《Frontiers in Nutrition》：Recent strategies in synthetic food production for sustainable food security: applications and challenges
由于人口快速增长、传统农业生产不稳定以及自然资源枯竭，目前满足营养、安全且廉价食品需求面临巨大压力。环境变化也以多种方式影响了畜牧业、林业、水产养殖和渔业生产，可能导致不良健康后果、贸易中断、生计受损和负面经济影响。合成食品生产领域的最新技术发展已被证明是满足安全、营养、优质且定量可持续食品需求的变革性解决方案。本综述旨在阐述需求，并探索细胞、组织和干细胞培养技术（Cell, Tissue and Stem Cell Culture Technologies）、基因修饰生物体（Genetically Modified Organisms, GMO）、微生物发酵技术（Microbial Fermentation Technology）、利用合成生物学的植物蛋白工程（Plant Protein Engineering using Synthetic Biology）、人工智能（Artificial Intelligence, AI）及数字技术（Digital Technologies）等技术创新在合成食品生产中的应用，如培养肉（Cultured Meat）、人工甜味剂（Artificial Sweeteners）、微生物蛋白（Microbial Proteins）、新型脂肪（Novel Fats）、强化及合成乳制品（Fortified and Synthetic Dairy Products），以及具有增强营养特性和可扩展生产潜力的功能性食品配料。本综述还将探讨合成食品在营养保健品（Nutraceuticals）、药品（Pharmaceuticals）、食品防腐剂（Food Preservatives）和食品添加剂（Food Additives）中的应用，突出其在改善人类健康方面的重要作用。本综述的研究结果表明，合成食品的开发可能成为面向不断增长人口的韧性全球食品系统的一种有前景的食品资源。尽管合成食品生产已取得显著进展，但仍面临诸多挑战，如高生产成本、技术优化不足、监管复杂性以及合成食品的安全使用。此外，为实现合成食品产品的成功商业化，需要开发先进技术以降低生产成本，并推动立法框架建设和公众参与。
**引言**
全球食品系统正经历由人口扩张、气候变化和资源枯竭等汇聚压力驱动的结构性转变。传统农业系统，特别是基于畜牧业的生产，因其对温室气体排放、土地退化和水资源消耗的不成比例贡献而日益被认为环境不可持续。与此同时，营养不平等在发达和发展中地区持续存在，表现为营养不良和饮食相关非传染性疾病双重负担。这些挑战凸显了变革性食品生产策略的紧迫需求，即在解除营养产出与生态约束耦合的同时保持可负担性和可扩展性。合成食品生产包括利用先进生物技术工具生产食品，如培养动物干细胞、细胞培养、组织培养、发酵、工程微生物和合成生物学生产特定功能性配料如蛋白质、碳水化合物和脂肪。2002年，美国国家航空航天局（NASA）资助了培养火鸡肉和金鱼肉的研究，可能用于宇航员食品供应。目前全球合成食品市场总值在2022年达160亿美元，预计2022至2032年将增长至310亿美元。北美地区是合成食品生产的领先中心，Symrise AG、Royal DSM N.V.、Naturex SA和Sensient Technologies等公司高度参与合成食品生产。
**合成食品生产的近期技术策略**
合成食品生产作为对传统食品系统环境、伦理和营养挑战的多学科回应而兴起。畜牧业农业对温室气体排放、土地退化、淡水使用和生物多样性丧失贡献显著，特别是在反刍动物系统中，肠道甲烷和土地利用变化占据气候足迹主导地位。同时，由于人口增长、城市化和饮食转变，全球对富含蛋白质食品的需求持续上升，加剧了本已紧张的生态系统压力。这些动态刺激了对"新型"或"替代"蛋白质来源的兴趣，如植物基、微生物、昆虫基和细胞基蛋白质，作为更可持续和更具韧性食品系统的组成部分。
合成食品生产包含多种汇聚方法，包括动物细胞培养、组织工程和3D食品打印、干细胞技术、发酵和单细胞蛋白生产、植物蛋白工程和挤压、合成生物学，以及人工智能赋能的过程优化。各平台在可扩展性、成本、环境绩效、营养质量和监管复杂性方面具有不同优势和局限性。近期综述强调，这些技术最好在系统视角下理解，不同蛋白质来源和加工方法组合以同时应对多重目标，如气候减缓、土地节约和改善营养状况。情景分析表明，细胞农业和微生物蛋白的大规模采用可显著减少农业用地和温室气体排放，尽管实际收益将强烈取决于过程效率、能源来源和政策框架。
**细胞培养技术**
细胞培养技术是培养肉、海鲜和动物源性脂肪生产的基础，通过在受控条件下进行动物细胞的体外扩增和分化实现。通常从供体动物获取小活检样本，分离相关细胞群体，如肌肉卫星细胞、间充质干细胞或其他生肌和成脂祖细胞。早期研究集中于证明肌肉细胞可在动物体外生长并形成简单组织的概念验证。近期工作已转向开发稳健、可扩展的生物过程，以在新兴监管框架内以有竞争力的成本提供一致的生物量。
细胞来源的稳定化和标准化是核心进展领域。原代细胞具有有限增殖能力，且常表现出供体间变异性，这使工业化规模的过程控制复杂化。当前努力强调建立具有明确传代限制、可重复生长动力学和可预测分化潜力的特征化细胞库，如条件性永生化细胞系和针对特定物种及组织类型定制的干细胞衍生祖细胞。培养基成分仍是培养肉技术经济评估中的主要运营成本。历史上，许多方案依赖胎牛血清，这在伦理上存在问题、价格昂贵且不适合大规模食品生产。因此，推动转向无血清和化学限定培养基，使用重组蛋白、植物源性水解物和小分子替代未定义的动物血清。近期研究通过优化受体信号、设计更高效的补料策略，以及针对特定细胞类型的代谢需求调整氨基酸和脂质组成，显著降低了生长因子需求。
从实验室摇瓶到工业生物反应器的规模放大具有技术挑战性，因为动物细胞对剪切敏感且需要狭窄的环境耐受范围。搅拌式和灌注式生物反应器是目前最广泛探索的配置，通常使用微载体或悬浮适应细胞系以提高体积生产率，同时将剪切应力保持在可接受限度内。过程分析技术如pH、溶解氧、关键代谢物和细胞密度的在线监测， increasingly 与先进控制策略和"数字孪生"相结合，以提高重现性、降低污染风险并支持理性放大。技术经济和生命周期分析确定体积生产率、培养基成本、能源需求和污染控制为成本和环境绩效的主要决定因素，强调了将生物学优化与工程和能源系统设计相结合的必要性。
培养肉引发与遗传稳定性、培养基成分、支架材料和长期细胞培养效应相关的重要安全和监管问题。安全档案必须表征整个生产系统：细胞系来源和遗传稳定性；培养基成分，如任何生长因子、细胞因子或未定义血清组分；可能残留于最终产品的支架或载体材料；以及下游加工助剂。长期或永生化细胞系中的遗传不稳定性是关键问题：染色体畸变和表观遗传漂移可在连续生产周期中改变蛋白质表达谱，可能产生早期安全评估中不存在的新过敏原或生物活性肽。新型支架材料——如真菌几丁质、植物源玉米醇溶蛋白和细菌纳米纤维素——以及高滴度表达的重组蛋白的致敏性需要独立评估，因为这些在传统食品安全数据库中尚无先例。
**组织工程和3D食品打印**
虽然细胞培养提供生物量，但组织工程和3D食品打印很大程度上决定了培养产品在质地和感官属性上是否类似于传统肉类。肉类的特征结构——排列的肌纤维、肌内脂肪和结缔组织网络——决定口感、多汁性和烹饪行为。在体外复制这种层级组织仍是培养肉技术中最具挑战性的目标之一。
组织工程策略采用可食用支架，为细胞附着、排列和成熟提供结构支持和指导性信号。近期工作已从生物医学支架如胶原蛋白凝胶或合成聚合物转向基于植物多糖、植物蛋白以及真菌或藻类基质的食品级材料JX，这些材料具有可扩展性、可食用性和可接受性。这些支架必须在机械完整性与孔隙度之间取得平衡，以允许营养和氧气扩散，其硬度和微架构经过调整以促进肌管形成和排列。部分研究还在培养期间施加机械或电刺激以增强肌肉表型，借鉴再生医学概念但将其适应于食品级材料和约束条件。
三维食品打印和生物打印通过控制沉积由植物蛋白、水胶体、脂肪以及某些情况下的细胞组成的墨水，增加了空间精度。大多数当前食品应用使用打印来塑造可合理通量的细胞或低细胞密度基质，然后与培养脂肪或细胞衍生组分结合以改善风味和多汁性。混合方法——如打印植物基纤维基质随后整合培养脂肪细胞或脂肪组分——特别具有吸引力，因为它们可以显著增强感官品质，同时大幅减少每产品所需昂贵培养细胞的体积。剩余挑战包括烹饪过程中维持结构完整性、再现真实的大理石花纹模式，以及将3D打印过程放大到工业相关体积而不产生高昂成本。
尽管创新迅速，组织工程和3D生物打印尚未在任何商业相关规模上展示产品。结构复杂的整块产品如牛排或鸡胸肉需要类似血管化的营养和氧气输送网络，以维持超过几百微米组织厚度之外的细胞活力；没有已发表研究在没有灌注生物反应器支持的情况下实现厘米级厚结构化组织。从安全角度，植物源性支架如去细胞化菠菜或豌豆蛋白凝胶，以及真菌基质如细菌纳米纤维素，尚未在商业规模细胞培养条件下完全评估致敏性或毒理学。商业上，Aleph Farms（以色列）和GOOD Meat（美国/新加坡）是追求结构化培养肉的最先进公司，但两者均承认商品成本仍远高于主流零售可行性。一个更可行的近期途径是生产非结构化培养生物量——碎末形态和脂肪共配料——与植物蛋白基质结合以实现可接受质地，这种混合策略降低了组织工程复杂性，同时在当前生物过程和成本约束内实现感官改善。
**干细胞培养**
干细胞技术为合成食品生产提供可再生和标准化的细胞来源，能够在减少重复动物活检依赖的同时实现广泛扩增和向肌肉及脂肪组织的可控分化，并改善批次一致性。在食品应用中，干细胞培养的主要目标不是多能性本身，而是稳健增殖、可预测谱系定向下和工业条件下的长期稳定性。近期研究表明，通过利用物理和代谢信号如基质硬度、支架组成、机械刺激和能量代谢调节，可以提高分化效率同时降低对昂贵细胞因子的依赖。开发兼容搅拌式生物反应器的悬浮适应干细胞系进一步解决了与贴壁培养相关的可扩展性限制。然而，在长期扩增过程中维持基因组稳定性、防止非预期分化以及减轻潜在致瘤风险仍是规模化实施的关键挑战。
实际上，大多数培养肉公司目前依赖从牛、猪或禽类分离的卫星细胞或间充质基质细胞，因为这些定向祖细胞提供可预测的生肌或成脂分化，而无须面对与多能干细胞相关的监管和安全复杂性。然而，源自原代活检的卫星细胞显示有限复制能力——通常在衰老前仅20-40次群体倍增——使稳定、条件性永生化细胞系的开发成为一致工业制造的关键未满足需求。正在积极开发的延长复制寿命的策略包括端粒酶逆转录酶（TERT)的瞬时表达和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂抑制，尽管每种都引入使监管分类复杂化的遗传修饰，并在具有严格新型食品定义的市场中影响消费者接受度。一个特别重要但被忽视的安全维度是食品生产细胞系的长期基因组完整性：与药物生物制品不同，那里有严格的主细胞库鉴定是强制性的，目前尚无国际协调标准规定培养食品细胞系的可接受核型稳定性、突变积累阈值或致瘤性测试要求——随着商业化加速，这一监管差距迫切需要关注。
**基因修饰生物体**
基因工程在许多合成食品技术中发挥核心作用。工程微生物广泛用于生产酶、维生素、氨基酸、有机酸、甜味剂和风味化合物；在这种情况下， Regulatory evaluation typically 聚焦于最终配料的安全性和纯度，而非生产生物体的遗传状态，前提是可存活的基因修饰细胞不存在于食品中。这一范式促进了基因修饰酵母和细菌在发酵基食品配料生产中的广泛应用。在培养肉系统中，基因修饰可用于提高细胞稳健性、增强营养利用或降低对外源性生长因子的依赖。然而，基因修饰动物细胞的使用对区域监管框架和消费者感知敏感，影响这些策略在商业上被采用的程度。
合成食品生产中基因工程最重大的近期进展是CRISPR-Cas9及相关碱基编辑和先导编辑工具的采用，这些工具能够实现精确、无痕的生产宿主基因组编辑，具有比早期核酸酶平台更低的脱靶风险。在发酵宿主中，基于CRISPR的代谢重编程已将碳通量重新导向目标分子，并在生产生物体中引入异源生物合成途径，如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）、谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），实现了维生素、氨基酸和功能脂质更高产量。Impossible Foods利用毕赤酵母（Pichia pastoris）表达大豆豆血红蛋白——2019年获得美国FDA"公认安全"（GRAS）认定——说明了精准发酵衍生配料的监管路径，其中GMO是生产宿主但不存在于最终食品中。
一个关键且常被忽视的区别是过程-GMO应用与产品-GMO应用之间的差异：前者中工程生物体生产目标分子但不存在于食品中，后者中修饰的细胞或组织本身被消费。后者面临高得多的监管障碍和消费者抵制，特别是在欧盟，其新型食品法规和GMO指令规定了严格的事前授权、可追溯性和标签要求，尚未适应培养食品背景。这种管辖区间的不对称性代表了GMO赋能合成食品技术全球商业化的结构性挑战。
**发酵**
发酵是目前合成食品领域中最工业成熟和可扩展的平台。它包括产生可食用微生物蛋白的生物量发酵，以及生产特定目标分子如乳制品蛋白、蛋蛋白、酶和脂质的精准发酵。精准发酵已实现了动物相同乳清和酪蛋白的商业化生产，这些蛋白质复制了传统乳制品配料的功能特性，如起泡、乳化和熔融行为。这些蛋白质现正用于无动物奶酪、酸奶和饮料中，其感官特性与传统产品相似。发酵还在培养肉生产中发挥重要的支持作用，规模化供应生长因子、血清蛋白和其他培养基组分。
从营养角度，发酵可实现维生素和生物活性化合物的定向强化，尽管声明必须由成品食品中的稳定性和生物利用度数据支持。多家精准发酵公司现提供了该平台前景和当前局限性的具体例证。Perfect Day（美国）在丝状真菌里氏木霉（Trichoderma reesei）中表达牛β-乳球蛋白和α-乳白蛋白，实现了与传统乳清可比的凝胶化、起泡和乳化特性，其配料已纳入美国商业冰淇淋、蛋白粉和奶油奶酪中。The Every Company（美国）在Komagataella phaffii（原Pichia pastoris）中生产卵清蛋白和其他蛋清蛋白，已进入食品服务领域，其中功能等效性对于烘焙食品中的粘合和充气至关重要。Remilk（以色列）使用类似的酵母基系统生产β-乳球蛋白，已在以色列获得监管许可，并在其他市场有待审批申请。Motif FoodWorks（美国）开发了HEMAMI?，一种精准发酵衍生的肌红蛋白，赋予植物基产品牛肉般的色泽和风味，解决了该类别中最持久的感官差距之一。
尽管取得这些进展，技术经济分析表明，在当前生产规模下，无动物乳制品蛋白的成本比其传统对应物高5至40倍/公斤，成本平价仅在生物反应器大规模放大和培养基优化的情景下才被预测，而这些尚未在工业上得到证实。这种成本差距而非技术可行性，代表了大众市场渗透的主要障碍，值得在学术研究和公共资助计划中优先关注。
**单细胞蛋白技术**
源自酵母、丝状真菌、细菌或微藻的单细胞蛋白（Single-Cell Protein, SCP）代表了一类具有高生产力和相对较小土地足迹的灵活替代蛋白。SCP生产利用快速微生物生长，可使用非人类直接食用的碳底物，如木质纤维素水解物、工业废水或甲烷、甲醇等一碳原料。因此，SCP可 minimal 土地占用生产，并可能具有低温室气体排放，取决于原料和能源来源。
近期进展聚焦于改善感官品质和功能性能以扩大SCP在人类食品中的应用。可控自溶和分馏可降低核酸含量、改变细胞壁结构，并生产具有增强消化率和更温和风味特征的蛋白浓缩物。将SCP与植物蛋白混合越来越普遍，因为这可以平衡氨基酸谱和功能特性，同时稀释特征性微生物风味。SCP配料正被纳入混合食品、烘焙产品和水产饲料中，可部分替代鱼粉和豆粕而不影响性能。关键挑战包括致敏性评估、对新型物种和原料的 regulatory approval，以及确保不同生产设施间的一致性质量。
商业相关的SCP系统涵盖广泛的生物体、原料和监管成熟度水平，值得具体讨论。Quorn的菌丝蛋白，源自以葡萄糖培养的Fusarium venenatum，是全球最成熟的人类食品SCP产品，积累了超过三十年商业销售的良好表征安全档案，相对于大多数植物蛋白具有有利的氨基酸组成。Solar Foods（芬兰）使用好氧化能自养菌Cupriavidus necator生产Solein，该菌利用氢气和氧气固定CO
2，其过程完全脱离农业土地和光合作用；生命周期分析表明相对于传统蛋白质来源具有大幅降低的土地使用和温室气体排放，尽管能源投入需求仍是关键变量。Calysta（FeedKind）和UniBio（Uniprotein）利用Methylococcus capsulatus及相关甲烷氧化菌以天然气为唯一碳源生产蛋白生物量，当前应用主要在 regulatory thresholds 较低的水产饲料中，尽管人类食品应用正在积极开发。微藻如小球藻（Chlorella vulgaris）、钝顶螺旋藻（Arthrospira platensis, Spirulina）和雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）占据独特生态位，将蛋白质生产与高价值副产品如虾青素和藻蓝蛋白相结合；它们受益于欧盟、美国和亚洲已建立的监管批准，但其高生产成本和特征性风味特征限制了在利基功能食品和补充剂市场的应用。
在所有SCP平台中，消费者接受度仍是一个探索不足的瓶颈：对微生物食品配料的新奇恐惧和对新型生物的 regulatory labeling requirements 可能无论营养或环境表现如何都会抑制需求，这是现有文献仅浅层涉及的维度。
**植物蛋白工程和挤压**
植物蛋白工程和高水分挤压是目前商业上最成熟的合成食品技术。来自大豆、小麦、豌豆、蚕豆和其他豆类的植物蛋白被分离和加工，以获得具有定制溶解性、乳化和凝胶化特性的配料，支持肉类和乳制品类似物。高水分挤压（High Moisture Extrusion, HME）通过在双螺杆挤压机中施加受控的热、剪切和压力，随后在促进各向异性排列和相分离的模具中冷却，将这些混合物转化为纤维状、肉状结构。近期研究提高了对相分离、蛋白质交联和水分梯度如何产生各向异性质地的理解，实现了更理性的过程优化。创新持续扩展超越大豆和小麦的蛋白质来源，通过发酵和酶处理改善风味，以及结构化脂肪以模拟动物脂肪熔融行为。
尽管商业成熟，植物基肉类类似物面临营养、感官和市场挑战，这些在大量已发表文献中未得到充分的批判性关注。从营养角度，超市植物基产品的独立审计记录了钠浓度频繁超过500–900 mg/100 g份量——大大高于等效传统肉制品——反映了盐依赖性质构化和风味策略的使用。植物蛋白基质中铁和锌的生物可及性固有地受到植酸和多酚络合的限制，植物基类似物产品中的铁通常为非血红素铁，生物利用度低至5–12%，而牛肉中血红素铁为25–35%，引发了对脆弱人群营养等效性的真正担忧，如孕妇、青少年和饮食多样性低的人群。
2022至2024年的零售销售数据一致显示美国和关键欧洲市场植物基肉类的单位销量下降，行业分析将此归因于持续的价格溢价——每克蛋白成本为传统等效物的1.5–2.5倍、未解决的感官差距特别是在脂肪口感和香气方面，以及消费者对超加工配料清单的日益警惕。这些汇聚的压力表明，该领域优先生产规模化而牺牲了营养优化和消费者信任，未来产品开发必须整合营养学、食品心理学和感官科学以及过程工程，以实现持久的市场相关性。
**合成生物学**
合成生物学为工程支撑现代合成食品生产的微生物和细胞系统提供了理性框架，特别是在精准发酵、单细胞蛋白和新兴培养肉平台中。通过整合标准化遗传元件、基因组规模代谢模型和基于CRISPR的基因组编辑，合成生物学实现了目标蛋白和脂质更高产量、减少副产物形成，以及工业生产宿主中改善的胁迫耐受性。在培养肉系统中，类似方法正被探索以减少生长因子需求、增强生物反应器条件下的稳健性，以及定制脂质组成，尽管其应用受监管框架和消费者对最终产品中保留基因工程细胞的接受度约束。
具体实例说明了合成生物学在该领域的力量和剩余局限性。Ginkgo Bioworks（美国）应用结合高通量DNA组装、组合途径构建和机器学习引导筛选的自动化菌株工程平台，将食品配料生物合成生产宿主优化速度提高5–10倍，相比传统理性设计。Impossible Foods应用合成生物学在Pichia pastoris表达系统中表达大豆豆血红蛋白，展示了单一生物合成分子如何根本转变植物基产品的感官特性。在单细胞蛋白中，代谢工程已将解脂耶氏酵母中的碳通量重新导向脂质和蛋白质共积累，产生脂肪酸组成更接近动物脂肪的定制生物量。然而，食品环境中的关键限制是，与制药或工业生物技术不同，目标分子必须满足食品级纯度和安全标准，表达宿主必须从最终产品中排除或本身可食用；这大大缩小了可用底盘生物的选择范围，并增加成本的额外下游处理步骤。此外，知识产权碎片化——基础CRISPR技术、遗传元件和表达平台专利由不同实体持有——创造了不成比例地不利于较小研究群体的商业进入壁垒，这是科学综述中很少讨论但可能塑造合成食品创新速度和地理分布的结构性问题。
**人工智能和数字技术**
人工智能（Artificial Intelligence, AI）和数字技术已成为合成食品生产的跨领域使能因素，支持细胞培养、发酵、挤压和配方工作流的优化。机器学习方法日益用于优化培养基、预测细胞生长和分化结果、精发酵和挤压参数，以及加速蛋白质和酶设计，如序列到功能预测和致敏性与消化率的计算机筛选。在过程层面，数字孪生和集成传感器网络支持生物反应器和食品加工系统的实时监控、预测控制和计算机放大，提高产品一致性并降低开发风险。超越制造，数字工具支持生命周期评估、供应链可追溯性和监管合规，将AI赋能的数据整合定位为下一代食品系统可扩展性和可持续性的关键决定因素。
具体应用说明了AI在合成食品生产中的实质前景和当前实际约束。在蛋白质工程领域，AlphaFold2（DeepMind）、ESM Fold（Meta AI）和RoseTTAFold等工具大幅降低了从序列数据预测蛋白质三维结构所需的成本和时间，实现了在湿实验工作之前对新型蛋白质变体功能特性（如热稳定性、乳化和凝胶化）的计算机筛选。ProteinMPNN及相关逆向折叠模型能够设计具有目标结构的蛋白质序列，开辟了设计具有定制功能和营养特性全新食品蛋白的可能性——这直接适用于精准发酵和植物蛋白工程。在细胞培养基优化中，贝叶斯优化和主动学习框架已被应用，在保持增殖率的同时降低生长因子浓度，概念验证研究中报告了40–80%的培养基成本降低。发酵生物反应器的数字孪生模型利用实时传感器融合和机理混合建模，在补料分批和灌注运行期间维持最佳过程轨迹，降低批次失败率并提高产量一致性。然而，关键限制在于，合成食品优化的AI模型通常基于单一公司或过程的稀疏专有数据集训练，限制了通用性并使研究间的基准比较几乎不可能；建立类似制药生物加工中的开放、标准化数据集，是实现该领域AI全部潜力的先决条件。
**合成食品的类型**
合成食品代表一系列工程产品，源自微生物、细胞、植物衍生或化学过程，旨在模拟或超越传统食品的营养、感官和功能特性，由人口增长和气候压力下的可持续性、资源效率和全球粮食安全需求驱动。这些技术整合生物加工创新，如精准发酵、细胞培养生物反应器和配方工程，然而它们在可扩展性、成本、感官接受度以及长期健康和环境影响方面存在固有权衡。
**微生物蛋白**
单细胞蛋白（SCP）构成主要来自细菌、酵母、丝状真菌或微藻的微生物生物量，在廉价碳源如甲烷、糖蜜或木质纤维素废弃物上发酵后收获。生产平台强调在搅拌式生物反应器中进行深层补料分批发酵，优化溶解氧、pH和温度以实现50–150 g/L干重的生物量产量；下游步骤包括离心、热核酸水解和喷雾干燥，以解决抗营养因子。营养上，SCP提供45–75%粗蛋白，可消化Indispensable Amino Acid Score（DIAAS）为0.9–1.1，可与酪蛋白或大豆分离物媲美，辅以免疫调节β-葡聚糖、B族维生素以及矿物质。
**实验室培养（培养）肉**
培养肉生产作为替代蛋白质来源，提供了显著、可持续且无屠宰的食品安全解决方案。步骤包括分离动物干细胞（成肌细胞或成纤维细胞），在生物反应器中使用化学限定培养基扩增，随后在可食用支架上分化，并通过脂肪细胞共培养形成大理石花纹，最终通过机械或酶成熟形成结构化组织。特殊系统如微载体和中空纤维帮助实现超过10
8 cells/mL的高细胞密度。营养上，其与牛肉相当，约22%蛋白质、5–15%脂肪、2–3 mg/100 g血红素铁、300–500 mg/kg肌酸，以及更高的长链omega-3脂肪酸水平。环境上，预测可减少82–96%温室气体产生、92–99%土地需求和高达45%的水资源节约。
**合成乳制品**
精准发酵乳制品利用通常认为安全（GRAS）的微生物如Komagataella phaffii酵母和米曲霉（Aspergillus oryzae）真菌，经基因修饰生产真正的牛蛋白，如酪蛋白（α
s1、β、κ）和乳清组分（α-乳清蛋白、β-乳球蛋白），在补料分批发酵罐中以5–20 g/L产量运行72–120小时。发酵后蛋白质经超滤和层析纯化至95%以上，随后与植物基脂质混合制作奶、奶酪和乳清；创新混合膜生物反应器通过连续收获提高效率，降低30–50%成本。营养上，这些乳制品蛋白以PDCAAS评分1.0–1.2著称，维持天然胶束结构使钙生物利用度高于30%。
**强化合成食品**
强化合成食品通过将高生物利用度微量营养素如NaFeEDTA铁和视黄醇棕榈酸酯维生素A嵌入挤压谷物、肉类类似物或饮料中，提供针对性生物技术解决方案。通过150–200°C热挤压、真空包衣或脂质体包封实现，保护免受氧化和美拉德反应，实现12–24个月保质期。双强化铁-锌组合利用协同螯合最大化吸收，使这些产品成为资源有限地区应对隐性饥饿的前线防御。
**植物基合成食品**
植物基合成食品利用挤压生物技术从丰富的植物分离蛋白如豌豆（80%蛋白）、大豆或绿豆重现动物肉类的质地和营养。采用120–180°C双螺杆挤压机和500–1,000 s
-1剪切率，通过转谷氨酰胺酶交联和甲基纤维素粘合剂将蛋白质排列成纤维状、肌肉模拟结构。高水分挤压（HME）在50–100%水分下整合20–30%脂肪，用于多汁汉堡饼。这些食品提供18–26%蛋白质超过鸡蛋， plus 5–10 g/100 g纤维支持消化，尽管DIAAS评分0.65–0.92因赖氨酸/蛋氨酸不足而受限，需要混合以达到完全蛋白。
**合成蛋**
合成蛋提供创新的植物基鸡蛋替代方案。由豌豆和大米蛋白分离物混合制成，复水后提供12%蛋白质，含0.5%结冷胶和向日葵卵磷脂脂质以实现理想粘度，与蛋黄乳化协同产生达200–300%的起泡性。65–80°C热变性模拟天然鸡蛋行为。微生物增强版本加入酵母水解物以复制蛋白酶活性改善烘焙柔软度，喷雾干燥产生18个月 ambient 稳定粉末。
**人工甜味剂**
人工甜味剂代表通过靶向化学和生物工艺制备的重要合成食品配料类别，如天门冬氨酸和苯丙氨酸的酶促结合产生阿斯巴甜，蔗糖的氯化产生三氯蔗糖，或乙酰磺胺酸的氟化，产生糖甜度的200–13,000倍而保持烘焙稳定性，通过重结晶技术实现99.5%以上纯度。这些方法通常在高效连续反应器中运行，辅以离子交换和结晶等纯化步骤，实现大规模产出和极少副产品。
**合成食品在工业中的应用**
合成食品是许多工业的主要组成部分，赋予颜色、提供风味并增加维生素、矿物质等营养价值。在医药和营养保健品行业，合成维生素和氨基酸混合物广泛用于补充剂；在食品加工工业，合成添加剂、色素、风味剂和脂肪替代品广泛应用于各类产品。新型技术如纳米包封、脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）、冷等离子体（Cold Plasma）和高压处理（High-Pressure Processing, HPP）正用于增强合成食品功能。
**合成食品的优劣势与未来挑战**
合成食品在可控和改善营养、增强粮食安全、延长保质期方面具有优势，但也面临监管和安全挑战、消化性和生物利用度问题。未来挑战包括微生物毒素、安全与质量的平衡、经济问题，以及在保护有限自然资源的同时增强营养可得性。消费者接受度、替代保存来源需求、可负担原料获取以及技术和监管挑战需要谨慎应对。成功整合合成食品到全球食品系统将取决于生物过程优化、可再生能源整合、监管协调和消费者信任建设的进展。
