合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究.pdf

拓展食物边界拓展食物边界合成生物推动新食品加速创新合成生物推动新食品加速创新Chapter 1 Chapter 1 技术驱动下的新食品技术驱动下的新食品合成生物学成为推动新食品发展的关键技术05Chapter 3 Chapter 3 替代蛋白：未来食品的重要构成替代蛋白：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16Chapter 4 Chapter 4 食品添加：食品工业边界拓展食品添加：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21Chapter 5 Chapter 5 微藻：极具潜能的植物基新食品微藻：极具潜能的植物基新食品经济性和环境友好的细胞工厂2947展望展望48版权说明版权说明导语导语03Chapter 2 Chapter 2 新食品全球政策环境新食品全球政策环境全球政策利好进一步加强402023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究导语：合成生物推动新食品加速创新导语：合成生物推动新食品加速创新3自1953年沃森和克里克解密DNA双螺旋结构后，人类进入到了基因时代；1976年基因测序方法问世；2000年人类基因图谱绘制完成，对基因组的研究进一步深入，从此开启合成生物学的新纪元。生物学的研究已经由定性描述发展为定量描述，直至今天的生命创造。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。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。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，确定了生物导语：合成生物推动新食品加速创新导语：合成生物推动新食品加速创新4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。“大食物观大食物观”拓展了传统的食物边界拓展了传统的食物边界，“新食品新食品”应运而生应运而生。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。本报告选取合成生物技术在新食品中应用的典型场景本报告选取合成生物技术在新食品中应用的典型场景，重点关注替代蛋白重点关注替代蛋白、食品添加食品添加剂与食品原料的创新；同时剂与食品原料的创新；同时，微藻作为新兴的植物基食品微藻作为新兴的植物基食品，亦可作为合成生物的底盘细亦可作为合成生物的底盘细胞胞，本报告也将关注其应用与发展潜力本报告也将关注其应用与发展潜力。5技术驱动下的新食品技术驱动下的新食品合成生物学成为推动新食品发展的关键技术合成生物学成为推动新食品发展的关键技术Chapter 1Chapter 1合成生物学：构建高效表达的细胞工厂合成生物学：构建高效表达的细胞工厂分子水平理性构建细胞合成生物为食品生产带来新方法精密发酵：生产放大的必经之路精密发酵：生产放大的必经之路原料与设备，决定生产成本的两个关键项发酵革新，向理性设计迈进分离纯化：高效率获得目标产物分离纯化：高效率获得目标产物技术与商业化成熟度技术与商业化成熟度食品成为全球合成生物市场重要增长极市场、政策双推动，新食品赛道走向下半场价值链各环节极具潜力的研发方向合成生物学：构建高效表达的细胞工厂合成生物学：构建高效表达的细胞工厂6关键技术关键技术时间时间概述概述生物开关和振荡模型2000年利用生物基因元件在大肠杆菌中构建逻辑（门）线路，将工程科学的研究理念引入生命科学领域青蒿素前体生物合成2003年在大肠杆菌底盘细胞中，采用异源基因元件，成功合成青蒿素前体，展示了合成生物技术提升代谢工程能力的巨大应用前景氨基酸代谢生物燃料2008年通过改变大肠杆菌氨基酸生物合成途径，生产出生物原料异丁醇原核生物基因组合成2010年第一个完全由合成基因组构成的丝状支原体原核生物CRISPR-Cas92012年利用CRISPR-Cas9技术对目标DNA剪切，从而达到基因编辑的目的，成为基因编辑手段的里程碑真核生物染色体合成2014年首次组装起真核生物合成染色体，并在酵母细胞内正常发挥功能人工合成最小细菌2016年构建出只有473个基因的原核生物大麻素合成2019年首次在酵母菌中合成大麻素及其相关衍生物CO2人工合成淀粉2021年首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成表1丨2000-2022年合成生物学研究代表性进展（来源：公开资料、DeepTech）1900年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的诞生，1953年DNA分子双螺旋结构模型的建立标志着对生命的研究进入基因时代，2000年具有“逻辑线路”的基因元件在大肠杆菌细胞中被构建，生命科学的发展从此进入合成生物学时代，一场跨越百年的生物学革命，带领人类迅速由“观测和描述”进入“创造”阶段。即使人类对生命的本质认识还远远不够，仍然抵挡不住生命科学的工程化进程，合成生物学为生命科学研究提供了可定量、可计算、可预测的全新方法论，为人类社会发展的重大问题提供了全新的生物学解决方案。2004年麻省理工科技评论将合成生物学评为当年十大突破性技术之一，下表梳理了2000-2022年合成生物学研究代表性进展。7合成生物学在分子水平上对生命系统开展了重新设计和改造合成生物学在分子水平上对生命系统开展了重新设计和改造，形成了三大技术领域的分支，分别是“基因电路”、“基因组人工合成”、“理性设计细胞工厂”。合成生物学实现了理论方法和应用实践螺旋上升的态势，基因电路的研究建立模块化工具库，特别是基因编辑技术的突破，空前加快了细胞代谢网络调控，工程应用的提升扩大了合成生物学的研究领域；面对生命科学的复杂问题，积极引进AI等数字化技术，建立结构化和抽象化的科研，提升研究效率，赋能产业化。分子水平理性构建细胞分子水平理性构建细胞图1丨合成生物三大技术领域（来源：公开资料、DeepTech）基因电路基因电路 构建细胞控制系统，使细胞进入多种稳定状态 模拟生物发育过程信号进而调控细胞 积累模块化基因元件 生物开关、逻辑门、振荡模型等突破性技术0202基因组人工合成基因组人工合成 构建更小的生物基因组 建立高度可控和可预测的生物细胞 取得了原核生物基因组合成、真核生物染色体合成等成果01010303理性设计细胞工厂理性设计细胞工厂 改造和转移一系列基因，理性设计人工生物体系 代谢网络调控，实现天然产物的从头合成 代表成果有青蒿素前体生物合成、氨基酸代谢生物燃料、大麻素合成、CO2人工合成淀粉等合成生物为食品生产带来新方法合成生物为食品生产带来新方法8科学家通过调整代谢通路中各种基因元件的表达，通过“设计-构建-测试-学习”循环的工程方法，构建高效细胞工厂。以理性设计细胞网络为手段，降低副产物，减少抑制物，提升生产效率，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。在食品领域在食品领域，合成生物学为合成生物学为研发研发赋能赋能，为大规模食品生产建立新方法为大规模食品生产建立新方法，开发多种功能的替代蛋白、合成天然稀有产物、提供微生物油脂、生产食品添加剂和食品原料，研发风味、质构、形态可控的食品产品，实现更安全、更营养和更可持续的食品获得方式。值得注意的是，用作食品领域的底盘细胞需要较为谨慎的选择，尽管欧美等其他国家对大肠杆菌等非食品级的细胞所表达的产物接受程度较高，但选择食品安全级底盘细胞仍然非常有必要，如酵母菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等都是比较好的选择，对此类底盘细胞的合成生物学开发尚需加速成熟。类别类别释义释义应用举例应用举例替代蛋白以食品技术替代动物蛋白来源细胞培养肉微生物发酵蛋白：酵母蛋白人造奶：乳清蛋白、酪蛋白肌红蛋白鱼肉食品添加剂改善食品品质的化学合成或天然物质甜味剂：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：母乳寡糖色素：-胡萝卜素、花青素维生素：维生素E香精香料：香兰素其他：抗氧化剂、防腐剂新食品原料无传统食用习惯的新研制食品原料透明质酸、拟微球藻、莱茵衣藻功能食品原料营养或调节生理活动的食品成分人参皂苷、胶原蛋白、四氢嘧啶、麦角硫因表2丨合成生物细胞工厂在食品领域应用（来源：公开资料、DeepTech）精密发酵：生产放大的必经之路精密发酵：生产放大的必经之路9发酵，即借助微生物的生命活动，来获得微生物菌体、直接代谢产物或刺激代谢产物的过程。中国有着悠久的发酵历史，如酸奶、酒类、泡菜、酱油等都是传统的发酵食品。随着近代工业的发展，氨基酸工业（谷氨酸钠为代表）、有机酸工业（柠檬酸为代表）、酶制剂工业（淀粉酶为代表）、淀粉糖工业和酵母工业等，形成了中国相当规模的发酵工业体系。中国作为发酵产业的生产大国，在维生素、抗生素、氨基酸等领域始终处于国际产量前列，但仍然存在着较大的产业升级空间，截至2021年核心菌种自主率不足20%，其中氨基酸的菌种自主率不足5%，大量核心技术和精密设备依赖于进口，产业数字化进程缓慢等都是面临的巨大挑战。精密发酵作为发酵领域的一个分支，以微生物为细胞工厂，通过发酵获得高纯度目标产物。精密发酵并非新鲜事物，在中国有着较成熟的产业基础，如利用基因工程改造微生物来生产人类胰岛素、生长激素、酶，以及维生素和部分营养补充剂等。相较于传统发酵，精密发酵作为最“年轻”的发酵技术之一，承担着合成生物学下游生产的巨大任务。小试小试 提高发酵产率 确定最佳工艺路线 工业原料替代化学试剂中试中试 验证和使用方法 确定经济技术指标 提供少量产品产业化产业化 技术参数稳定 重资产、高投入 提供大量标准化产品研发研发 概念验证 细胞工厂构建 从0到1产品开发图2丨精密发酵从研发到产业化路径（来源：DeepTech）原料与设备，决定生产成本的两个关键项原料与设备，决定生产成本的两个关键项10精密发酵另一个重要领域是培养基的研发精密发酵另一个重要领域是培养基的研发，由于细胞工厂的底盘细胞和目标产物不同，需设计针对性的培养基。在成熟的发酵产业链中，各参与企业的竞争，实质上是对工艺、成本、稳定性和规模的控制，培养基与发酵菌种的适配，简化工艺流程，提升整个生物反应效率，降低成本，提升产品批次间的稳定性，才能真正实施于大规模生产。在生产过程中，培养基总成本占有较大比重，按菌种和产物的不同，成本可达38%-72%，有机碳源通常是发酵成本中的主要组成。在培养基成分上选择天然物料，优先考虑农业生物质废料作为原料，可以实现成本可控、环境友好，如以木质纤维素替代蔗糖、淀粉等碳源；除生物质外，甘油和C1（CO、CO2、甲烷和甲酸盐等）资源作为碳源也受到了广泛关注。发酵原料发酵原料精密发酵精密发酵目标产物目标产物碳源氮源生长因子诱导剂杂质替代蛋白食品添加剂新食品原料功能食品原料图3丨精密发酵原料、产物（来源：DeepTech）在培养基中避免或减少使用昂贵的生长因子和诱导剂有利于进一步降低成本。由于工业级培养基存在较多的抑制剂和不可发酵组分等杂质，需要深入解析底盘细胞的耐受机制并针对性改造。发酵设备全球产能仍然有限发酵设备全球产能仍然有限，用于精密发酵的发酵设备仅占3%，占比低的原因是由技术和市场双重决定的，一方面精密发酵要求工艺设备的溶氧、pH、温度、进排气控制的精度高；另一方面由于产物附加值比较高，往往生产规模较小。同时，中国工艺设备自主率仍然比较低，发酵产线的建造和调试依赖进口。发酵革新，向理性设计迈进发酵革新，向理性设计迈进11发酵过程微生物的生长状态尚未完全解析发酵过程微生物的生长状态尚未完全解析，与合成生物学对细胞的理性设计不同，目前对发酵的工艺控制仍以经验为主，尚未有数学模型能完全预测生物发酵过程。合成生物学的不断发展，通过不同条件不同发酵阶段的样品多组学分析解析代谢特征，以实现发酵过程的定向调控，提升目标产量，减少杂质产生。一旦微生物在大规模发酵的生长代谢状态被清晰描绘，就可以颠覆现有的发酵工业逻辑，由“自上而下”的经验摸索，转变为“自下而上”的理性设计。与此同时，传统化工行业的巨头也没有坐以待毙，如杜邦、巴斯夫、LG化学、帝斯曼等都已在合成生物方面有了很多布局，而他们有着更多的产业化成功经验。黎明前的黑暗，风平浪静却又危机四伏，如何打通产业链上下游是摆在已度过早期研发阶段公司面前的现实问题。精密发酵在传统工业的革新上，生物医药领域已经给出了可借鉴的路径，CMO合同加工外包在已发展出成熟的商业模式，甚至已经成为了中国新药获批上市的加速器。在精密发酵领域，是否能够创新出相似于CMO的生产模式（而非现有的OEM代工生产模式），以知识技术密集型服务，图4丨发酵竞争力影响因素（来源：Trends in Biotechnology）最大程度发挥生产经验、资源和技术优势，有待市场和创新者的实践。随着工业4.0的进程，以机器人、智能传感器、人工智能、物联网和大数据作为主要推动力的新技术，为未来食品的发展提供无限想象。分离纯化：高效率获得目标产物分离纯化：高效率获得目标产物12产物分离纯化作为大规模生产流程中的最下游，在传统的食品工业发酵中并非高成本环节，发酵用微生物往往作为产品的一部分（如发酵乳制品、活性酵母），或以混合物作为最终产品（如酱油、泡菜等）。在新食品产业中在新食品产业中，产品的分离纯化成为了不可或缺的一个环节产品的分离纯化成为了不可或缺的一个环节，成本占比随之提升成本占比随之提升，如食品添加剂、香精香料、乙醇、柠檬酸等，都需要以纯物质作为产品。在细胞工厂中，产物大都在细胞内积累，首先需要对细胞进行破碎，此过程往往产生大量的能源消耗；然后采用过滤、沉淀、离心、干燥等技术将目标产物分离。值得注意的是，此分离纯化的方式仍然较为粗放，仍需进一步精制，但提纯技术在近些年并未有重大突破，在食品组分要求更加清晰的替代蛋白、食品添加剂、新食品原料、功能食品原料等领域，提纯技术亟待更大的突破。研究如何从混合物中把一种或几种物质分离出来，是一个应用性很强的领域，涉及物理、化学、生物学等方面的知识和操作技术。参考生物医药领域，生产环节下游需要通过分离纯化提高产品的纯度和收率，保障产品质量和稳定性，因此分离纯化成为生物药成本降低的重要环节。以生物技术指导下的未来食品的发展，将会更多地依赖分离纯化技术，食品作为消费类产品，成本控制势必成为市场竞争的关键环节。构建细胞工厂构建细胞工厂底盘细胞底盘细胞原核生物真核生物无细胞系统理性设计理性设计元件基因组代谢网络筛选生产细胞筛选生产细胞精密发酵精密发酵分离纯化分离纯化发酵原料发酵方式原料控制放大路径产品产品研发阶段产业化阶段图5丨合成生物学从研发到产业化历程（来源：DeepTech）食品成为全球合成生物市场重要增长极食品成为全球合成生物市场重要增长极13据CB Insights预测，到2024年全球合成生物学市场规模将从2020年的68亿美元，跃升至189亿美元。从不同下游行业应用来看，波士顿咨询（BCG）预测到2026年，医疗、科研和工业化工产品三大应用行业的全球市场规模都将超过60亿美元，食物和饮料、农业和消费品将迎来大幅提升，将迎来超过40%的高增长率。麦肯锡预测生物技术的革命在食品领域将聚焦于CRISPR技术、微生物组、蛋白质技术的应用；革命性的能力在于细胞构建、高精度控制、细胞改造能力提升、高通量研发手段等。230427.7722.25723.8020004000600080002019202020212026e图6丨食品饮料行业全球合成生物市场规模（单位：百万美元；数据来源：BCG）现有现有（-20222022）短期短期（20232023-20302030）中期中期（20302030-20402040）长期长期（20402040-）食品添加剂生产基因工程作物食品溯源追踪替代蛋白基于微藻的产品微生物组应用功能性营养组分细胞培养肉食品品质控制减少碳排放增强光合作用作物表3丨合成生物学技术在食品各应用领域爆发加速点预测（数据来源：麦肯锡、DeepTech）市场、政策双推动，新食品赛道走向下半场市场、政策双推动，新食品赛道走向下半场14近年合成生物学在食品领域垂直赛道中，我们明确的看到了一些变化，企业逐步从平台型全能企业，分化出专注于某一垂直领域的企业，在细分市场站稳脚跟后，开始布局更有技术优势和产品壁垒的新兴市场；上下游产业链逐步贯通，从专注于研发到产业链建设，树立领域内产业化标杆。合成生物研发型企业大多已基本完成技术体系的搭建，已有多物质量产能力的企业（态创生物2022年在售原料达30余种），自身独特菌种资源库的企业（中科欣扬建设极端环境微生物资源库），柔性化研发和生产平台的企业（元育生物微藻柔性生产平台），合成生物在食品领域的竞争下半场，将考验产品交付能力、精细化运营能力和产品盈利能力。市场拥抱市场拥抱随着随着“后疫情时代后疫情时代”人们对健康的关注人们对健康的关注，带来了新变化和新机会：带来了新变化和新机会：市场对营养强化剂类的替代蛋白和具备健康功效的功能物质呼声越来越高 用户对微生物蛋白有了更多的了解，开始尝试新鲜的味觉体验 减糖健康追求仍然是饮料类主旋律，对新型甜味剂等食品添加剂持拥抱态度 越来越多具备健康功效的功能性物质进入大众视野政策积极政策积极中国将合成生物作为生物经济发展的重要技术中国将合成生物作为生物经济发展的重要技术，积极的市场政策正在展现：积极的市场政策正在展现：国家重点研发计划“合成生物学”重点专项不断引领新的技术潮流 中国对转基因来源食品添加剂的监管逐步进入常规化审批“双碳”潮流的背景下“负碳”发酵迎来更多机会价值链各环节极具潜力的研发方向价值链各环节极具潜力的研发方向15底盘细胞选择有限，细胞代谢研究不够深入 高通量的底盘细胞筛选，寻找具有改造潜力的细胞 代谢通路研究的突破，实现目标代谢物产量调控1 1底盘细胞研发底盘细胞研发痛点突破生产代谢尚未解析，生产放大中产量损失较多 基于发酵过程开展动态代谢过程的研究 开发适应工业化生产的高鲁棒性细胞2 2生产细胞研发生产细胞研发痛点突破培养基作为生产中最高成本支出项，未能得到较好优化，产品成本较高，底物-产物转化代谢效率较低；发酵过程碳足迹较高 使用农业废弃生物质能替代高成本原料 针对目标产物定制培养基，以提升代谢效率 采用无机碳源以实现绿色低碳生产3 3培养基研发培养基研发痛点突破发酵中生物过程尚未解析，生物反应器与精密发酵细胞适配性差；下游纯化成本高，传统方法高损耗高耗能 创新生物反应器，开发数字化生产体系 通过生产细胞的开发降低副产物，减少产物分离纯化成本 发酵液原位产物回收用于精密发酵4 4发酵与纯化技术研发发酵与纯化技术研发痛点突破合成生物在新食品价值链各环节都有着亟待突破的创新方向：建立研发壁垒，提高元件数据库的容量，积累底盘开发能力经验，结合产业化难度思考细胞改造；提升放大生产能力，沉淀放大经验，积累相关数据，关注发酵的产率优化，开发智能设备辅助生产。16新食品全球政策环境新食品全球政策环境全球政策利好进一步加强Chapter 2Chapter 2美国：技术和商业领先，积极推动合成生物跨学科应用美国：技术和商业领先，积极推动合成生物跨学科应用澳洲澳洲&欧洲：建设科研和产业基础设施，制定发展路线欧洲：建设科研和产业基础设施，制定发展路线中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显美国：技术和商业领先，积极推动合成生物跨学科应用美国：技术和商业领先，积极推动合成生物跨学科应用17美国作为合成生物技术的先驱者，具有最活跃的市场和技术氛围，据数据显示，全球600余家合成生物学企业中有400余家来自美国，是合成生物学全球最大的区域市场。政策监管层面的相对宽松，巩固了这一领先优势地位。提供超过20亿美元资金投入，推进启动该计划，包括美国国防部将在5年内投资10亿美元，用于国内生物工业制造基础设施的建设等。该计划将加速生物技术创新，并在多个领域发展美国的生物经济，包括制药、农业、食品、塑料和能源等一系列行业。核心核心内容内容在未来五年内，将2500亿美元投入科技产业与发展，包括用于应对中国等国的科技竞争。法案尤其强调了关于基础研究科技创新与技术转化的产业应用。首次确定了十大关键技术重点领域，合成生物学技术位列其中。核心核心内容内容强调了生物分子工程、工程DNA、宿主工程和数据科学4条关键技术路径。在未来20年内从健康与医学、粮食和农业、环境生物技术、工业生物技术以及能源5个领域展开合成生物学投资。核心核心内容内容20192019年年 工程生物学：下一代生物经济研究路线图工程生物学：下一代生物经济研究路线图 20222022年年 国家生物技术和生物制造计划国家生物技术和生物制造计划 20212021美国创新与竞争法案美国创新与竞争法案 澳洲澳洲&欧洲：建设科研和产业基础设施，制定发展路线欧洲：建设科研和产业基础设施，制定发展路线18英国较早重视合成生物学发展，学科基础建设处于国际领先水平，重视基础建设和初创企业的支持，2016年即发布合成生物学战略计划。欧盟最早拟定合成生物学发展路线，促进其发展欧洲循环生物经济。20212021年年 英国英国 生命科学十年战略计划生命科学十年战略计划 指出英国已在合成生物学领域投资约4500万英镑，并计划制定相关技术路线图，为建立世界领先的合成生物学产业所需的行动提供建议，并不断加大对合成生物学的初创企业投资。20182018年年 欧盟“工业生物技术创新与合成生物学加速器（欧盟“工业生物技术创新与合成生物学加速器（IBISBAIBISBA）”）”旨在支持工业生物技术和合成生物学来促进欧洲向循环生物经济的转型。为学术科研人员、大企业、初创企业提供研究设施及培训、科研补贴等。20212021年年 澳大利亚澳大利亚 国家合成生物学路线图国家合成生物学路线图 短期（2021-2025年）要提升合成生物学的应用能力，并论证其商业可行性；中期（2025-2030年）要推动合成生物学初步实现商业化发展，建立群聚效应；长期（2030-2040年）要重点发展由市场决定的合成生物学优先应用方向，实现相关产业的规模化增长。20232023年年 英国英国 基因技术（精准育种）条例草案基因技术（精准育种）条例草案（即将推出）（即将推出）为基因编辑技术开发的精确培育植物和动物提供法律支持，将引入一套基于科学的基因编辑技术监管体系。目前仍处于立法程序。核心核心内容内容核心核心内容内容核心核心内容内容核心核心内容内容中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显19中国对新食品的审批结果由卫健委“三新食品”公告公布，包括新食品原料、食品添加剂新品种和食品相关产品新品种。新食品原料的审批周期平均约为12个月，部分食品添加剂新品种申报周期较短，如葡糖氧化酶从受理到批准周期也需要6个月时间。生产或进口食品添加剂新品种，应当向卫健委提交相关产品的食品安全性评估材料，若生产过程中涉及到转基因技术，则会由农业农村部首先评估其生物安全性。2022年共批准“三新食品”75种，其中新食品原料批准5个，受理申请14个，中止审查和不予许可各3个；食品添加剂新品种32个，酶制剂新品种占比40%，大多数为转基因来源。审批整体数量与2021年相比有所减少。农业农村部农业农村部提交“转基因微生物的安全性评估材料”转基因生物安全委员会评审国家卫生健国家卫生健康委员会康委员会提交“三新食品”申报材料国家食品安全风险评估中心评审资料补正（如有）公开征求意见发布批准公告图7丨“三新食品”审批流程（数据来源：公开资料、DeepTech）中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显中国：审批与监管仍然严格，战略部署及政策支持明显20中国正在大力推进对合成生物学研究和开发的战略部署及政策支持，合成生物学市场规模不断扩大，预计2025年有望突破70亿美元。20182018年年“合成生物学研发计划”“合成生物学研发计划”科技部启动“合成生物学”重点研发计划专项，突破基本科学问题，围绕物质转化、生态环境保护、医疗水平提高、农业增产等重大需求，构建实用性的人工生物体系，促进生物产业创新发展与经济绿色增长。发改委发布关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见，聚焦重点产业投资领域，加快生物产业创新发展步伐，支持包括建设合成生物技术创新中心在内的四个领域。20222022年年“新型食品、食品工业化升级、降低传统养殖环境压力”“新型食品、食品工业化升级、降低传统养殖环境压力”发改委印发“十四五”生物经济发展规划，将生物经济作为今后一段时期中国科技经济战略的重要内容，加快发展高通量基因测序技术，加强微流控、高灵敏等生物检测技术研发，推动合成生物学技术创新。并明确提出“发展合成生物学技术，探索研发人造蛋白等新型食品探索研发人造蛋白等新型食品，实现食品工业化迭代升级实现食品工业化迭代升级，降低传统降低传统养殖业带来的环境资源压力养殖业带来的环境资源压力”。20202020年年“合成生物创新中心”“合成生物创新中心”20222022年年转基因“食品营养强化剂”公开征求意见转基因“食品营养强化剂”公开征求意见2021年初，卫健委开放“其他转基因食品添加剂的申报和审批工作”通道，受理其行政许可申请。此前，2017年起卫健委只允许转基因酶制剂新品种的审批。2022年10月，中国国家食品安全风险评估中心发布了2-岩藻糖基乳糖(2-FL)的公开征求意见，用于生产的来源菌种为大肠杆菌，工体菌种为螺杆菌。21替代蛋白：未来食品的重要标志替代蛋白：未来食品的重要标志Chapter 3Chapter 3以合成生物手段高效生产替代蛋白以合成生物手段高效生产替代蛋白乳蛋白：人造奶关键成分卵蛋白：用途广泛的蛋白产品微生物蛋白：蛋白质来源的新渠道代表企业分析代表企业分析未来替代蛋白技术高潜力应用方向未来替代蛋白技术高潜力应用方向高附加值蛋白微生物蛋白以合成生物手段高效生产替代蛋白以合成生物手段高效生产替代蛋白22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%。市场大规模采用替代蛋白的关键拐点为成本竞争力和消费者偏好。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。部分学者部分学者*所在机构所在机构研究领域研究领域林敏农科院生物技术研究所创制新一代农业微生物产品、优质高效农作物新品种和未来合成食品等重大创新产品商业化机会：商业化机会：人造奶研究正处于生产工艺突破和产品商业化的初创阶段，在重要乳蛋白组分的高效合成以及人造奶制品生产工艺等方面存在亟待突破的技术瓶颈。突破乳蛋白合成关键技术成为市场竞争的关键因素。1乳蛋白：人造奶关键成分乳蛋白：人造奶关键成分乳蛋白主要由酪蛋白和乳清蛋白组成，分别约占蛋白总量的80%和20%。乳清中主要含有-乳球蛋白、-乳白蛋白、乳铁蛋白、脂肪球膜蛋白以及免疫球蛋白等。当前已实现利用毕赤酵母（Pichiapastoris）、大肠杆菌（Escherichia coli）等微生物来合成乳蛋白。*如果您也是该领域研究学者，欢迎与我们联系交流以合成生物手段高效生产替代蛋白以合成生物手段高效生产替代蛋白23部分学者部分学者*所在机构所在机构研究领域研究领域刘延峰江南大学从事利用合成生物技术构建细胞工厂用于合成重要营养化学品（燕窝酸、5-甲基四氢叶酸）及食品组分（卵清蛋白、核苷酸）的应用基础研究张荣珍江南大学从事微生物氧化还原酶手性催化和食品酶开发等相关研究商业化机会：商业化机会：鸡蛋蛋白是最通用的成分之一，也是制作大众市场产品必不可少的元素。报道显示已有公司完成在酵母中成功表达鸡卵清蛋白，并用于制作的烘焙食品已在美国上市；以色列初创公司也成功用马铃薯表达卵清蛋白，用于高蛋白含量食品的生产。以合成生物的方式生产替代蛋白的另一推动力是对环境的友好。其一，微生物对氮、磷和其他营养物质的利用效率显著高于植物，减少人工施肥下氮磷流失对环境的影响；其二，微生物发酵显着减少土地和水的依赖，直接与粮食作物竞争土壤和淡水资源，可以规模化合集约化生产；其三，传统的牲畜饲养是温室气体甲烷排放的主要来源，以能量转化角度来看，采用替代蛋白与传统肉类相比可以减少80%以上的碳排放。然而值得注意的是，精密发酵在现阶段仍然是高耗能的生产活动，如果所需能源来源于化石燃料等碳密集型来源，碳排放将由生物排放转变为化石燃料燃烧的排放，站在全生产过程来看，碳排放的减量将是有限的。2卵蛋白：用途广泛的蛋白产品卵蛋白：用途广泛的蛋白产品鸡蛋来源的蛋白是优质蛋白和重要的食品蛋白资源。当前已实现以大肠杆菌作为表达宿主细胞合成和分泌完整的鸡卵清蛋白，已有相关企业开展在多种微生物（如酿酒酵母和枯草芽孢杆菌）中生产的研发。*如果您也是该领域研究学者，欢迎与我们联系交流以合成生物手段高效生产替代蛋白以合成生物手段高效生产替代蛋白24部分学者部分学者*所在机构所在机构研究领域研究领域王钦宏中科院天津工业生物所从事微生物细胞工厂代谢网络在分子，细胞及菌群水平的理解、定向进化与遗传改造，提高工业微生物菌种的生产能力和效率池振明中国海洋大学酵母菌资源、基因组、基因组编辑、代谢途径、代谢工程、调控机理和产物应用商业化机会商业化机会1 1：微生物菌体来源的蛋白具有生长参数稳定、培养基物质高效利用、需要杀虫剂或抗生素等优势，微生物生物质比动植物更有经济价值。有研究表明，使用微生物蛋白对部分预制肉制品（如鸡块、肉饼等）进行替代，可以减少烹饪损失，提升肉质弹性与咀嚼性。商业化机会商业化机会2 2：在碳中和的大背景下，微生物利用一碳化合物生产单细胞蛋白也是当前研究热点，如乙醇梭菌、甲醇酵母等。乙醇梭菌单细胞蛋白产品的消化率较高，有望进一步用于开发新型替代食品蛋白，甲醇酵母也是生产重组蛋白的一种重要平台微生物，已有超过5000种重组蛋白使用甲醇酵母进行生产。3微生物蛋白：蛋白质来源的新渠道微生物蛋白：蛋白质来源的新渠道以微生物为蛋白来源，镰孢霉的真菌蛋白和酿酒酵母的酵母蛋白是两种代表性微生物菌体蛋白。平均蛋白质含量是肉类的22.5倍，是大豆的1.7倍，是新型蛋白获取来源。当前市场已有以酵母为原料的蛋白粉保健品。*如果您也是该领域研究学者，欢迎与我们联系交流（图片来源：britannica）代表企业分析代表企业分析25安琪酵母安琪酵母技术布局技术布局酵母及其深加工。安琪纽特子品牌以酵母及发酵技术为核心、以营养素为主导，从事包括酵母源功能食品原料的开发产业进展产业进展已上市产品包括：酵母蛋白粉、益生菌、酵母锌、酵母硒、酵母多糖产品模式产品模式创新产品、原料供应竞争优势竞争优势酵母生物技术领先优势融资情况融资情况已上市态创生物态创生物技术布局技术布局实现多种物质量产的合成生物制造平台，2022年在售物质达30余种，覆盖医疗、食品、美妆和大宗材料产业进展产业进展食品线具有肽类、维生素、糖类等10余大类物质，可提供配方服务。其中，蛋白类在库产品有奶粉蛋白、甜味蛋白、植物蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等产品模式产品模式原料供应、平台服务竞争优势竞争优势量产技术与自主生产融资情况融资情况2022年获得过亿美元A+轮融资昌进生物昌进生物技术布局技术布局聚焦微生物蛋白、生物合成蛋白的研究开发，产品方向为替代乳制品产业进展产业进展微生物蛋白一期5吨罐实验产线已投产；异源表达乳蛋白计划短期内在美国获批产品模式产品模式创新产品、原料供应竞争优势竞争优势已实现量产融资情况融资情况2022年完成1.4亿元人民币A轮融资代表企业分析代表企业分析26蓝佳生物蓝佳生物技术布局技术布局通过生物质发酵和精密发酵，开发食用真菌菌丝蛋白和动物蛋白产业进展产业进展已开发鸡肉产品、验证表达数种鱼肉蛋白以及食品添加剂产品模式产品模式原料供应竞争优势竞争优势低成本生产与下游纯化工艺融资情况融资情况2021完成上百万美元种子轮融资新奇点新奇点技术布局技术布局微生物发酵海鲜，通过真菌发酵获得蛋白，获得带有海鲜风味的类似动物肉的肌肉纤维产业进展产业进展微生物发酵虾、真菌蛋白原料已研制成功，应用于海鲜替代品产品模式产品模式创新产品、原料供应竞争优势竞争优势成本有望低于真海鲜融资情况融资情况2021年完成数百万元人民币种子轮融资吉态来博吉态来博技术布局技术布局以CO和H为原料生产高性能蛋白和油脂等高价值产品。开放了功能性蛋白、特性油脂及精准营养的对外合作产业进展产业进展生物固碳产酵母蛋白，全工业条件下的连续化中试生产验证产品模式产品模式原料供应竞争优势竞争优势无机碳源气体合成单细胞蛋白技术融资情况融资情况2022年完成数千万Pre-A轮融资（按融资顺序排序，信息来源公开资料）未来替代蛋白技术高潜力应用方向未来替代蛋白技术高潜力应用方向27Cultivated BiosciencesCultivated Biosciences高附加值蛋白高附加值蛋白高附加值蛋白在当前阶段具有较大的高附加值蛋白在当前阶段具有较大的市场竞争力市场竞争力，同时同时，食品作为大众消费食品作为大众消费品品，无法做到持续的高利润空间无法做到持续的高利润空间，当市当市场空间充分打开后场空间充分打开后，势必迎来同类产品势必迎来同类产品的价格竞争的价格竞争。（1 1）乳蛋白乳蛋白、卵蛋白：卵蛋白：市场接受度较高，合成手段日趋成熟，市场竞争将逐步转入下游生产阶段。（2 2）血红素类蛋白：血红素类蛋白：人造肉（包括植物肉和细胞培养肉）的口味改善蛋白成为越来越重要的研发方向。（3 3）乳铁蛋白：乳铁蛋白：食品营养强化补充剂是未来最高附加值产品之一，一旦规模化生产成功，将获得可观的利润空间。通过酵母精准发酵生产出与乳脂相同的脂质成分，提供植物乳制品所需的奶油味，用来改善植物乳制品的口感，应用于高端冰淇淋、糖果、奶酪等。已完成150万美元的种子前融资。Perfect DayPerfect Day一家人造乳蛋白生产商，以合成生物技术通过发酵将植物糖转化为乳清和酪蛋白，可用于制作冰淇淋、黄油和奶酪等食品。2022年收购全球第六大明胶制