《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：Circular economy approaches in the production of alternative proteins
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本综述系统探讨了循环经济在微生物蛋白（包括微藻、真菌、酵母、细菌）及细胞培养肉等替代蛋白生产中的应用。文章强调利用工农业副产品（如酿酒废谷物、乳清、沼液、CO2等）作为培养基，实现资源高效转化与增值，以降低环境足迹和生产成本。综述比较了不同平台（SCP, cultivated meat）的蛋白质含量、氨基酸组成、技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）及可持续性表现，指出了整合循环生物炼制策略对未来食品系统的重要性。
蛋白质是构成人体结构组织、酶、激素、抗体及多种生物活性分子的基础，是膳食不可或缺的部分。在西方社会，传统肉类、蛋类和奶制品是主要的蛋白质来源，它们提供高消化率的全部必需氨基酸。然而，关于动物源性产品可持续性的讨论，以及对动物福利的伦理关切，推动了人们对替代蛋白的探索。替代蛋白主要分为三类：植物基蛋白、发酵衍生蛋白和动物细胞培养蛋白。其中，利用循环经济方法，从工农业副产物中生产富含蛋白质的微生物生物质，以及开发用于细胞培养肉的培养基，是极具前景的可持续路径。
循环经济方法在富含蛋白质的微生物生物质培养中的应用
微藻
微藻培养的循环经济方法，旨在将废水、CO2或耗尽培养基等废物流转化为工艺资源。利用工农业废水（如乳制品废水、畜禽养殖废水、啤酒废水）或厌氧消化液作为培养基，可以在生产生物质的同时进行生物修复。此外，在封闭培养系统中回收利用耗尽培养基，可以减少营养成本并避免污染。微藻还能在光合作用中固定CO2，并可净化沼气。某些微藻物种（如螺旋藻、小球藻）的蛋白质含量可达干重的70%，其氨基酸谱与肉类、蛋类等传统蛋白源相当，符合世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）的推荐标准。
酵母
酵母是单细胞真菌，其生物质蛋白质含量通常在干重的45%–55%之间，且氨基酸谱均衡。酵母能够高效利用多种廉价或废弃底物，例如制糖业的糖蜜、乳品业的乳清以及生物柴油副产的粗甘油，将这些废物流升级为蛋白质。连续培养和补料分批策略可进一步提高产量。啤酒酿造后剩余的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）被用于生产营养酵母产品（如Marmite?），是循环经济的典范。通过热处理方法可以降低其核酸（RNA）含量，以满足食品安全要求。
丝状真菌
丝状真菌产生的“真菌蛋白”（mycoprotein）是重要的替代蛋白来源。例如，禾谷镰刀菌（Fusarium venenatum）是商业产品Quorn?的基础。真菌蛋白通常含有30%–45%的蛋白质，并且富含β-葡聚糖等膳食纤维。丝状真菌能分泌多种水解酶，因此特别擅长利用复杂的有机废弃物，如面包废料、啤酒糟、大豆加工副产物（豆渣、豆清）等，通过固态发酵（SSF）或液态发酵（SmF）将其转化为蛋白质。此过程体现了将低价值副产物升级为高营养食品成分的循环理念。需要注意的是，必须筛选不产真菌毒素的菌株并对菌体进行热处理以降低核酸含量。
细菌
细菌单细胞蛋白（SCP）的生产正在复兴，尤其是在气体发酵领域。甲烷氧化细菌（如荚膜甲基球菌 Methylococcus capsulatus）可以利用天然气或沼气中的甲烷生产蛋白质含量高达70%的菌体餐（如FeedKind?）。氢氧化细菌（HOB）则可以利用H2、O2、CO2和矿物质营养生长，实现“电力到食物”的转化，如Solar Foods公司生产的Solein?。这些过程不依赖耕地和日照，土地利用效率极高，但经济性受能源和反应器成本影响较大。细菌蛋白的核酸和内毒素含量是需要关注的安全问题。
不同SCP生产平台的概述
不同微生物平台各有特点。微藻和光合细菌能利用CO2和光能，但培养和采收成本较高。异养微生物（酵母、真菌、细菌）生长迅速，蛋白质产率高，能利用多种废弃碳源。其中，细菌在利用气态底物（CH4, H2, CO2）方面独具优势，潜力巨大。从蛋白质含量、生长速率、底物广泛性和安全性等维度综合比较，有助于为特定应用选择最合适的平台。
酿酒废谷物作为生物质发酵的营养源
酿酒废谷物（BSG）是啤酒生产的主要固体副产物，全球年产量巨大。其干基组成约含20-30%的蛋白质和高达50%以上的纤维，还含有淀粉、脂质和矿物质，生物技术潜力高。研究已证实，利用食用丝状真菌（如米根霉 Rhizopus oryzae、米曲霉 Aspergillus oryzae）对BSG进行固态发酵，可以显著提高其混合生物质的蛋白质含量，并改变蛋白质和纤维的功能特性。通过器官溶剂预处理耦合真菌培养，能从BSG的不同组分中生产出蛋白质含量高达68.9%的真菌生物质。这为将BSG转化为高价值的食品配料，实现循环生物炼制提供了可行路径。
结论
将循环经济原则整合到替代蛋白生产中，特别是利用工农业副产品和废弃物作为微生物和动物细胞培养的底物，是构建可持续食品系统的关键策略。这种方法不仅能降低生产成本和环境足迹（通过技术经济分析TEA和生命周期评估LCA证实），还能提高资源效率，减少对传统农业和动物养殖的依赖。尽管在培养基优化、过程放大、成本控制及法规审批方面仍存在挑战，但随着技术进步和规模化应用的推进，基于循环经济的微生物蛋白和细胞培养肉，有望成为未来满足全球蛋白质需求的重要、可持续的解决方案。
