2019年3月,在日本農(nóng)蕓化學(xué)會2019年度大會上日本東京大學(xué)和日清食品聯(lián)合發(fā)布,制成了世界上第一塊具有真實牛肉類似結(jié)構(gòu)的人造牛排肉1。5月7日,全球經(jīng)濟(jì)研究網(wǎng)站MishTalk的專欄作家Mike Shedlock在一篇文章中介紹了人造奶,又再次將人造食物推向了討論的熱點。
科學(xué)家們認(rèn)為在未來,人類不需要飼養(yǎng)奶牛或者肉牛就可以獲得奶和肉。盡管目前這種人造食品還需要極高的成本,但很可能成為解決未來資源和環(huán)境問題的一條出路。
什么是人造奶?
其實人造奶的研究和開發(fā)并非是新鮮事物,早在2014年,一家名為Muufri的合成乳制品公司就開始研制人造奶,這家公司由加利福尼亞的兩位生物工程師Permalmal Gandhi和Ryan Pandya共同創(chuàng)立。當(dāng)時,他們懷著對乳制品的熱情,致力于創(chuàng)造一個美味的非動物乳制品世界。這個公司匯集了廚師、食品開發(fā)人員、科學(xué)家、工程師和營銷人員,他們組成了一支多元化團(tuán)隊來實現(xiàn)這一目標(biāo)。團(tuán)隊開發(fā)出的人造奶“Muufri”于2015年上市。
圖一,Muufri公司,生產(chǎn)出的人造奶“Muufri”
圖片來源:https://labiotech.eu/food/muufri-vegan-milk-synbio-startup/
人造奶,也就是合成牛奶,是將20種左右營養(yǎng)成分,混合加工而成的類乳飲料。其中主要成分包括利用生物工學(xué)手段得到的6種牛奶蛋白,8種脂肪酸,礦物質(zhì),維生素,以及糖類,還有約87%的水分。通過調(diào)節(jié)其成分和配比,這種人造奶可以具有和牛奶相似的成分組成和風(fēng)味。
也許,大家會質(zhì)疑,僅僅將各種營養(yǎng)成分混合一下,就可以得到人造奶了,那科學(xué)家們還研究啥?
實際上,人造奶的關(guān)鍵步驟以及核心的研究點在于其中的蛋白質(zhì)成分。如果想完全脫離用奶牛產(chǎn)奶,人類就需要生產(chǎn)出和牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。
牛奶中蛋白質(zhì)的含量大約為3.2%,且成分非常復(fù)雜,主要由酪蛋白(casein)和乳清蛋白(lactoal-bumin)兩大部分組成。其中,除血清白蛋白、免疫球蛋白來自血液外,所有酪蛋白和乳清蛋白均為乳腺中的乳分泌細(xì)胞合成產(chǎn)物。除了以上兩種主要蛋白外還有2%的其他微量蛋白,共計大約有40余種。
其中,酪蛋白含量約在76%~86%左右,大多數(shù)酪蛋白以稱為**“酪蛋白膠束”**的膠體顆粒的形式分散,其直徑為0.05至0.3微米,平均約0.1微米。這些顆粒由數(shù)十個小顆粒和數(shù)十萬個大的酪蛋白分子組成,它們在1毫升牛奶中分散為1萬億至15萬億個小顆粒。這也是“牛奶是白色的”的原因之一。
除了酪蛋白,余下的大部分為乳清蛋白。其含量在18%~20%,乳清蛋白和酪蛋白不同,是溶于水的球狀蛋白質(zhì)混合物。乳清蛋白是牛奶中主要的氨基酸來源,也是重要的動物蛋白質(zhì)的來源之一。
牛奶蛋白含有必需的9種氨基酸(指人體不能合成或合成速度遠(yuǎn)不適應(yīng)機(jī)體的需要,必須由食物蛋白供給的氨基酸):異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸和組氨酸。而乳清蛋白就含有這9種必需氨基酸,且配比合理,接近人體的需求比例,是人體生長、發(fā)育、抗衰老等生命活動不可缺少物質(zhì),因此也常稱乳清蛋白為優(yōu)質(zhì)完全蛋白質(zhì)。
在以米飯為主食的飲食結(jié)構(gòu)中,米飯雖然也是優(yōu)質(zhì)完全蛋白質(zhì)來源,但其中的賴氨酸和蘇氨酸含量相對較低,不能滿足人體的營養(yǎng)需求,因此可以通過在飲食中加入“牛奶”來提高其他食物的營養(yǎng)價值。乳清蛋白,不僅營養(yǎng)價值高,易消化吸收,還含有多種活性成分。例如,乳鐵蛋白是最近引起關(guān)注的功能性蛋白質(zhì)之一,具有抗菌和鐵吸收調(diào)節(jié)和免疫功能調(diào)節(jié)等作用。
**除了牛奶蛋白質(zhì),構(gòu)成牛奶的脂肪酸種類也非常多,除了主要的飽和以及不飽和脂肪酸以外,還含有各種微量脂肪酸,共有200種以上。**科學(xué)家選取由植物中含有的8種脂肪酸加入到人造奶中。牛奶中的脂質(zhì),以直徑0.1-10微米的脂肪球的形式存在,1毫升的牛奶中含有20-60億個脂肪球。牛奶中的這些脂肪球和前文提到的酪蛋白,一起成就了白色的牛奶。
牛奶蛋白是如何通過人工方法制造的?
**牛奶蛋白的制造主要利用了基因重組技術(shù),**如下圖所示。
圖二,基因重組技術(shù)的簡略圖,作者供圖
首先,從奶牛細(xì)胞中提取染色體,并獲得可以合成牛奶蛋白的目的基因。再在奶牛體外將目的基因與被稱為細(xì)胞質(zhì)粒的載體連接,形成重組DNA。之后將這個重組DNA再轉(zhuǎn)入到酵母中,并對轉(zhuǎn)化后的酵母進(jìn)行篩選,挑選出獲得重組DNA的個體,這些挑選出的酵母即可合成牛奶蛋白。
接著,將這種重組后的酵母在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐舛认逻M(jìn)行工業(yè)化的培養(yǎng)。在幾天內(nèi),酵母將產(chǎn)生足夠多用于生產(chǎn)人造奶的蛋白質(zhì)。最后,從酵母中進(jìn)行蛋白質(zhì)精制,就可以獲得大量所需要的牛奶蛋白。
目前“Muufri”公司的兩位科學(xué)家已經(jīng)用此技術(shù)合成了牛奶中主要的6種蛋白質(zhì)。Muufri牛奶含有的6種蛋白質(zhì)有助于形成牛奶的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),而添加的八種不同種類脂肪酸則賦予其豐富的味道。
除了基因重組技術(shù)的應(yīng)用外,在制造人造奶的過程中,還有一個必要的食品加工過程——乳化2。食物內(nèi)部是一種復(fù)雜的系統(tǒng),其中水,脂肪和油,碳水化合物,蛋白質(zhì),空氣,礦物質(zhì)等混合在一起,這些物質(zhì)在一個食物中的界面物理性質(zhì)(指物質(zhì)相與相的分界面,也可理解為氣、液、固三種物質(zhì)的存在狀態(tài))決定了每種食物的色調(diào)、光澤度、光滑度、粗糙度和形狀等。
乳化過程示意圖,來源:作者供圖
對于人造奶而言,為了得到口感和牛奶相似的食物,就需要將蛋白質(zhì)和脂肪酸制成一個均勻的分散體系。如前文所述,只有酪蛋白和脂肪酸形成小顆粒,才可以維持奶的均勻程度和顏色。實際上,蛋白質(zhì)、脂肪酸和水很難相容并成為一個均勻的體系,但采用乳化加工工藝、乳化劑等化學(xué)手段或高壓均質(zhì)機(jī)等機(jī)械手段可將酪蛋白和脂肪酸形成膠束,再將兩者用水包圍形成尺寸在微米左右的膠束。簡而言之,乳化工藝就像是給蛋白質(zhì)和脂肪穿上可以溶解的衣服。
牛奶中的脂肪-酪蛋白顆粒示意圖,作者供圖
**相對于傳統(tǒng)牛奶,**人造奶好在哪?
1**、美味。**作為替代奶,人造奶必須盡可能保留牛奶口感和風(fēng)味。
2**、高蛋白。**牛奶中的蛋白質(zhì)成分是食物中重要的動物蛋白質(zhì)來源。例如優(yōu)質(zhì)蛋白源乳清蛋白,在人母乳中的含量為60%,而在牛奶中僅有20%,因此可以調(diào)整乳清蛋白的含量,使人造奶更有營養(yǎng)。
3**、不含乳糖。**人造奶的另一個好處,就是可以不含乳糖,以滿足全球75%的乳糖不耐受人群的需求。乳糖占牛奶成分的4-5%,當(dāng)人們喝牛奶時,從小腸分泌的乳糖降解酶(乳糖酶)將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖,小腸吸收這些降解后的糖并將其用作能量來源。
然而,乳糖不耐癥人群3(是指乳糖酶分泌減少并最終不再分泌的人)不能分解乳糖,乳糖將直接通過小腸到達(dá)大腸。這時大腸內(nèi)的乳糖濃度要高于體液中的濃度,因此,根據(jù)滲透壓的原理,大量的水通過腸壁進(jìn)入大腸,并試圖稀釋大腸中的乳糖濃度,最終會引起腹瀉。此外,大腸中的細(xì)菌會分解乳糖并產(chǎn)生氣體,氣體積聚會導(dǎo)致飽腹感和胃痛。而不含乳糖的人造奶,可以很好地解決乳糖不耐患者的擔(dān)憂。
4**、不含激素和抗生素,具有更好的食品安全性。食用抗生素和激素的家畜可能會導(dǎo)致牛奶中殘留激素和抗生素。**如果長期食用含有過量生長激素成分的牛奶如雌二醇,會增加子宮癌子宮頸癌的發(fā)生幾率,當(dāng)血液中濃度過量時也會有生殖毒性,遺傳毒性等6。
除此之外,牛奶中的抗生素也是很大的問題,除了治療牛的乳腺炎等,一些抗生素也用于促進(jìn)牛的生長。長期飲用含有過量殘留抗生素的牛奶,這些抗生素會殺死腸道內(nèi)維持人體健康的正常細(xì)菌,因而引起健康問題。
另外,抗生素的另一個影響是,可以在家畜體內(nèi)產(chǎn)生對抗生素有抗藥性的抗性細(xì)菌。當(dāng)人們由于食物中毒或者感染途徑侵入了這些細(xì)菌后,以往的抗生素效用就會大減。當(dāng)這種情況發(fā)生時,原本簡單的治療將變得非常棘手,增加了輕度疾病死亡的可能性。例如,耐性黃色葡萄球菌,是極強(qiáng)的多藥劑耐性菌,在美國從1999年到2005年由該細(xì)菌引起的死亡人數(shù)達(dá)到了27萬人之多5。人造奶是人工合成的,因此不會受到激素和抗生素的影響。
5**、更長的保質(zhì)期。**牛奶中含有大量微生物,需要嚴(yán)格的殺菌才可以保證其質(zhì)量。而人造奶細(xì)菌含量極低,因此可以維持?jǐn)?shù)周而不是數(shù)天的保質(zhì)期,并且不需要冷鏈運輸。
6**、不含膽固醇。**過量攝取膽固醇會引起動脈硬化等問題,我們每天從膳食中攝取的膽固醇量大約是200-500毫克,一杯(250毫升)牛奶只含有25毫克膽固醇。按照正常情況下每天飲用牛奶600毫升計算,膽固醇水平并不會明顯升高。相反,牛奶的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)有助于維持血管健康并預(yù)防動脈硬化。不過,對于高膽固醇人群來說,無膽固醇的人造奶可能會更加適于飲用。
7**、綠色環(huán)保。**如下圖所示,飼養(yǎng)肉牛、奶牛相比其他家畜更為消耗環(huán)境資源。而減少奶牛的飼養(yǎng)數(shù)量,可以有效地減少土地使用量、耗水量、降低溫室氣體排放以及能源消耗。
但是!想要喝上人造奶,估計還需要長期的等待
人造奶雖然具有如上諸多好處,然而要想通過科學(xué)手段獲得和牛奶近乎一致的營養(yǎng)配比還需要很長時間的研究實踐。另外,人造奶的制造過程也需要高額的支出。舉個例子,重組基因獲得的胰島素,一支的價格是80元人民幣,而牛奶中的6種蛋白質(zhì),每一種都需要通過重組基因酵母生產(chǎn),可想而知人造奶必然價格高昂。復(fù)制牛奶并降低構(gòu)成人造奶各成分的制造價格,使之成為平價食品還需要很長一段時間。
除了人造奶,之前人造肉也獲得了突破性的進(jìn)展。人造肉是指利用取自牛肌肉組織的干細(xì)胞,在體外培養(yǎng)出具有和牛肌肉的構(gòu)造排列和口感都非常相似的,只有麻將牌色子大小的“肉丁”。人造肉不光具有未來代替?zhèn)鹘y(tǒng)肉類的前景,更使在體外模塊化生產(chǎn)身體組織成為可能,為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的疾病研究和藥物開發(fā)提供了新的途徑。
科研人員不斷地致力于開發(fā)人造食物是希望可以減少環(huán)境的污染,為未來人類的可持續(xù)生存和發(fā)展提供新的途徑和思考方式。不過,由于目前人造食物高額的研究成本和制造成本,其在未來能否得到有效的推廣仍然是個未知數(shù)。
世界上第一塊人造牛排肉,尺寸:1.0 cm× 0.8 cm× 0.7 cm
圖片來源:https://www.fnn.jp/posts/00044462HDK
參考文獻(xiàn):
1、https://www.nissin.com/jp/news/7707
2、食品乳化技術(shù)http://www.mac.or.jp/mail/130401/02.shtml
3、乳糖不耐癥 [乳科學(xué) マルド博士のミルク語り]
4、[牛乳中に含まれる細(xì)菌発育阻止物質(zhì)検査法について]https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvma1951/11/3/11_3_109/_pdf
5、[抗生物質(zhì)の汎用と抗生物質(zhì)不使用食品の展望] http://www5.jiu.ac.jp/books/bulletin/2012/env/02_fukasawa.pdf
6、[畜産食品中殘留ホルモンのヒト健康に及ぼす影響に関する研究] https://www.mhlw.go.jp/topics/0106/tp0601-2a2.html