关注灵元素的小伙伴们，想必有很多合成生物学领域的从业者。今天，灵元素将带领大家一起看看合成生物学在食品微生物领域的前景如何——
万物始发的季节，新的商业化机会也许就在眼前！
Chapter 1 导语
合成生物学成为推动新食品发展的关键技术
Chapter 2 替代蛋白：未来食品的重要构成
市场拐点取决于成本竞争力和消费者偏好
Chapter 3 食品添加：食品工业边界拓展
低成本替代天然提取、高附加值新型产品开发
Chapter 4 微藻：极具潜能的植物基新食品
经济性和环境友好的细胞工厂
· 什么是合成生物学——
合成生物学旨在通过设计和构建人工的生物系统，在基因组学、代谢组学、生物信息学等基础生物学认知之上，对生物系统进行标准化、解耦和抽提。
合成生物学的研究和操作对象可以是某一个基因、代谢通路、细胞、多细胞乃至生物个体，也可以是利用生物学原理的体系如分子芯片、生物传感器等。识别和定义生物学元件使之标准化为确定的输入输出关系，将其在复杂的生物学功能中解耦为简单的要素，再抽提要素建立关系使之构建为可调用的模块化部件，最终通过各类部件实现目标功能。借助工程化思维，可以构建基因电路、基因组人工合成、理性设计细胞网络。
· 合成生物学的应用——
在应用层面，合成生物学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，在食品领域也不断取得引人注目的研究成果，如血红蛋白、母乳中关键成分2’-岩藻糖基乳糖，以及乳铁蛋白的合成等。
· 政策环境——
2021年12月29日，农业农村部印发《“十四五”全国农业农村科技发展规划》，明确“突破合成生物技术，构建高效细胞工厂和人工合成生物体系”，发展未来食品制造的“合成蛋奶油、功能重组蛋白等营养型食品的培养和制造技术”。
2022年5月10日，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，是中国首部生物经济五年规划，确定了生物经济发展的具体任务，明确提出“发展合成生物学技术，探索研发‘人造蛋白’等新型食品，实现食品工业迭代升级，降低传统养殖业带来的环境资源压力。”
2022年10月16日，党的二十大报告中提出“树立大食物观”、“构建多元化食物供给体系”，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。
· 详解“大食物观”——
“大食物观”拓展了传统的食物边界，“新食品”应运而生。从生命活动角度看，能量是生物体运转的保障，食物即能量的来源，要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，带动一系列产业变革。以构建细胞工厂为主要思路，涉及基因工程、代谢工程、蛋白质工程等一系列生物技术，是生物食品产业中最前沿与最活跃的领域。
配合下游发酵技术、分离纯化技术等科学方法，是把理论研究发现转化为实际产品、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。
· 替代蛋白
替代蛋白作为蛋白补充产品逐步走入大众的视野，消费者往往出于对营养和健康的需求，对其有着越来越多的兴趣和包容性。与传统肉类生产相比，以细胞工厂生产替代蛋白可以减少养殖业周期波动带来的不确定性。
虽然替代蛋白具有巨大的潜力，但就技术和市场成熟度来看仍然处于初期阶段，截至2020年替代蛋白市场仅占全球蛋白质零售市场的2%，据波士顿咨询（BCG）数据，预计2035年替代蛋白会占到全球蛋白质消费的11%-22%。
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，在未来展现出强劲的动力。替代蛋白产品往往附加值较高，市场需求量较小，对产品纯度有较高要求。
· 食品添加剂
食品添加剂为改善食品品质和色、香、味，以及防腐和工艺需要而添加进入食品的物质，
如甜味剂（赤藓糖醇、甜菊糖苷、阿洛酮糖）、甜味蛋白（索马甜、巴西甜蛋白）、营养强
化剂（母乳低聚糖HMOs）、色素（β-胡萝卜素、花青素）、维生素、香精香料、抗氧化剂、
防腐剂等，是食品工业的强大助推力。当前采用合成生物学手段生产食品添加剂技术突
破前沿在于低成本替代天然提取、高效生产稀缺产品、开发新型产品。
食品原料包括具有一定功能性的功能食品原料（营养或调节生理活动的食品成分，如人参皂苷、胶原蛋白、麦角硫因、黄酮类化合物等）和无传统食用习惯的新食品原料（如透明质酸、拟微球藻、莱茵衣藻等），随着产品不断的推出与市场教育，用户接纳度越来越高。当前一些产品已开始陆续度过研发阶段，大规模生产也成为竞争的主要方向。
在添加剂和食品原料市场传统巨头林立，已有成熟的供应链和生态，市场并不会为新技术带来的昂贵产品买单。合成生物技术的机会在于高附加值原料，如新型甜味剂、营养强化剂、功能性原料等，适合较小批量生产，市场规模也在快速上升。受限于食品领域的严格审批，新研制产品往往面临较长周期的审批过程，初创企业应采取“短线生产+长线创新”的结合模式，原研创新建议选择多领域通用的“可跨界”产品降低市场风险，如四氢嘧啶、麦角硫因等日化原料，人参皂苷、黄酮类化合物药物原料的食品领域拓展。
· 微藻
微藻是一类结构简单、形态微小的单细胞水生生物，可以用来生产蛋白质、油脂、色素、黄酮、萜类、多糖等多种活性成分。微藻以不到高等植物1%的生物量为地球提供了超过50%的初级生产力和氧气，是光合效率最高的生物类群之一，其负碳能力受到极大关注。微藻细胞生长周期短，抗逆性强，与传统农作物相比，养殖方式灵活且不占用耕地资源，是极具经济和环保价值的新食品原料之一。
对微藻的研究和应用前沿聚焦在微藻细胞的合成生物改造，以人工光源替代太阳光，更好地实现微藻生产中的光调控作用，提高其产率和质量；开发基于叶绿体的微藻细胞工厂开发；开展光合作用优化；亦有研究者构建出异养微藻细胞，对其开展不依赖光源的培养。
中国从2004-2018年相继批准了7种微藻作为新食品原料，2021年以来批准了拟微球藻、莱茵衣藻，批准数量达到了9个。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。
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，企业应当有足够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。
