食品制造的循环经济

食品制造的循环经济

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越来越多研究者提倡,在粮食生产过程中,粮食资源需要得到充分综合利用。南洋理工大学食品科技计划主任陈维宁教授近日的研究发现,从酿酒的米糟中可以提取出蛋白质,从而制成富含蛋白质的乳化剂,可以代替目前蛋黄酱、冰淇淋、沙拉酱中的乳制品成分。对粮食副产品的二次加工和重复利用,可以形成生产闭环,在一定程度上缓解了环境压力,有助于构建一个可持续的生态体系。

从左至右: 南大食品科技(FST)项目的博士Ms Chin Yi Ling、南大食品科技主任陈维宁教授和研究员Josh Chai博士。来源:新加坡南洋理工大学

在生产粮食的过程中,副产品通常被当作废物被丢弃,资源在被浪费的同时,也给环境带来了沉重的压力。尽管联合国在《2030年可持续发展议程》中已提出了“零饥饿”(Zero Hunger)的目标,但截至2019年,全球仍然约有20亿人无法通过稳定的渠道获得安全、营养和充足的粮食。据联合国粮农组织和环境署统计,全球每年损失和浪费的粮食占全球粮食体系总能源使用量的38%,而在粮食副产品中,仅有不到2%的营养素获得了安全的回收再利用,这表明,全球距离实现粮食资源闭环还有一段长路要走。

越来越多研究者提倡,在粮食生产过程中,粮食资源需要得到充分综合利用,例如:米糠、麸皮、胚芽、油料粕、薯渣薯液等粮油加工副产物,应制成食用产品、功能物质或工业制品。这也对以粮食为原料的生物质能源加工业提出了更高的要求。

基于植物蛋白的乳化剂

近日,南洋理工大学食品科技计划主任陈维宁教授(Prof William Chen)与团队研发出了一种基于植物蛋白的乳化剂(plant-based emulsifier)。据了解,这种乳化剂是从酿酒所产生出的薏米糟(barley grains)中提取蛋白质并制成的,可以代替目前市场中流通的蛋黄酱、沙拉酱、鲜奶油中的乳制品成分,从而为消费者提供多一种饮食选择。

食品中的乳化剂(emulsifier),是指食品和油的混合物。比如,在沙拉酱、蛋黄酱、冰淇淋中,油和水是混合在一起、且均匀分布的形态,这种形态就是靠乳化剂来维持。一般而言,乳化剂分为天然食品乳化剂和合成食品乳化剂。天然食品乳化剂包括含有芥末的蛋黄,蜂蜜和大豆等。乳化剂,不仅只起着乳化作用,它还有一个功效,即提供微量的蛋白质。

据陈维宁教授介绍,在酿酒或制作Milo奶饮品的过程中,产生的薏米糟营养价值十分丰富,蛋白质含量达到了15.3%-24%,纤维素含量达到16.8%-33%。不过,在本地酿酒厂的生产过程中,产商通常将这些薏米糟当作食物残渣丢弃,或是转卖到邻国的农场,当作动物饲料,这样一来,薏米糟的价值没有得到充分利用。

资料显示,新加坡的食品加工业每年所产生的薏米糟有23,000吨,而这一数字在全球达到了3900万吨!这无疑是巨大的资源浪费。无论是视为食物残渣被丢弃,或是当作喂养动物的饲料,薏米糟丰富的营养价值都没有得到充分利用,更不必说是否达到了增值的作用。而分解食物残渣的过程中,所排放的温室气体也增加了生产活动的碳足迹。

在此背景下,陈维宁教授的团队决定在食品循环领域深耕,并成功从薏米糟中提取出蛋白质,并将其制成粉末状的乳化剂。据陈教授透露,通过薏米糟制成的乳化剂,富含的蛋白质含量更高,除此之外,在制作发酵的过程中,也产生了诸如生物活性肽(Bioactive Peptides)等微量元素。

他向记者解释道,生物活性肽是源于蛋白质的多功能化合物,是蛋白质中20种天然氨基酸以不同组成和排列方式构成的不同肽类的总称。不同的活性肽有不同的功能,有些提供抗氧化功能,有的能够促进免疫、激素调节,或是提供抗菌、抗病毒、降血压、降血脂的功能。

酿酒所使用的薏米在没有发酵之前,其富含的蛋白质是封闭状态,生物活性肽不能够表现出来。但在发酵过后,薏米糟中蛋白质发生反应,蛋白被打断,有些变成生物活性肽,有些变成氨基酸(Amino Acid)。这使得薏米糟以一种“生产过程中的废料”的身份,完成成功“增值”的使命,营养价值也更高。

循环利用 打造生产闭环

生产乳化剂,团队首先使用一种被称为少孢根霉(Rhizopus oligosporus)的真菌对薏米糟进行发酵,以使营养物质的提取过程更加容易。通过真菌分泌的酶可以分解薏米糟中的复杂分子结构,进一步提取出其中的蛋白质和生物活性肽等其它微量元素。刚刚提取出的物质是液体,为了方便储存、运输到食品供应链中,团队又将其冷冻干燥,以制成固体粉末状。

南洋理工大学发明的含有丰富的蛋白质和抗氧化剂的植物基乳化剂。来源:新加坡南洋理工大学

陈教授向记者介绍,在口感方面,基于植物蛋白的蛋黄酱丝毫不输目前市面上的蛋黄酱。而从薏米糟中提取出蛋白质制成的乳化剂,除了蛋白质含量更高之外,也富含更多的微量元素和营养元素。“当有些人考虑到环境因素,想要尝试一下植物来源的食品时,这种基于植物蛋白的食品,也不失为消费者的一种选择。”陈教授表示。

除了制成蛋黄酱、沙拉酱、冰淇淋等产品,这种基于植物蛋白的功能食品物质,也可以成为制成其他植物蛋白产品的来源,为其提供多一个选择,比如植物蛋白肉、植物蛋白奶等。除此之外,它也可以用来替代营养液,比如微藻培养基的营养液、酵母营养液,以及细胞培植肉所需要的胎牛血清(FBS)。当前,“植物蛋白肉”“细胞培植肉”等未来食品的概念在全球日渐兴起,陈教授的新发明必将进一步推动该行业的发展。

目前,这项发明已经得到本地三家食品制造公司的青睐,并向陈教授的团队购买了专利。不过,该发明仍处于实验室阶段,如果想要在市面上见到基于植物蛋白的蛋黄酱等产品,预计还需要1-2年。从刚刚出炉的科研成果,变现到成熟的商品,除了技术方面的层层优化,还需要考虑成本控制、价格定价、市场需求以及消费者认同感。

据陈教授透露,发酵并非难事,材料也容易获得。在成本方面,最富有挑战性的方面是提取蛋白的过程。以当前的产量为例,每1公斤的薏米糟,可以生产100克的乳化剂。不过,研究表明,1公斤的薏米糟中蛋白质含量的最大值为250克。目前,陈教授的团队正在优化其蛋白质提取方法,以提高产量和质量。

陈教授提到,对本就被视为副产品的薏米糟进行二次加工,提取出蛋白质后的废料因通过发酵过程,其中含有的纤维素被浓缩,质地非常坚固,因而团队将对其进行三次加工,将其放置在模具中,制成一次性纸杯等包装材料。这种纸杯富含纤维,可被生物降解,被视为是可持续环保包装材料的完美来源。

“粮食的第一层生产制造用来酿酒,第二层用来制作富含蛋白质和其它微量元素的乳化剂,第三层用来制作可降解环保材料。这样一来,食品加工过程中的副产品通过层层制作,打造出了生产的闭环,整个过程没有浪费,在最大限度上充分利用了粮食的价值,同时实现了零排放的目标。”陈维宁教授向记者分享道。

在全球,一些成熟经济体已经开始对食物循环经济展开研究,比如,欧盟的食品企业正在通过逐步过渡为循环经营方式,为碳中和的未来做准备。不过,当前,消费者是否能够接受对食品制作过程中所产生的废料循环利用的概念,仍值得市场验正。而从谷物、奶酪乳清、水果和蔬菜残渣、肉类加工废料等提取出功能物质或工业制品的过程中,其安全性以及营养价值是否能够最大程度保留,也值得考量。

联合国已经提出了到2050年实现碳中和的期望,如今这已经成为全球最紧迫的任务。从食品科技的角度而言,降低对动物肉类和动物蛋白需求的依赖,是实现碳中和的有力举措,而基于植物蛋白的食品和细胞培植肉已经成为整个世界的趋势。不过,生产制造这些新颖食品的过程中,从食品原料中提取植物蛋白,会间接地与粮食供应产生冲突。

试想,大豆本用于制作豆奶、豆腐等食品,现将其中的大豆蛋白提取出来,制成基于植物蛋白的肉、蛋、奶,这与传统食物形成了竞争,在破坏传统食物供应链的同时,更显得多此一举。但与其不同的是,陈维宁教授的团队的新研究成果,是对生产酿酒过程中的“废料”米糟进行二次利用,不会影响到传统供应链的配给,相反,能够为这些“废料”找到绿色可持续的落脚地,一举多得。

“我们对食品废料的处理,是一种增值的循环利用(upcycling),提取出废料中的关键营养素,再将其放进食品生产链条中去,成为构成可持续食品的成分和原料,应用到不同的植物蛋白食品制造中去。”陈教授向记者表示。

地球的资源并非取之不尽,用之不竭的。对废弃食物的合理运用形成了一个食物系统的循环经济,在带来额外的环境和经济效益的同时,可以帮助全球经济体更好地应对气候变化,以达到备受瞩目的碳中和目标。