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

　　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 | 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。
　　图 | 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。
　　图 | 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。
　　图 | 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。
　　图 | 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 | 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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