【科技.未來】用電和二氧化碳合成蛋白質 未來食物新希望?

撰文:
最後更新日期:

假如有人告訴你,不需要依靠植物和動物,只用水、電和空氣就能製造出食物,你會作何感想?這想法聽起來很瘋狂,然而,Solar Foods——一間創立於2017年的芬蘭公司已經將此付諸現實。該公司計劃於2021年開設全球首間工廠,預計到時每年可生產5,000萬餐的食物,而到2022年年底,產量將提升至每年20億餐。

Solar Foods的成品是類似於乾酵母的蛋白質粉末。(資料圖片/Solar Foods)

Solar Foods主要以水、電和二氧化碳來合成蛋白質,這項技術最初由VTT芬蘭科技研究中心(VTT Technical Research Centre of Finland)和拉彭蘭塔理工大學(Lappeenranta University of Technology)合作研發。具體方法是將水電解為氧和氫,抽取當中的氫,同時向裝有培養液和微生物的生物反應器(Bioreactor)注入二氧化碳、氮、磷和其他微量元素,促使反應器中的微生物發生類似發酵的反應,最後把培養出來的微生物團脫水乾燥,形成類似於乾酵母的粉末(見下圖)。粉末的蛋白質含量為50%至60%,其餘則為碳水化合物和脂肪。

事實上, Solar Foods在生產過程中並無應用太多花巧的科技,也非真的「無中生有」變出蛋白質,它所生產的既非動物蛋白,也非嚴格意義上的植物蛋白,而是單細胞蛋白(single cell protein)。這種蛋白質的生產過程並不複雜,其基本原理是將微生物及微生物細胞生長繁殖所需的物質與原料一起投入到發酵槽中,通過控制培養條件,菌種就會迅速繁殖,然後從發酵液中收集菌體,最後經過乾燥處理,就成為了單細胞蛋白製品。

相較於其他蛋白質來源,單細胞蛋白的優點明顯。由於微生物繁殖速度快,故具有驚人的生產蛋白質能力。有研究進行比較估算過,一頭重500公斤的牛,每24小時只能合成0.5公斤蛋白質,而同樣的時間,只要條件適宜,500公斤的細菌就能生產出1,250公斤蛋白質。

將微生物及微生物細胞生長繁殖所需的物質與原料一起投入到發酵槽中,通過控制培養條件,菌種就會迅速繁殖。(資料圖片/VTT Technical Research Centre of Finland)

單細胞蛋白 九世紀已食用

1966年,麻省理工學院教授Carol L. Wilson首次提出單細胞蛋白一詞,並在翌年舉行的第一屆世界單細胞蛋白會議上,將微生物菌體蛋白統稱為單細胞蛋白。那場會議正式明確了單細胞蛋白可作為人類生產和生活中新的蛋白來源。

單細胞蛋白在人類社會已有廣泛應用,人類食用此種蛋白質亦已有一段歷史。早在九世紀,非洲乍得湖畔的土著已經開始食用單細胞蛋白——螺旋藻;在大西洋對岸的墨西哥,十六世紀的阿茲特克人從德斯科科湖(Lake Texcoco)採摘螺旋藻,並將之混入玉米餅裏售賣。然而,兩者食用的都是天然生長的螺旋藻,要到二十世紀初,才開始有純培養的微生物被當成食物。一戰期間,由於物資極度緊缺,德國政府利用小球藻和酵母這一單細胞蛋白代替了近半的進口動物蛋白,從而度過了糧食危機。

螺旋藻含有大量的蛋白質和其他天然產物,營養均衡,很適合作為單細胞蛋白或深加工的原料。(資料圖片/視覺中國)

此後,單細胞蛋白的研究和應用漸趨成熟及多樣化,許多工農業廢料及石油廢料都被用來培養微生物菌體。上世紀六十年代,英國石油公司利用微生物脫去石油中的蠟,同時生產飼料酵母作為副產品,石油酵母從此問世;七十年代,芬蘭紙漿和造紙研究所用造紙工業的亞硫酸鹽廢液製造飼料酵母;及後,利用甲烷、甲醇、乙醇和乙酸等為原料的單細胞蛋白一一誕生。

不同菌種有不同的生理特性,利用何種原料來生產單細胞蛋白,還要視乎菌種的類型。在接受芬蘭發行量最大的《赫爾辛基日報》(Helsingin Sanomat)採訪時,Solar Foods以商業機密為由,未透露其選用的具體菌種類型。然而,根據Solar Foods向大眾公開的初步生產過程及所需原料來看,無論是電解水而產生的氫氣,抑或是注入的二氧化碳,幾可肯定,Solar Foods選用的菌種應為氫氧化細菌(Hydrogen Oxidizing Bacteria),因為只有它是利用二氧化碳為唯一碳源、氫為唯一能源的化能自養型細菌(Aerobic Chemolithotrophs)。

碳源即生物生長和發育所需要的碳元素的來源。如果生物採用有機物作爲碳源則稱爲異養型(heterotrophic)生物,反之如果採用二氧化碳(CO2)作爲碳源,則爲自養型(autotrophic)。

能量來源指生物在分解代謝中用來製造能量等價物ATP的途徑。若生物使用光作爲能量來源則稱光能營養(phototrophic)生物,否則稱化能營養(chemotrophic)生物。

Solar Foods的生物反應器僅有咖啡杯大小。(資料圖片/VTT)

由此可見,Solar Foods提出的方案並非什麼曠古未有的大發明,其背後的生產原理及思路不過是二十世紀工業化生產單細胞蛋白的一種延續。若要深究Solar Foods有何創新之處,或許是它對可持續理念的貫徹,及其所搭建的一整個可再生能源系統。Solar Foods的生物反應器所用的電來自太陽能,注入的二氧化碳則是通過「碳捕捉」(carbon capture)而來,過程中不僅確保零排放的承諾,更有助減碳。

即使不計生態效益,工業化生產單細胞蛋白本身也具有明顯的生產優勢——原因其實不難理解:在大型的發酵罐中培養微生物,不需佔用大面積的耕地,自然也不受地區、季節、氣候變化和旱澇災害等的影響。

相較於露天生產的傳統綠色農業,這種通過優化配置微生物資源的食物生產方式經常處於無菌的室內環境,因此又被稱為「白色農業」。「白色農業」如何反照出當今食物生產系統的種種問題,它又能否解決全球性的食物危機?請詳見另文《新蛋白質來源助恢復生態 還能解決全球食物危機?》

上文節錄自第142期《香港01》周報(2018年12月17日)《水電空氣作材料 顛覆食物生產》。

【科技.未來】專題相關農業科技文章:
新蛋白質來源助恢復生態 還能解決全球食物危機?
食肉不環保 未來要食科學怪肉?
人造肉有得食未?先要克服三大難關
農場停用抗生素 超級惡菌就能防?

更多周報文章︰【01周報專頁】
《香港01》周報,各大書報攤及便利店有售。你亦可按此訂閱周報,閱讀更多深度報道。



X
X
請使用下列任何一種瀏覽器瀏覽以達至最佳的用戶體驗:Google Chrome、Mozilla Firefox、Internet Explorer、Microsoft Edge 或Safari。為避免使用網頁時發生問題,請確保你的網頁瀏覽器已更新至最新版本。