《食品蛋白新资源的挖掘与加工技术》是中国工程院战略研究与咨询项目“大食物观指导下的替代蛋白产业发展战略研究”的成果。《食品蛋白新资源的挖掘与加工技术》主要围绕食品蛋白的供给现状和发展趋势，分别从植物蛋白、动物细胞培养蛋白、微生物蛋白及其他食品蛋白入手，全面系统地介绍了食品蛋白资源挖掘与绿色生物制造的相关科学与先进技术，为推动我国食品替代蛋白高质量、全球化发展提供理论与技术支撑。

目录
第1章 食品蛋白新资源 1
1.1 食品蛋白需求及供给方式 1
1.1.1 食品蛋白概述 1
1.1.2 食品蛋白的主要功能及作用 2
1.1.3 食品蛋白的市场需求及趋势 6
1.1.4 食品蛋白的供给方式 7
1.2 食品蛋白供给面临的挑战 11
1.2.1 动物蛋白生产面临的问题 11
1.2.2 传统蛋白质生产对环境的影响 13
1.2.3 肉制品及植物蛋白消费对环境的影响 15
1.3 食品蛋白新资源的开发与应用 16
1.3.1 蛋白质新资源--替代蛋白 16
1.3.2 替代蛋白的主要特征 22
1.3.3 替代蛋白的食品应用 26
1.3.4 替代蛋白的市场趋势 32
1.3.5 替代蛋白的安全与监管 33
1.3.6 消费者对替代蛋白的观念 35
参考文献 36
第2章 植物蛋白产业体系 38
2.1 植物蛋白多样性与市场现状 38
2.1.1 植物蛋白种类多样性 38
2.1.2 植物蛋白市场现状 51
2.2 植物基食品产业体系 53
2.2.1 植物基蛋白肉产业体系 54
2.2.2 植物基乳制品产业体系 54
2.2.3 植物基蛋制品产业体系 55
2.2.4 植物基海鲜制品产业体系 56
2.3 植物基食品产业发展布局 57
2.3.1 植物基食品产业技术分析 57
2.3.2 植物基食品企业案例分析 60
2.4 植物基食品产业发展政策与保障体系 66
2.4.1 植物基食品产业发展政策 66
2.4.2 植物基食品产业保障体系 68
参考文献 69
第3章 植物蛋白制造技术 73
3.1 植物蛋白功能应用与加工改性技术 73
3.1.1 植物蛋白功能应用性质 73
3.1.2 植物蛋白加工改性技术 76
3.2 植物基食品质构形成与优化控制技术 81
3.2.1 植物基食品质构形成技术 81
3.2.2 植物基食品结构优化控制 85
3.3 植物基食品营养强化与风味拟真技术 89
3.3.1 植物基食品营养强化技术 89
3.3.2 植物基食品风味拟真技术 93
3.4 植物基食品制造技术挑战与解决路径 95
3.4.1 植物基食品制造技术挑战 95
3.4.2 植物基食品制造技术解决路径 97
参考文献 100
第4章 动物细胞培养蛋白与肉制品制造 103
4.1 动物细胞培养蛋白概述 103
4.1.1 动物细胞培养蛋白的起源与发展 103
4.1.2 动物细胞培养蛋白的制造技术体系 106
4.1.3 动物细胞培养蛋白的机遇与挑战 108
4.2 动物种子细胞获取及建系技术 111
4.2.1 动物种子细胞分离提取技术 111
4.2.2 动物细胞纯化技术 113
4.2.3 多能干细胞系构建技术 115
4.2.4 永生化细胞系构建技术 119
4.3 动物细胞大规模培养技术 121
4.3.1 细胞体外增殖调控技术 121
4.3.2 无血清培养基开发技术 124
4.3.3 生物反应器扩大培养技术 128
4.4 动物细胞中蛋白质合成调控技术 132
4.4.1 肌原纤维蛋白合成调控技术 132
4.4.2 肌浆蛋白合成调控技术 136
4.4.3 基质蛋白合成调控技术 138
4.5 动物细胞三维培养技术 140
4.5.1 可食用的细胞支架材料 140
4.5.2 三维组织成型技术 143
4.6 动物细胞培养蛋白的案例分析 146
4.6.1 细胞培养鸡肉 146
4.6.2 细胞培养牛肉 147
4.6.3 细胞培养海鲜 148
4.7 动物细胞培养蛋白的安全与监管 149
4.7.1 动物细胞培养蛋白的安全保障 149
4.7.2 动物细胞培养蛋白的监管政策 154
参考文献 157
第5章 微生物蛋白新资源 164
5.1 微生物蛋白的发展与应用 164
5.1.1 微生物蛋白概述 164
5.1.2 微生物蛋白的发展与前景 165
5.1.3 微生物蛋白的应用 169
5.2 微生物蛋白的生产流程 172
5.2.1 微生物蛋白的种类 173
5.2.2 微生物蛋白合成原理 175
5.2.3 微生物蛋白生产原料 176
5.2.4 微生物蛋白生产工艺 178
5.2.5 微生物蛋白相关生产技术 182
5.2.6 微生物蛋白当前生产趋势 183
5.3 微生物蛋白食品的风险评估与监管 185
5.3.1 微生物蛋白安全性评价 186
5.3.2 微生物蛋白营养性评价 188
5.3.3 微生物蛋白对环境的影响 189
5.3.4 微生物蛋白的监管框架 189
5.3.5 微生物蛋白的未来展望 190
5.4 微生物蛋白来源与功能扩展 190
5.4.1 微生物蛋白来源与功能扩展概述 190
5.4.2 微生物物种作为微生物蛋白的来源及应用 191
参考文献 195
第6章 微生物蛋白菌株选育与生产技术 197
6.1 应用于微生物蛋白菌株选育的高通量筛选 197
6.1.1 高通量筛选技术 197
6.1.2 微流控技术高通量筛选 204
6.2 应用于微生物蛋白的微生物工程 208
6.2.1 微生物工程工具 209
6.2.2 微生物工程应用于原料生产 209
6.2.3 微生物工程应用于基于生物质的微生物蛋白生产 210
6.2.4 微生物工程应用于多功能微生物蛋白生产 211
6.2.5 微生物工程生产单细胞蛋白的挑战 211
6.3 应用于微生物蛋白的合成生物学 212
6.3.1 合成生物学技术 212
6.3.2 利用合成生物学在微生物中生产乳蛋白 215
6.4 过程强化与规模化制造 218
6.4.1 微生物蛋白生产菌株的选择 218
6.4.2 微生物蛋白生产的潜在基质 219
6.4.3 发酵过程优化与控制 220
6.5 分离纯化与品质评价 224
6.5.1 微生物蛋白分离纯化 224
6.5.2 微生物蛋白品质评价标准 230
6.6 产品案例分析 234
6.6.1 丝状真菌蛋白产品 234
6.6.2 酵母蛋白产品 237
6.6.3 大型真菌（蕈菌）蛋白产品 238
6.6.4 以一碳化合物为原料的细菌蛋白产品 239
6.6.5 基于精准发酵的高附加值蛋白产品 241
参考文献 242
第7章 其他食品蛋白 245
7.1 藻类蛋白 245
7.1.1 藻类蛋白的发展概况与应用现状 245
7.1.2 藻类蛋白的生产与加工技术 252
7.1.3 藻类蛋白的安全与监管 258
7.1.4 藻类蛋白的产业化研究 261
7.2 昆虫蛋白 265
7.2.1 昆虫蛋白的发展概况与应用现状 265
7.2.2 昆虫蛋白的生产与加工技术 269
7.2.3 昆虫蛋白的安全与监管 273
7.2.4 昆虫蛋白的产业化研究 276
参考文献 277

第1章 食品蛋白新资源
　　刘延峰 武耀康 陈坚
　　1.1 食品蛋白需求及供给方式
　　1.1.1 食品蛋白概述
　　蛋白质作为人体生理、生化的重要组成部分，是人类至关重要的营养素。在全球食品蛋白质市场中，动物蛋白目前仍占据*大份额，其来源主要为牛奶、鸡蛋、肉类和海鲜等，而非动物蛋白则主要来源于多种植物（如豆类、谷物）以及微生物（如真菌、细菌和微藻）。针对消费者对食品中主要蛋白质来源接受程度的调查结果显示，乳制品蛋白是*受欢迎的蛋白质来源，其次分别是植物蛋白、微生物蛋白、昆虫蛋白和细胞培养肉蛋白。
　　近年来，消费者对所食用的蛋白质来源的关注度显著提升。当前，人口增长、大众健康意识提升、肉类价格上涨，叠加对动物蛋白生产成本及其健康效应的担忧，以及素食主义兴起、道德考量和社会可持续发展等多因素共同作用，推动了植物蛋白市场的快速增长。同时，全球对藻类、真菌等多种可再生且可持续的蛋白质的需求也在不断扩大。
　　关于食品蛋白的相关研究*早可以追溯到20世纪40年代末期，这一时期的研究主要聚焦于植物蛋白（如花生、大豆和小麦蛋白）的营养学特性，主要是对其氨基酸结构进行分析。随着蛋白质分离与提取技术的进步，研究的重点逐渐转向不同来源蛋白质应用的探索。例如，20世纪八九十年代，豆类和水生植物蛋白在食品加工及饲料工业等行业中的应用。
　　鉴于全球范围内对蛋白质需求的日益增长，以及对于可持续发展和健康饮食的迫切需求，改变食物生产体系、引导消费者饮食习惯改变以及寻找更为理想的替代蛋白来源是三种可行的应对策略。其中，寻找可持续的蛋白质来源被视为有效且可行的解决办法。替代蛋白（alternative protein）主要包括从植物、昆虫、藻类以及微生物发酵产物获取的富含蛋白质的成分，这些成分能够取代传统的动物源蛋白质，在不超出环境承载能力的前提下，替代蛋白生产方式能够利用更少的资源产出更多的蛋白质。因此，构建以替代蛋白为主的食品蛋白资源供给体系，对于维护全球食品蛋白供需平衡及推动可持续发展具有十分重要的意义（Chen et al.，2021）。
　　1.1.2 食品蛋白的主要功能及作用
　　食品蛋白是人类至关重要的营养素，具有构建和修补人体组织，构成酶、抗体和激素，参与各类物质运输，调节体液平衡，维持神经系统功能并提供能量等作用。作为人体生理、生化的重要原料，蛋白质是生命活动的主要参与者。相关研究机构建议，成年人每天*低蛋白质摄入量为0.83 g/kg体重（如一个体重70 kg的成年人，每天*少需摄取58 g蛋白质）。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）2023年的相关统计数据，世界各国对蛋白质的需求极为庞大，且呈逐年上升趋势。
　　1.蛋白质在人体内的功能
　　人体内几乎所有的生理过程都需要蛋白质的参与。其中，主要的功能蛋白包括转运蛋白（如血红蛋白和铁蛋白）、结构蛋白（如胶原蛋白）、收缩蛋白（如肌动蛋白和肌球蛋白），以及参与人体生化反应的酶、激素等。图1？1 展示了蛋白质在人体内的主要功能。
　　1）提供结构基础
　　蛋白质是构成人体器官、肌肉、生物体液、激素、酶、神经递质等的结构基础。人体无法储备蛋白质，因此保证食品蛋白的持续供应极为关键，这能保证为组织修复、生长发育以及其他生理功能提供所需的氨基酸和其他含氮前体。在人体发育和生长阶段，若蛋白质摄入不足，将会影响身体各组织和器官的正常发育和功能完善；对于成年人而言，若蛋白质摄入不足，则可能会导致身体部分组织及肌肉的分解，以满足人体关键功能蛋白（如胰岛素和血红蛋白）合成所需的氨基酸和其他含氮前体。
　　2）参与体内生化反应
　　蛋白质也可作为酶参与体内生化反应，促进合成人体所需的各类代谢产物。酶在信号转导、细胞调控、运动、消化等方面都发挥着不可或缺的作用，它们通常以特定的顺序发挥功能，一旦缺失关键酶，将导致相应代谢通路的紊乱或中断。例如，在糖酵解过程中，己糖激酶的催化下，葡萄糖可以与ATP发生反应生成磷酸化的葡萄糖？6？磷酸，并*终在一系列酶的作用下转化为丙酮酸盐。
　　3）运输营养物质
　　蛋白质在人体内还可作为不同器官、组织、细胞之间运输营养物质的载体。例如，血红蛋白和肌红蛋白可参与氧气从肺到其他器官、组织、细胞的运输，脂蛋白可将脂质分子从小肠运输到身体的各个部位。除此之外，还有一系列参与人体营养代谢的重要转运蛋白，如铁蛋白、视黄醇结合蛋白和铜蓝蛋白等。
　　4）维持体液平衡
　　蛋白质也参与维持体内的体液平衡。在动脉中，血压推动血液进入微小的毛细血管，然后进入细胞外空间，为细胞提供必要的营养。然而，由于血液中的蛋白质（如清蛋白）过大，它们无法进入细胞外空间。这些蛋白质会留在毛细血管床内，通过吸收适量从细胞外空间回流的液体，维持体液平衡。如果蛋白质摄入不足，血浆蛋白浓度下降，会导致组织中过多的液体积聚，引发组织肿胀，这种状况被称为水肿。此外，细胞膜上的蛋白质还起着调节机体酸碱平衡和维持体内pH的重要作用。
　　5）提供免疫功能
　　蛋白质是维持免疫系统的核心物质基础，也是起到关键作用的效应分子。蛋白质分解产生的氨基酸在免疫反应中起重要作用，其既可调节T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤细胞和巨噬细胞的活性，又可调节细胞氧化还原状态、基因表达、淋巴细胞增殖，同时还参与抗体、细胞因子和其他细胞毒性物质的生成，从而确保机体免疫稳态和生命活动的维持。例如，谷氨酰胺是免疫细胞的主要能量底物，它的存在对于机体发挥免疫作用非常重要。在病毒感染的情况下，免疫细胞对氨基酸的需求会急剧攀升，若蛋白质摄入不足便会导致免疫系统功能异常，增加病毒感染的风险，进而可能引发疾病。因此，针对营养不良或者感染病毒的个体，在膳食中适当补充特定氨基酸（如精氨酸、谷氨酰胺和半胱氨酸）有助于增强免疫力，减少疾病的发生，并降低死亡率。
　　6）为身体提供能量
　　与碳水化合物和脂质类似，蛋白质可以为人类提供能量。肝能够将氨基酸分解形成碳骨架，并进一步将其氧化分解以供能。蛋白质在体内氧化成水和二氧化碳后能够释放4.1 kcal/g的能量，这一数值与淀粉相当，但低于脂质释放的能量（9.4kcal/g）。然而，由于这些营养素并未被完全消化，且体内的蛋白质氧化并不完全，因此食品蛋白部分能量会被用于合成碳水化合物（如淀粉、糖等）和脂肪。通常情况下，人体所需能量的10%～20%来源于食品蛋白。当处于禁食或饥饿状态时，机体会使用蛋白质通过糖异生途径合成葡萄糖，以满足禁食初期维持身体各项功能的基本需求。相比碳水化合物和脂肪，食品蛋白能提供更多的饱腹感，这主要归因于血液中氨基酸浓度的提升、厌食激素水平升高、饥饿激素的长期抑制、饮食诱导的产热增加（休息时能量消耗增加）以及生酮状态的综合作用。
　　此外，由于蛋白质对细胞和组织生长至关重要，因此在快速生长或营养需求较大的时期，如儿童期、青春期、孕期和哺乳期，摄入足够的蛋白质尤为重要。步入老年后，尽管由于代谢率降低和久坐不动的生活方式，人体对食品蛋白和能量的总需求会降低，但蛋白质与能量需求的比例却有所增加（Loveday，2019）。无论是植物性还是动物性蛋白，都能提供人体所需的蛋白质，表1？1 列举了生活中常见的高蛋白动植物食物来源。
　　2.食品蛋白在人体健康中的作用
　　如前所述，蛋白质在人体内发挥着至关重要的作用。食品蛋白的摄入能够为人体内各类蛋白质的合成提供必需原料，蛋白质营养还参与人体生长发育与骨骼肌积累、免疫调节及疾病控制等。因此，充足的蛋白质营养对于维持人类的*佳生理状态与健康至关重要（Moughan，2021）。
　　1）蛋白质营养与儿童的成长与健康
　　蛋白质在组织中，特别是在骨骼肌中的积累，对儿童生长至关重要。相较于成年人，儿童对蛋白质营养不良的反应更敏感。有证据表明，蛋白质缺乏是全球数百万儿童生长受阻的主要因素。此外，食品蛋白缺乏的婴儿和儿童还可能出现免疫功能下降，以及对传染病易感性增加的问题（Loveday，2019）。
　　2）蛋白质营养与衰老
　　人类对蛋白质的饮食需求在整个生命周期中存在显著差异。以往观点认为，成年人随着年龄的增长对食品蛋白的需求会减少，但*近的研究表明，增加高质量蛋白质的摄入有助于减轻老年人的肌肉流失。相关研究报告表明，老年人更易受到食品蛋白摄入不足的负面影响（Shi et al.，2023）。当食品蛋白摄入量减少时，老年人的身体为应对能量需求、免疫应答和其他生理过程，会分解骨骼肌蛋白以提供所需的氨基酸。在蛋白质营养不良的情况下，骨骼肌合成蛋白质的能力亦会下降，进而加速肌肉萎缩。
　　蛋白质营养是影响人类衰老的重要因素之一。当前，全球正面临人口老龄化的趋势，多数国家人类预期寿命亦在持续延长。骨骼肌的质量和功能是影响老年人生活质量的重要因素，其状态受到营养状况，尤其是食品蛋白摄入水平的影响。研究表明，当用于蛋白质合成的可利用氨基酸浓度较低时，老年人骨骼肌的合成代谢反应会受损；而随着氨基酸供给的逐渐增加，受损现象会得到改善。
　　3）人体的氨基酸和胰岛素敏感性
　　除了作为骨骼肌蛋白合成的底物外，氨基酸在调控胰岛素敏感性方面也具有重要作用。随着代谢组学的发展，体内支链氨基酸（branched？chain amino acid，BCAA）浓度的升高已被证实是成人、儿童和青少年糖尿病发生风险的早期预测指标。研究表明，肥胖和胰岛素抵抗个体的血液中BCAA（主要是亮氨酸）水平较高。除亮氨酸外，研究还进一步确认了甘氨酸与胰岛素作用密切相关（Loveday，2019）。目前，氨基酸在代谢功能障碍中的确切作用机制尚不明确，有待未来深入研究。
　　当前，关于食品蛋白对人类整体健康的生物学需求和作用，仍有许多悬而未决的问题。针对老年人的食品蛋白**摄入量的确定，仍需开展大量研究。制定*佳的蛋白质摄入标准，对提升老年人的身体机能，改善身体健康状态有极大的帮助。此外，改变老年人的饮食习惯可能有助于提高蛋白质或氨基酸的利用效率，进而促进骨骼肌合成。综上所述，科学摄入蛋白质并适当增加体育运动，是发挥食品蛋白*大效能、维护老年人骨骼肌健康的双重保障。
　　1.1.3 食品蛋白的市场需求及趋势
　　全球食品蛋白市场规模约400亿美元，并预计将以10.5%的复合年均增长率（compound annual growth rate，CAGR）持续扩大。随着消费者对各类蛋白质食品（如黄油、烘焙产品、酸奶、牛奶和香肠等）的需求不断增长，食品蛋白市场也获得了长足的动力，并实现了快速的发展。人们健康意识的提升以及对这些产品消费量的增加，进一步推动了市场的扩增。此外，制造商正持续加大对蛋白质创新研究的投入，特别是在开发含有广谱氨基酸或具有特殊功能性的蛋白食品方面，这也将为市场带来巨大的增长潜力。
　　动物蛋白在市场上占据主导地位，其收入占比超过全球蛋白市场的70.0%。对动物蛋白的高需求正在进一步推动肉类蛋白质的消费。动物蛋白提供的众多健康益处也得到了强有力科学证据的支持，并获得了政府食品监管机构的认可。例如，乳清可提高谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平，并改善接受放疗与化疗的癌症患者的营养状况，增强其免疫力。
　　与动物蛋白相比，植物蛋白价格相对便宜，这一优势有望推动植物蛋白市场的增长。此外，随着素食主义群体的扩大，植物蛋白的消费也在持续攀升。目前，消费者普遍认为植物产品比动物产品更健康，这也促使大豆和小麦衍生产品的应用范围越来越广。与大豆和小麦蛋白相比，豌豆蛋白当前的市场份额相对较低，但预测数据显示豌豆蛋白的复合年均增长率将会进一步提升。得益于优质植物作物的可用性和丰富性，豌豆、苜蓿、坚果、马铃薯、猕猴桃种子和苋菜等作为优质蛋白质来源，在新西兰受到了广