未來食品原料可期——合成生物學
去年9月，中科院團隊獲得二氧化碳人工合成澱粉的重大突破。這一顛覆傳統農業種植模式的重大變革引發巨大關注的同時，也將合成生物學推到世人面前。中國合成生物學最早發起人之一，趙國屏院士這樣解釋：合成生物學區別於其他傳統生命科學（如基因科學、微生物學、生物化學等）的核心是其工程學本質——合成生物學最主要的任務，是按人們的需求，設計出相應的“產品”。近些年，從原材料到食品及其他產品，合成生物學市場正在快速崛起。據Synbiobeta發佈的市場數據顯示，2021年是合成生物學初創公司有史以來募集資金最多的一年，成爲合成生物學市場發展的關鍵元年，總額接近180億美元，其中第三季度以高達61億美元的融資達到目前頂峰。
事實上，從2000年中國合成生物巨頭上海凱賽生物技術有限公司成立，到2006年美國生物科技公司Amyris的青蒿素大獲成功，再到2013年基因編輯技術CRISPR-Cas9的橫空問世，直至2021年美國基因編程公司Ginkgo和美國合成生物科技初創公司Zymergen兩大國外巨頭相繼上市，合成生物學已經經歷了20多年跌宕起伏的發展，如今迎來全面爆發，也讓食品營養健康行業產生了顛覆性的技術變革。
一方面，合成生物學能夠利用微生物產生特定的食物分子，並生產動物性食品，如肉類、乳製品、脂肪等，這些生產過程不需動物參與，近些年大火的“人造”食品多屬於此類，包括人造蛋白、人造肉、人造脂肪、人造奶等，解決未來人們面臨的食物短缺問題。另一方面，合成生物學可以開發出高附加值的營養活性物質，包括甜葉菊、赤蘚糖醇等。同時，這種技術能夠實現營養成分的精確調配，滿足特定消費羣體的健康需求，在一定程度上匹配消費者對飲食的科學性和營養性的訴求。
合成生物學正在塑造未來食品形態
氣候變化、人口增長、農業用地驟減等因素正在影響着人類的飲食，合成生物學制造的食品開始改變人們對食品的看法，並推動該領域的快速發展。在功能性食品領域，合成生物學具有不斷增長的潛力，比如利用微生物，如酵母、細菌或酶發酵產生特定的食物分子，並生產動物性食品，如肉類、乳製品。
在具體的應用方面，合成生物學家首先通過識別負責某些所需品質的基因序列來改變食物，例如牛肉的牛肉味或糖的甜味，然後在實驗室中進行化學再生，並被放置在酵母或細菌細胞中，最後通過發酵的形式產生這些蛋白質，這些蛋白質將作爲食物或纖維成分應用在產品配方中。
對於具體原料而言，目前大多數生產方法都依賴於漫長種植週期和低產量提取過程，並且多數情況下植物中的活性化合物濃度比較低，導致整個市場價格較高。同時，由於原料容易受到氣候環境和季節的影響，導致整個生產供應鏈穩定性不強。合成生物學技術的出現，對於原料的可持續性、供應鏈安全性、綠色環保等具有重要的作用。如合成香草現在已經佔據了全球供應的85%，解決了一種主要在馬達加斯加天然生產的香料長期以來的供應難題。
多家企業搶先加入“賽道”
從食品原料的開發到細胞培養肉再到替代蛋白，合成生物學在食品營養領域的應用在逐年增加。
雖然從出現到現在的20多年間，合成生物學一直被質疑能否真正以生物合成的方式產出可量產、具備成本優勢的產品，但近兩年隨着技術的成熟，確實已經有一批原料真正實現了理論驗證，包括長鏈二元酸、丙氨酸、母乳低聚糖、膠原蛋白、一三丙二醇等，以及人造肉等消費品。
2001年，凱賽生物開始投資建設生物法長鏈二元酸項目，使其成爲世界上第一個用生物法取代化工法的材料單體。經過多年的發展，該公司已經能夠生產從十碳到十八碳的各種鏈長二元酸。隨着年產10萬噸的生物基聚酰胺生產線於2021年中期投產，其重要儲備產品生物基戊二胺和生物基聚酰胺開始銷售，而其生物法長鏈二元酸產品的毛利率也在逐年上漲。
成立於2015年的美國Geltor公司則利用開發出的生物設計技術平臺，通過生物學、醫學和計算機科學等工具對微生物進行編程，產品是在受控、可持續的發酵過程中生產，不含任何動物成分。目前，該公司主推的原料是膠原蛋白，可應用在膳食補充劑、食品飲料等產品配方中。該公司開發的一種用於食品和飲料的高純度生物活性素食膠原蛋白，含有豐富的甘氨酸和脯氨酸，2019年首次在市場上銷售。目前含有該原料的食品飲料已經形成商業化生產規模，整個生產規模和效率獲得提升。
另外，嘉必優生物技術（武漢）股份有限公司已經建立合成生物學實驗室並啓動一批具有技術前瞻性和市場潛力的研究項目。該公司正基於合成生物學平臺加快母乳低聚糖、1,3-二油酸-2-棕櫚酸甘油三酯、蝦青素、番茄紅素、γ-PGA、α-熊果苷等新產品的研發工作，以擴充整個產品線和產業鏈，爲其新產品拓展開發提供有力支撐，夯實其在人類營養、動物營養和功能護理原料的地位。同時，該公司還對外開展合成生物學及其上下游產業技術的交流與合作，包括中科院、農科院、天津大學和浙江大學等，通過技術、產業及資本結合，希望成爲全球合成生物學產業生態高地。
而安徽華恆生物科技股份有限公司則是我國乃至世界丙氨酸第一大供應商。關於生物法合成丙氨酸的產業化，從其產能利用率可見一斑：2017年至2020上半年，該公司丙氨酸產品產能利用率爲71.94%、90.30%、97.00%、89.13%，持續保持穩健發展態勢。
青島芝諾生物科技有限公司與合肥一兮生物科技有限公司則專注於以合成生物技術生產母乳低聚糖，據透露，兩家企業都已完成產品中試，預計可在近期實現量產。母乳低聚糖是母乳中固形物含量最高的三種物質之一，具有益生元作用，可以幫助嬰兒建立起自己的免疫系統，其作爲嬰兒配方奶粉的添加劑已添加在進口奶粉中。
科技助力合成生物產品落地
據瞭解，從關鍵菌種的設計到優化，我國很多科學家和公司都在合成生物技術方面做了大量工作，未來會影響到生活的方方面面。其中，很多國家級的合成生物學重點專項和綠色生物製造重點專項，也都在支持這個領域的發展。如中科院植生所王勇團隊就已經有新型天然甜味劑甜菊糖稀有組分Reb D、Reb M，甜茶素，新獸藥及飼料添加劑黃芩素、新型糖尿病藥物a-糖苷酶抑制劑I-1等多項基於合成生物學的原創性產品進入了產業化階段。
一直以來，甜葉菊主要是從甜菊葉中提取，依賴於種植的甜菊原料需求量巨大。近10年來，甜菊提取物一直是出口額最大的植物提取物品種。但甜菊品質參差不齊、高品質組分含量低。爲了獲得高品質的甜菊糖苷，必須經過複雜的分離提取過程，去除口感不佳的組分。合成生物學的出現爲從微生物中獲取甜味劑帶來了曙光。
談起具體研發過程，王勇說，“糖基化修飾在天然產物的合成中廣泛存在，但甜菊糖二萜母核的糖基化修飾在自然界卻特別稀少，只有三、四種植物可以產生這類化合物，如甜葉菊、甜葉懸鉤子、日本的明日葉等，化合物的種類也只有100 多種。我們解析了這類化合物在植物中是如何被合成的，哪些酶參與了這個過程，特別是糖基化產物是如何被合成的，它的機制是什麼。基於催化機制的研究和工程化設計，進一步改善了這些關鍵酶的催化活性，最終通過合成生物技術，在微生物底盤中實現了甜菊糖稀有組分Reb D和Reb M的定向、高效合成，並於2018年在全球範圍內率先實現了工業規模化生產。”
據瞭解，該團隊開發的甜味劑原創產品，涉及兩個甜菊糖的稀有組分Reb M和Reb D。這是天然甜味劑中少有的口感與蔗糖無差別的天然代糖，這兩種成分在天然甜葉菊的葉子中含量極低，僅靠提取無法實現工業規模的生產。
2019 年，基於合成生物技術的Reb D和Reb M生產通過了美國食品藥品管理局甜味劑認證。該發酵技術目前已經部分取代了傳統的植物提取方式，節約了大量耕地，實現了不依賴於植物種植提取的綠色生產。基於該技術的甜味劑產品已經在食品、飲料等領域中獲得了廣泛使用，獲得了很好的經濟和社會效益。該技術大大提升了傳統甜葉菊提取行業的技術水平，對整個行業起到了示範和推動作用。
成本控制法規完善成主要挑戰
合成生物學在國內市場纔剛剛興起，尤其是在食品配料和功能營養領域，這個過程中存在很多細分的市場機遇，同時也面臨很多挑戰。
其中，從實驗室概念階段到工業化量產階段，成本控制是早期需要面對的首要難點。而在政策法規方面，作爲食品原料或食品必須要有合法的身份，國內新食品原料的申報週期比較長，而且大多是參考國外法規批准的物質。同時，合成生物學生產的新型健康原料必須要納入安全評價和監管體系中，因此整個過程漫長。顯而易見，法規的完善對合成生物學商業化真正落地將起到重要推動作用。
目前，對於食品領域的應用，美國和歐盟的規定都很清晰，基因工程菌株來源的食品、保健品和飼料添加劑是允許使用的，需要經過一系列的申報審批。
我國當前只有許多試行政策，預計未來相關的法律法規也會逐漸跟上。據瞭解，我國有些菌種已經在安全性方面獲批。政府的持續支持和法規的完善會使合成生物學的發展進入快速通道。業內人士認爲，市場的需求、行業的需求、國家的需求、人類發展的需求，是合成生物學家從選題到產業化必須要考慮的問題。“生物工程、生物技術只有轉化爲產品，服務於人、國家和行業，纔有價值。”無論業內人士還是專家，對合成生物學的未來都充滿期待。
（楊曉晶 綜合整理）
詳見《中國食品報》(2022年04月25日06版)
排版、美編：徐禎悅
審覈：歐陽美華
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