2019年3月，在日本農(nóng)蕓化學會2019年度大會上日本東京大學和日清食品聯(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。
科學家們認為在未來，人類不需要飼養(yǎng)奶?；蛘呷馀＞涂梢垣@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、科學家、工程師和營銷人員，他們組成了一支多元化團隊來實現(xiàn)這一目標。團隊開發(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，那科學家們還研究啥？
實際上，人造奶的關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不適應機體的需要，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?shù)臏囟群蜐舛认逻M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、乳化劑等化學手段或高壓均質(zhì)機等機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，大腸中的細菌會分解乳糖并產(chǎn)生氣體，氣體積聚會導致飽腹感和胃痛。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菌。當人們由于食物中毒或者感染途徑侵入了這些細菌后，以往的抗生素效用就會大減。當這種情況發(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，是極強的多藥劑耐性菌，在美國從1999年到2005年由該細菌引起的死亡人數(shù)達到了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，需要嚴格的殺菌才可以保證其質(zhì)量。而人造奶細菌含量極低，因此可以維持數(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展。人造肉是指利用取自牛肌肉組織的干細胞，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)學領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：
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 マルド博士のミルク語り］
4、［牛乳中に含まれる細菌発育阻止物質(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
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