继人造肉之后人造奶又来了，未来我们不再需要牛羊了吗？

科普中国-科普融合创作与传播 2019-05-20

　　出品：科普中国

　　制作：卓思（日本理化学研究所）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　2019年3月，在日本農芸化学会2019年度大会上日本东京大学和日清食品联合发布，制成了世界上第一块具有真实牛肉类似结构的人造牛排肉¹。5月7日，全球经济研究网站MishTalk的专栏作家Mike Shedlock在一篇文章中介绍了人造奶，又再次将人造食物推向了讨论的热点。

　　科学家们认为在未来，人类不需要饲养奶牛或者肉牛就可以获得奶和肉。尽管目前这种人造食品还需要极高的成本，但很可能成为解决未来资源和环境问题的一条出路。

　　什么是人造奶？

　　其实人造奶的研究和开发并非是新鲜事物，早在2014年，一家名为Muufri的合成乳制品公司就开始研制人造奶，这家公司由加利福尼亚的两位生物工程师Permalmal Gandhi和Ryan Pandya共同创立。当时，他们怀着对乳制品的热情，致力于创造一个美味的非动物乳制品世界。这个公司汇集了厨师、食品开发人员、科学家、工程师和营销人员，他们组成了一支多元化团队来实现这一目标。团队开发出的人造奶“Muufri”于2015年上市。

　　图一，Muufri公司，生产出的人造奶“Muufri”

　　图片来源：https://labiotech.eu/food/muufri-vegan-milk-synbio-startup/

　　人造奶，也就是合成牛奶，是将20种左右营养成分，混合加工而成的类乳饮料。其中主要成分包括利用生物工学手段得到的6种牛奶蛋白，8种脂肪酸，矿物质，维生素，以及糖类，还有约87%的水分。通过调节其成分和配比，这种人造奶可以具有和牛奶相似的成分组成和风味。

　　也许，大家会质疑，仅仅将各种营养成分混合一下，就可以得到人造奶了，那科学家们还研究啥？

　　实际上，人造奶的关键步骤以及核心的研究点在于其中的蛋白质成分。如果想完全脱离用奶牛产奶，人类就需要生产出和牛奶成分基本相同的牛奶蛋白。

　　牛奶中蛋白质的含量大约为3.2%，且成分非常复杂，主要由酪蛋白（casein）和乳清蛋白（lactoal-bumin）两大部分组成。其中，除血清白蛋白、免疫球蛋白来自血液外，所有酪蛋白和乳清蛋白均为乳腺中的乳分泌细胞合成产物。除了以上两种主要蛋白外还有2%的其他微量蛋白，共计大约有40余种。

　　其中，酪蛋白含量约在76%～86%左右，大多数酪蛋白以称为“酪蛋白胶束”的胶体颗粒的形式分散，其直径为0.05至0.3微米，平均约0.1微米。这些颗粒由数十个小颗粒和数十万个大的酪蛋白分子组成，它们在1毫升牛奶中分散为1万亿至15万亿个小颗粒。这也是“牛奶是白色的”的原因之一。

　　除了酪蛋白，余下的大部分为乳清蛋白。其含量在18%～20%，乳清蛋白和酪蛋白不同，是溶于水的球状蛋白质混合物。乳清蛋白是牛奶中主要的氨基酸来源，也是重要的动物蛋白质的来源之一。

　　牛奶蛋白含有必需的9种氨基酸（指人体不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必须由食物蛋白供给的氨基酸）:异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、赖氨酸和组氨酸。而乳清蛋白就含有这9种必需氨基酸，且配比合理，接近人体的需求比例，是人体生长、发育、抗衰老等生命活动不可缺少物质，因此也常称乳清蛋白为优质完全蛋白质。

　　在以米饭为主食的饮食结构中，米饭虽然也是优质完全蛋白质来源，但其中的赖氨酸和苏氨酸含量相对较低，不能满足人体的营养需求，因此可以通过在饮食中加入“牛奶”来提高其他食物的营养价值。乳清蛋白，不仅营养价值高，易消化吸收，还含有多种活性成分。例如，乳铁蛋白是最近引起关注的功能性蛋白质之一，具有抗菌和铁吸收调节和免疫功能调节等作用。

　　除了牛奶蛋白质，构成牛奶的脂肪酸种类也非常多，除了主要的饱和以及不饱和脂肪酸以外，还含有各种微量脂肪酸，共有200种以上。科学家选取由植物中含有的8种脂肪酸加入到人造奶中。牛奶中的脂质，以直径0.1-10微米的脂肪球的形式存在，1毫升的牛奶中含有20-60亿个脂肪球。牛奶中的这些脂肪球和前文提到的酪蛋白，一起成就了白色的牛奶。

　　牛奶蛋白是如何通过人工方法制造的？

　　牛奶蛋白的制造主要利用了基因重组技术，如下图所示。

　　图二，基因重组技术的简略图，作者供图

　　首先，从奶牛细胞中提取染色体，并获得可以合成牛奶蛋白的目的基因。再在奶牛体外将目的基因与被称为细胞质粒的载体连接，形成重组DNA。之后将这个重组DNA再转入到酵母中，并对转化后的酵母进行筛选，挑选出获得重组DNA的个体，这些挑选出的酵母即可合成牛奶蛋白。

　　接着，将这种重组后的酵母在适当的温度和浓度下进行工业化的培养。在几天内，酵母将产生足够多用于生产人造奶的蛋白质。最后，从酵母中进行蛋白质精制，就可以获得大量所需要的牛奶蛋白。

　　目前“Muufri”公司的两位科学家已经用此技术合成了牛奶中主要的6种蛋白质。Muufri牛奶含有的6种蛋白质有助于形成牛奶的基础结构，而添加的八种不同种类脂肪酸则赋予其丰富的味道。

　　除了基因重组技术的应用外，在制造人造奶的过程中，还有一个必要的食品加工过程——乳化²。食物内部是一种复杂的系统，其中水，脂肪和油，碳水化合物，蛋白质，空气，矿物质等混合在一起，这些物质在一个食物中的界面物理性质(指物质相与相的分界面,也可理解为气、液、固三种物质的存在状态)决定了每种食物的色调、光泽度、光滑度、粗糙度和形状等。

　　乳化过程示意图，来源：作者供图

　　对于人造奶而言，为了得到口感和牛奶相似的食物，就需要将蛋白质和脂肪酸制成一个均匀的分散体系。如前文所述，只有酪蛋白和脂肪酸形成小颗粒，才可以维持奶的均匀程度和颜色。实际上，蛋白质、脂肪酸和水很难相容并成为一个均匀的体系，但采用乳化加工工艺、乳化剂等化学手段或高压均质机等机械手段可将酪蛋白和脂肪酸形成胶束，再将两者用水包围形成尺寸在微米左右的胶束。简而言之，乳化工艺就像是给蛋白质和脂肪穿上可以溶解的衣服。

　　牛奶中的脂肪-酪蛋白颗粒示意图，作者供图

　　相对于传统牛奶，人造奶好在哪？

　　1、美味。作为替代奶，人造奶必须尽可能保留牛奶口感和风味。

　　2、高蛋白。牛奶中的蛋白质成分是食物中重要的动物蛋白质来源。例如优质蛋白源乳清蛋白，在人母乳中的含量为60%，而在牛奶中仅有20%，因此可以调整乳清蛋白的含量，使人造奶更有营养。

　　3、不含乳糖。人造奶的另一个好处，就是可以不含乳糖，以满足全球75％的乳糖不耐受人群的需求。乳糖占牛奶成分的4-5%，当人们喝牛奶时，从小肠分泌的乳糖降解酶（乳糖酶）将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖，小肠吸收这些降解后的糖并将其用作能量来源。

　　然而，乳糖不耐症人群³（是指乳糖酶分泌减少并最终不再分泌的人）不能分解乳糖，乳糖将直接通过小肠到达大肠。这时大肠内的乳糖浓度要高于体液中的浓度，因此，根据渗透压的原理，大量的水通过肠壁进入大肠，并试图稀释大肠中的乳糖浓度，最终会引起腹泻。此外，大肠中的细菌会分解乳糖并产生气体，气体积聚会导致饱腹感和胃痛。而不含乳糖的人造奶，可以很好地解决乳糖不耐患者的担忧。

　　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会导致牛奶中残留激素和抗生素。如果长期食用含有过量生长激素成分的牛奶如雌二醇，会增加子宫癌子宫颈癌的发生几率，当血液中浓度过量时也会有生殖毒性，遗传毒性等⁶。

　　除此之外，牛奶中的抗生素也是很大的问题，除了治疗牛的乳腺炎等，一些抗生素也用于促进牛的生长。长期饮用含有过量残留抗生素的牛奶，这些抗生素会杀死肠道内维持人体健康的正常细菌，因而引起健康问题。

　　另外，抗生素的另一个影响是，可以在家畜体内产生对抗生素有抗药性的抗性细菌。当人们由于食物中毒或者感染途径侵入了这些细菌后，以往的抗生素效用就会大减。当这种情况发生时，原本简单的治疗将变得非常棘手，增加了轻度疾病死亡的可能性。例如，耐性黄色葡萄球菌，是极强的多药剂耐性菌，在美国从1999年到2005年由该细菌引起的死亡人数达到了27万人之多⁵。人造奶是人工合成的，因此不会受到激素和抗生素的影响。

　　5、更长的保质期。牛奶中含有大量微生物，需要严格的杀菌才可以保证其质量。而人造奶细菌含量极低，因此可以维持数周而不是数天的保质期，并且不需要冷链运输。

　　6、不含胆固醇。过量摄取胆固醇会引起动脉硬化等问题，我们每天从膳食中摄取的胆固醇量大约是200-500毫克，一杯（250毫升）牛奶只含有25毫克胆固醇。按照正常情况下每天饮用牛奶600毫升计算，胆固醇水平并不会明显升高。相反，牛奶的优质蛋白质有助于维持血管健康并预防动脉硬化。不过，对于高胆固醇人群来说，无胆固醇的人造奶可能会更加适于饮用。

　　7、绿色环保。如下图所示，饲养肉牛、奶牛相比其他家畜更为消耗环境资源。而减少奶牛的饲养数量，可以有效地减少土地使用量、耗水量、降低温室气体排放以及能源消耗。

　　但是！想要喝上人造奶，估计还需要长期的等待

　　人造奶虽然具有如上诸多好处，然而要想通过科学手段获得和牛奶近乎一致的营养配比还需要很长时间的研究实践。另外，人造奶的制造过程也需要高额的支出。举个例子，重组基因获得的胰岛素，一支的价格是80元人民币，而牛奶中的6种蛋白质，每一种都需要通过重组基因酵母生产，可想而知人造奶必然价格高昂。复制牛奶并降低构成人造奶各成分的制造价格，使之成为平价食品还需要很长一段时间。

　　除了人造奶，之前人造肉也获得了突破性的进展。人造肉是指利用取自牛肌肉组织的干细胞，在体外培养出具有和牛肌肉的构造排列和口感都非常相似的，只有麻将牌色子大小的“肉丁”。人造肉不光具有未来代替传统肉类的前景，更使在体外模块化生产身体组织成为可能，为医学领域的疾病研究和药物开发提供了新的途径。

　　科研人员不断地致力于开发人造食物是希望可以减少环境的污染，为未来人类的可持续生存和发展提供新的途径和思考方式。不过，由于目前人造食物高额的研究成本和制造成本，其在未来能否得到有效的推广仍然是个未知数。