“食品”DeepTech发布《2023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究》——拓展食物边界,合成生物推动新食品加速创新

2023-02-03 15:05:42来源:DeepTech深科技

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来源:DeepTech深科技

1900 年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的诞生;1953 年 DNA 分子双螺旋结构模型的建立标志着对生命的研究进入基因时代;2000 年具有“逻辑线路”的基因元件在大肠杆菌细胞中被构建,生命科学的发展从此进入合成生物学时代;一场跨越百年的生物学革命,带领人类迅速由“观测和描述”进入“创造”阶段。

即使人类对生命的本质认识还远远不够,仍然抵挡不住生命科学的工程化进程,合成生物学为生命科学研究提供了可定量、可计算、可预测的全新方法论,为人类社会发展的重大问题提供了全新的生物学解决方案。合成生物作为一种生物制造生产方式,随着技术的发展,其产业已覆盖医药制造、化工生产、创新能源、新材料、食品、农业等多个行业。

中国自“十四五”伊始,明确提出“树立大食物观”、“构建多元化食物供给体系”、“发展未来食品制造”,推动包括生物技术在内的战略性新兴产业发展,构建新的增长引擎。

“大食物观”拓展了传统的食物边界,“新食品”应运而生。从耕地资源生产食物,转变为全方位、多途径开发食物资源,向植物、动物、微生物等要热量要蛋白,创新蛋白来源、食品原料和食品工业配料,开发用于食品生产的细胞工厂,以科技手段赋能食品产业,拓展食品边界,运用新技术将更多的生产场景引入食品领域,成为“新食品”的关键推动力。

以合成生物学为技术革新的源头,把理论研究转化为实际产品、生产过程和系统服务的全面产业,创造新的生产模式和经济形态,DeepTech 正式发布《 2023 合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究》报告——以合成生物技术在新食品中的典型应用,探索未来前景。

本报告选取合成生物技术在新食品中应用的典型场景,重点关注替代蛋白、食品添加剂与食品原料的创新;同时,微藻作为新兴的植物基食品,亦可作为合成生物的底盘细胞,本报告也将关注其应用与发展潜力。

技术驱动下的新食品:合成生物学成为推动新食品发展的关键技术

合成生物学为食品研发赋能,为大规模食品生产建立新方法,开发多种功能的替代蛋白,合成天然稀有产物、提供微生物油脂、生产食品添加剂和食品原料,研发风味、质构、形态可控的食品产品,实现更安全、更营养和更可持续的食品获得方式。

图 图 | 合成生物细胞工厂在食品领域应用(来源:公开资料、DeepTech)

食品成为全球合成生物市场重要增长极,近年来,企业逐步从平台型全能企业,分化出专注于某一垂直领域的企业,在细分市场站稳脚跟后,开始布局更有技术优势和产品壁垒的新兴市场。合成生物在食品领域的竞争下半场,将考验产品交付能力、精细化运营能力和产品盈利能力。

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合成生物学从研发到产业化历程(来源:DeepTech)

据行业共识与机构预测,生物技术的革命在食品领域将聚焦于 CRISPR 技术、微生物组、蛋白质技术的应用;革命性的能力在于细胞构建、高精度控制、细胞改造能力提升、高通量研发手段等。

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| 合成生物学技术在食品各应用领域爆发加速点预测(数据来源:麦肯锡、DeepTech)

合成生物在新食品价值链各环节都有着亟待突破的创新方向:建立研发壁垒,提高元件数据库的容量,积累底盘开发能力经验,结合产业化难度思考细胞改造;提升放大生产能力,沉淀放大经验,积累相关数据,关注发酵的产率优化,开发智能设备辅助生产。

新食品全球政策环境:审批与监管仍然严格,战略部署及政策支持明显

美国作为合成生物技术的先驱者,具有最活跃的市场和技术氛围,是合成生物学全球最大的区域市场,政策监管层面的相对宽松,巩固了这一领先优势地位;英国较早重视合成生物学发展,学科基础建设处于国际领先水平;欧盟最早拟定合成生物学发展路线,促进其发展欧洲循环生物经济。

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| 全球其他国家合成生物产业政策(来源:公开资料、DeepTech)

中国对新食品的审批与监管仍然严格,战略部署及政策支持明显。2020 年支持建设合成生物创新中心, 2022 年提出“探索新型食品,实现食品工业化迭代升级,降低传统养殖环境资源压力”, 2022 年转基因来源的食品营养强化剂公开征求意见。展现出对合成生物技术主导的新食品的政策利好态势。

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| 中国新食品产业政策(来源:公开资料、DeepTech)

典型场景之替代蛋白:未来食品的重要标志

以微生物为生物制造载体,未来在人造奶、微生物菌体蛋白、营养补充剂、风味物质等方面,展现出强劲的动力。替代蛋白产品往往附加值高,市场需求量较小,对产品纯度有较高要求。

高附加值蛋白:以乳蛋白、卵蛋白、 血红素类蛋白为主要代表。人造奶、人造蛋研究正处于生产工艺突破和产品商业化的初创阶段,突破其生物合成关键技术成为市场竞争的关键因素。

微生物蛋白:作为规模化替代蛋白产品,大多以真菌蛋白为主,当前市场接受程度较低,产品以品质改善和蛋白补充原料供应为短期内的产品形态。

以合成生物生产替代蛋白的另一推动力是对环境的友好。其一,微生物对氮、磷和其他营养物质的利用效率显著高于植物,减少人工施肥下氮磷流失对环境的影响。其二,微生物发酵显着减少土地和水的依赖,不直接与粮食作物竞争土壤和淡水资源,可以规模化合集约化生产。其三,传统的牲畜饲养是温室气体甲烷排放的主要来源,以能量转化角度来看,采用替代蛋白与传统肉类相比可以减少 80% 以上的碳排放。

典型场景之食品添加:食品工业边界拓展

该领域传统巨头林立,已有成熟的供应链和产业生态,合成生物技术的机会在于高附加值原料,适合较小批量生产,市场规模也在快速上升,如新型甜味剂、营养强化剂、功能性原料等。

天然产物生物合成:当前向市场供给的食品天然产物多为植物提取,少部分产物采用化学合成,成本、复杂程度、环境友好等各方面指标不佳,生物合成存在巨大机会,如阿洛酮糖、甜味蛋白、类胡萝卜素等。在减糖需求的强劲带动下,新型甜味剂市场规模不断扩大,开发甜味剂稀有组分,利用合成生物技术对易降解甜味剂进行改造,提升活性和稳定性、提升产物转化率,可形成较大技术壁垒。

创新功能性食品原料:健康消费在整体消费支出的占比逐年提升,一些新食品原料或保健成分,因其有着功能属性,逐渐走进消费者视野,使得含有这些原料的食品更易引发关注,代表成分有母乳低聚糖( HMOs )、麦角硫因、透明质酸。当前 HMOs 生物合成法已初步具备生产的能力,大肠杆菌、酵母菌、乳酸菌和芽孢杆菌等均可作为生产菌株,但目前工业上还不能模拟天然母乳中 HMOs 的多样性,具有较广阔的产业前景。

典型场景之微藻:极具潜能的植物基新食品

微藻作为一种良好的替代蛋白质来源,具有含量丰富、氨基酸组成全面、营养价值高的特点,可用于食品、营养补剂或保健食品的开发。作为合成生物底盘细胞之一,生产高价值的添加剂或营养补充剂(如类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸)等成为关注热点。

微藻底盘细胞改造和产品开发:高效率且稳定的遗传转化体系是当前制约微藻合成生物的瓶颈问题,开发适合于微藻的高通量改造和检测体系,提升微藻底盘细胞的构建效率,是微藻产业推动力的关键,包括生长改造、异养培养改造、目标产物产量提升等。

基于“双碳”理念的微藻开发:利用微藻将二氧化碳转化为生物质原材料受到越来越多的关注,但需要注意的是,利用微藻大规模工业化生物固定 CO2仍处于工艺不成熟的初级发展阶段,未来微藻固碳将从“农业模式”转变为“工业模式”。

合成生物推动下的新食品产业现状

任何以技术为驱动的产业,价值都明显聚集于研发与创新。上游建立研发壁垒,如建立底盘细胞库、元件库、高通量的筛选平台和快速的底盘细胞开发能力;下游结合垂直领域产业链,拓宽产品布局提升普适性,并提升量产能力,沉淀放大经验。

食品作为一个面向大众的消费品,必然会迈进产业化的阶段,向市场提供具有竞争力的产品,成果转化需要打通从研发到量产的通路。当前,中国已经成为全球合成生物最活跃的市场之一,已经有一批具备产业化能力的企业在创新之路上奋进,态创生物就是代表企业之一。

于 2021 年创立而成的态创生物, 10 个月内获取融资过亿美金,是全球合成生物新锐力量。搭建工程菌库和高通量筛选的底层技术,利用技术平台提升量产和普适能力。

产品布局有食品饮料、美妆、家居清洁等消费品领域,并涉及医疗、农业及大宗材料, 2022 年拥有多种小分子肽、赤藓糖醇等产品,在售物质 30 多种,工厂的年产量已经超过万吨。在库物质已达 50 种,其中,蛋白类在库产品有奶粉蛋白、甜味蛋白、植物蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等。此外还有肽类、维生素、糖类等 10 余大类物质,如赤藓糖醇、结冷胶、角鲨烯和多种酶制剂。

合成生物学构建的细胞工厂可以提高生产效率,提高产品的安全性,提高调控的精准度。对比传统提取技术来说,态创生物的生物发酵法具备条件可控、产物成分简单、纯化简单的特点。

图 图 | 新食品产业创新的相关企业(部分)(来源:DeepTech)

当前,中国已展现出对合成生物技术主导的新食品的政策利好态势,将助推生物经济产业迅速成为新的增长引擎。

展望未来 1-3 年,以技术驱动的新食品作为大众消费品必将走向规模化和产业化,研发阶段充分预见和解决问题,提早布局下游发酵工程、纯化工艺等环节,将助力产业化的成功。以下几点,可以成为行业内企业着重关注的策略方向和能力建设方向。

研发能力拓展:任何从实验室走向产业化的技术或产品,都会经历研发与产业化之间的鸿沟,企业应当有扎实的技术和产品的储备,并提前思考产业需求与放量增长问题,才能有望在多赛道获得成功。

关注产业规模:产业规模是考量边际成本的重要指标,生产成本和设备大小之间呈指数降低关系,传统酿造系数为 0.6 ,精密发酵系数为 0.7 - 0.8 ,关注产业规模,进一步降低生产成本。

匹配下游技术:不同的细胞生长特征和发酵过程完全不同,无法套用统一简单模型,需要在细胞工厂的设计初期充分考虑生产能力,同时开发更高效、成本更低的下游工艺。

“以终为始”根据市场布局产品赛道,选择高附加值、高技术壁垒、环境友好、以及更适合用生物技术研发的产品;采用适合工业化生产的底盘细胞,构建抗干扰能力强的细胞工厂,在研发期充分考虑大规模生产情况,将有助于提升从实验室走向产业化的效率和成功率。

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