(guān)鍵成分——都來(lái)自化石燃料生產(chǎn)。而太陽(yáng)能食品公司在其示范工廠(chǎng)使用的“綠色”氫氣，則是通過(guò)可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解水技術(shù)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(lài)氫氣驅(qū)動(dòng)的微生物蛋白產(chǎn)業(yè)可能會(huì)優(yōu)先在氫氣成本最低的地方落地。

這項(xiàng)技術(shù)所需的碳來(lái)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(guān)系，將蛋白工廠(chǎng)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(shù)從大氣中獲取碳，但DAC技術(shù)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(yáng)能食品示范工廠(chǎng)所需的碳約有15%通過(guò)DAC獲得，剩余部分則來(lái)自商業(yè)采購(gòu)。兩家公司都希望在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時(shí)進(jìn)一步調(diào)整碳源，待DAC技術(shù)普及后可以更多地依賴(lài)這一技術(shù)。

即使細(xì)菌攝入的碳完全來(lái)自捕獲的廢碳，碳也不會(huì)永久留在大氣外，因?yàn)槿祟?lèi)消化食物時(shí)會(huì)釋放碳。不過(guò)，泰茲認(rèn)為，“我們?yōu)槎趸假x予了第二次生命，讓它在經(jīng)濟(jì)中創(chuàng)造更大的積極價(jià)值。”更重要的是，基于細(xì)菌的產(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(xiàng)研究，生產(chǎn)一噸牛肉約會(huì)產(chǎn)生2400噸的溫室氣體排放。而對(duì)于脈類(lèi)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(gè)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(huì)有數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的差異?！?/p>

當(dāng)然，如果微生物蛋白依舊停留在小眾行業(yè)，或價(jià)格過(guò)高難以讓普通消費(fèi)者接受，那么這一切的努力都將無(wú)濟(jì)于事。即便滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)能食品的示范工廠(chǎng)產(chǎn)能也只能勉強(qiáng)滿(mǎn)足整個(gè)芬蘭人一年的一餐需求。太陽(yáng)能食品公司的皮特卡寧認(rèn)為，這從商業(yè)角度來(lái)看是個(gè)好消息，說(shuō)明行業(yè)還有很大增長(zhǎng)空間。但如果希望在未來(lái)食品系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮作用，太陽(yáng)能食品和空氣蛋白質(zhì)等公司需要實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)量級(jí)的擴(kuò)產(chǎn)，能否應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)、消費(fèi)者是否愿意接受尚未可知。

盡管發(fā)酵技術(shù)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(jué)得不可思議。畢竟，飲食帶有很強(qiáng)的文化屬性，尤其是在美國(guó)，蛋白質(zhì)更是帶有某種政治意味。戴森格外強(qiáng)調(diào)稱(chēng)空氣蛋白質(zhì)公司生產(chǎn)過(guò)程中的細(xì)菌為“發(fā)酵菌群”，以強(qiáng)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(yáng)能食品公司官網(wǎng)上，優(yōu)雅的北歐風(fēng)餐桌上，人們品嘗著黃色的Solein奶昔，網(wǎng)站上卻絲毫不見(jiàn)細(xì)菌的身影。

太陽(yáng)能食品公司目前仍在等待歐盟和美國(guó)的最終監(jiān)管批準(zhǔn)，而在新加坡，Solein已經(jīng)開(kāi)始銷(xiāo)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(duì)食用細(xì)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(dòng)食品生物科技的國(guó)家往往是那些可耕地極少的國(guó)家。新加坡幾乎完全依賴(lài)進(jìn)口，希望到2030年實(shí)現(xiàn)30%的食品自給率。以色列是一個(gè)半干旱國(guó)家，國(guó)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(guò)度使用而嚴(yán)重耗竭，也在這一領(lǐng)域投入大量資源。但即便是在條件較好的國(guó)家，氣候變化也讓農(nóng)業(yè)步履維艱。監(jiān)管專(zhuān)家萊斯特表示：“不幸的是，我們遲早將無(wú)法再用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)食物。我們確實(shí)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?！?/p>

這種觀(guān)點(diǎn)似乎在美國(guó)也引發(fā)了共鳴。2022年9月，美國(guó)總統(tǒng)喬·拜登簽署了一項(xiàng)行政命令，旨在推動(dòng)生物制造的發(fā)展，擴(kuò)大培訓(xùn)、簡(jiǎn)化監(jiān)管，并加強(qiáng)對(duì)生物技術(shù)研發(fā)的聯(lián)邦投資，特別提到“促進(jìn)可持續(xù)生物質(zhì)生產(chǎn)”是重要目標(biāo)之一。2021年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了Cornucopia項(xiàng)目，要求包括戴森的空氣蛋白質(zhì)公司在內(nèi)的4個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)一個(gè)足以裝進(jìn)悍馬車(chē)的小型完整營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)，能夠從空氣中提取氮和碳，以生產(chǎn)微生物營(yíng)養(yǎng)品，如奶昔、能量棒、凝膠和牛肉干。微生物蛋白是否會(huì)如美國(guó)國(guó)家航空航天局所希望的那樣部署到長(zhǎng)途太空旅行中尚未確定，但美國(guó)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。