出品：科普中國
製作：卓思（日本 理化學研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
2019年3月，在日本農芸化學會2019年度大會上日本東京大學和日清食品聯合發布，製成了世界上第一塊具有真實牛肉類似結構的人造牛排肉1。5月7日，全球經濟研究網站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，人類不需要飼養奶牛或者肉牛就可以獲得奶和肉。儘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境問題的一條出路。
什麽是人造奶？
其實人造奶的研究和開發並非是新鮮事物，早在2014年，一家名為Muufri的合成乳製品公司就開始研製人造奶，這家公司由加利福尼亞的兩位生物工程師Permalmal Gandhi和Ryan Pandya共同創立。當時，他們懷著對乳製品的熱情，致力於創造一個美味的非動物乳製品世界。這個公司匯集了廚師、食品開發人員、科學家、工程師和行銷人員，他們組成了一支多元化團隊來實現這一目標。團隊開發出的人造奶“Muufri”於2015年上市。
圖一，Muufri公司，生產出的人造奶“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，維生素，以及糖類，還有約87%的水分。通過調節其成分和配比，這種人造奶可以具有和牛奶相似的成分組成和風味。
也許，大家會質疑，僅僅將各種營養成分混合一下，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於其中的蛋白質成分。如果想完全脫離用奶牛產奶，人類就需要生產出和牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。
牛奶中蛋白質的含量大約為3.2%，且成分非常複雜，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。這些顆粒由數十個小顆粒和數十萬個大的酪蛋白分子組成，它們在1毫升牛奶中分散為1兆至15兆個小顆粒。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，是溶於水的球狀蛋白質混合物。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、發育、抗衰老等生命活動不可缺少物質，因此也常稱乳清蛋白為優質完全蛋白質。
在以米飯為主食的飲食結構中，米飯雖然也是優質完全蛋白質來源，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價值。乳清蛋白，不僅營養價值高，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之一，具有抗菌和鐵吸收調節和免疫功能調節等作用。
除了牛奶蛋白質，構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，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？
牛奶蛋白的製造主要利用了基因重組技術，如下圖所示。
首先，從奶牛細胞中提取染色體，並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粒的載體連接，形成重組DNA。之後將這個重組DNA再轉入到酵母中，並對轉化後的酵母進行篩選，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，將這種重組後的酵母在適當的溫度和濃度下進行工業化的培養。在幾天內，酵母將產生足夠多用於生產人造奶的蛋白質。最後，從酵母中進行蛋白質精製，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用此技術合成了牛奶中主要的6種蛋白質。Muufri牛奶含有的6種蛋白質有助於形成牛奶的基礎結構，而添加的八種不同種類脂肪酸則賦予其豐富的味道。
除了基因重組技術的應用外，在製造人造奶的過程中，還有一個必要的食品加工過程——乳化。食物內部是一種複雜的系統，其中水，脂肪和油，碳水化合物，蛋白質，空氣，礦物質等混合在一起，這些物質在一個食物中的界面物理性質(指物質相與相的分界面,也可理解為氣、液、固三種物質的存在狀態)決定了每種食物的色調、光澤度、光滑度、粗糙度和形狀等。
對於人造奶而言，為了得到口感和牛奶相似的食物，就需要將蛋白質和脂肪酸製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、脂肪酸和水很難相容並成為一個均勻的體系，但採用乳化加工工藝、乳化劑等化學手段或高壓均質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和脂肪穿上可以溶解的衣服。
相對於傳統牛奶，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。牛奶中的蛋白質成分是食物中重要的動物蛋白質來源。例如優質蛋白源乳清蛋白，在人母乳中的含量為60%，而在牛奶中僅有20%，因此可以調整乳清蛋白的含量，使人造奶更有營養。
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。乳糖佔牛奶成分的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，小腸吸收這些降解後的糖並將其用作能量來源。
然而，乳糖不耐症人群3（是指乳糖酶分泌減少並最終不再分泌的人）不能分解乳糖，乳糖將直接通過小腸到達大腸。這時大腸內的乳糖濃度要高於體液中的濃度，因此，根據滲透壓的原理，大量的水通過腸壁進入大腸，並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並產生氣體，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，一些抗生素也用於促進牛的生長。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，可以在家畜體內產生對抗生素有抗藥性的抗性細菌。當人們由於食物中毒或者感染途徑侵入了這些細菌後，以往的抗生素效用就會大減。當這種情況發生時，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、更長的保存期限。牛奶中含有大量微生物，需要嚴格的殺菌才可以保證其質量。而人造奶細菌含量極低，因此可以維持數周而不是數天的保存期限，並且不需要冷鏈運輸。
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）牛奶隻含有25毫克膽固醇。按照正常情況下每天飲用牛奶600毫升計算，膽固醇水準並不會明顯升高。相反，牛奶的優質蛋白質有助於維持血管健康並預防動脈硬化。不過，對於高膽固醇人群來說，無膽固醇的人造奶可能會更加適於飲用。
7、綠色環保。如下圖所示，飼養肉牛、奶牛相比其他家畜更為消耗環境資源。而減少奶牛的飼養數量，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配比還需要很長時間的研究實踐。另外，人造奶的製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，每一種都需要通過重組基因酵母生產，可想而知人造奶必然價格高昂。複製牛奶並降低構成人造奶各成分的製造價格，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幹細胞，在體外培養出具有和牛肌肉的構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傳統肉類的前景，更使在體外模塊化生產身體組織成為可能，為醫學領域的疾病研究和藥物開發提供了新的途徑。
科研人員不斷地致力於開發人造食物是希望可以減少環境的汙染，為未來人類的可持續生存和發展提供新的途徑和思考方式。不過，由於目前人造食物高額的研究成本和製造成本，其在未來能否得到有效的推廣仍然是個未知數。
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http://www.mac.or.jp/mail/130401/02.shtml
3、乳糖不耐症 ［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、［抗生物質の汎用と抗生物質不使用食品の展望］ 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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