単細胞タンパク質

単細胞タンパク質（SCP）または微生物タンパク質^[1]は、食用の単細胞微生物を指します。藻類、酵母、真菌、細菌の純粋または混合培養からのバイオマスまたはタンパク質抽出物は、タンパク質を豊富に含む食品の成分または代替品として使用でき、人間の消費または動物の飼料に適しています。工業型農業は、高いウォーターフットプリント、^[2]、高い土地利用、^[3]、生物多様性の破壊、^[3]一般的な環境劣化^{[3]を特徴とし、すべての}温室効果ガスの3分の1を排出することで気候変動に寄与しています。^[4] SCPの生産は、必ずしもこれらの重大な欠点を示すわけではありません。今日では、SCPは一般的に農業廃棄物で栽培されており、そのため工業型農業のエコロジカルフットプリントとウォーターフットプリントを継承しています。ただし、SCPは、農業廃棄物とはまったく関係なく、独立栄養成長によって生産されることもあります。^[5]微生物代謝の多様性のおかげで、独立栄養SCPは、いくつかの異なる成長モード、栄養素リサイクルの多様なオプション、および作物に比べて大幅に高い効率を提供します。^[5] 2021年の出版物は、太陽光発電による微生物タンパク質生産は、大豆栽培と比較して、同等の量のタンパク質を得るために10分の1の土地しか使用できないことを示しました。^[1]

2050年までに世界の人口は90億人に達し、農業では需要を満たすことができず、深刻な食糧不足のリスクがあるという強力な証拠があります。 [6 ^{] [7] [8]}独立栄養SCPは、厳しい気候条件下でも確実に食糧を生産できる、フェイルセーフな大量食糧生産の選択肢を表しています。^[5]

1781年、酵母を高濃度に濃縮する方法が確立されました。シングルセルタンパク質技術の研究は、マックス・デルブリュックと彼の同僚が、余剰のビール酵母が動物の飼料サプリメントとして高い価値を持つことを発見した1世紀前に始まりました。^[9]第一次世界大戦と第二次世界大戦中、ドイツでは戦時中の食糧不足に対抗するために酵母SCPが大規模に使用されました。SCP製造のための発明は、バイオテクノロジー全般にとって画期的な出来事となることが多かった。例えば、1919年にデンマークのサックとドイツのヘイダックは、「Zulaufverfahren」（フェドバッチ）と呼ばれる方法を発明しました。これは、希釈した糖溶液に酵母を一度に加える（バッチ）のではなく、糖溶液を酵母の通気懸濁液に連続的に供給する方法でした。^[9]戦後、国連食糧農業機関（FAO）は1960年に世界の飢餓と栄養失調の問題を強調し、世界人口の25％が食事でタンパク質摂取が不足していることを示すタンパク質ギャップの概念を導入しました。^[9]また、農業生産が人類の増加する食糧需要を満たせなくなるのではないかと懸念されていました。60年代半ばまでに、ほぼ25万トンの食用酵母が世界各地で生産され、ソ連だけで1970年までに約90万トンの食用および飼料用酵母が生産されました。^[9]

1960年代、ブリティッシュ・ペトロリアムの研究者らは「石油からタンパク質を作るプロセス」と呼ばれる技術を開発した。これは、石油精製所の副産物であるワックス状のn-パラフィンを餌とする酵母で単細胞タンパク質を生産する技術である。最初の研究は、フランスのBPのラヴェラ石油精製所でアルフレッド・シャンパニャによって行われ、1963年3月に小規模なパイロットプラントが稼働を開始し、イギリスのグランジマウス石油精製所に2番目のパイロットプラントの建設が承認された。^[10]

SCPという用語は1966年にMITのキャロル・L・ウィルソンによって造られた。^[11]

「油から食品を作る」というアイデアは1970年代までにかなり普及し、シャンパニャは1976年にユネスコ科学賞を受賞し^[12]、多くの国でパラフィン酵母施設が建設されました。この製品の主な用途は、家禽や牛の飼料でした^{[13] 。}

ソ連は特に熱心で、クストヴォ（1973年）^{[14] [15] [16]}とキリシ（1974年^{）[17]の石油精製所の隣に大規模な「BVK」（} belkovo-vitaminny kontsentrat、つまり「タンパク質ビタミン濃縮物」）工場を開設した。ソ連の微生物産業省は1989年までにこの種の工場を8つ持っていた。しかし、SCPに含まれるアルカンの毒性への懸念と環境保護運動からの圧力により、政府はそれらを閉鎖するか、他の微生物学的プロセスに切り替えることを決定した。^[17]

クォーンは、フザリウム・ベネナタム菌タンパク質から作られたベジタリアンおよびビーガン向けの肉代替品で、ヨーロッパと北米で販売されています。

もう一つのタイプの単細胞タンパク質ベースの肉類似品（ただし、真菌ではなく細菌を使用^{[18] ）は}Calystaです。他の製造業者としては、Unibio（デンマーク）、Circe Biotechnologie（オーストリア）、String Bio（インド）などがあります。

SCPは代替食品や回復力のある食品の供給源になるのではないかと主張されてきた。^{[19] [20]}

単細胞タンパク質は、微生物が廃棄物（木材、わら、缶詰工場や食品加工廃棄物、アルコール製造の残留物、炭化水素、または人間や動物の排泄物を含む）を発酵させるときに発生します。^[21]「電気食品」プロセスでは、入力は電気、CO2、微量ミネラル、肥料などの化学物質です_。 [ ^22]また、天然ガスからSCPを抽出して、回復力のある食品として使用することも可能です。 ^{[23]同様に、SCPは}アップサイクルによって廃プラスチックから抽出できます。^[24]

廃棄物から単細胞タンパク質を抽出する際の問題は、希釈とコストです。単細胞タンパク質の濃度は非常に低く、通常は 5% 未満です。エンジニアは、遠心分離、浮選、沈殿、凝固、濾過、または半透膜の使用など、濃度を高める方法を開発しました。

単細胞タンパク質は、保存しやすく腐敗を防ぐために、水分含有量が約 10% になるまで脱水するか、酸性化する必要があります。適切なレベルまで濃度を高める方法と脱水プロセスには、高価な設備が必要であり、小規模な操作には必ずしも適していません。製品を地元で生産後すぐに供給することが経済的に賢明です。^{[引用が必要]}

使用される微生物には以下のものがあります。

• 酵母
  • サッカロミセス・セレビシエ
  • ヤロウィア・リポリティカ^[25]
  • サイバーリンドネラ・ジャディニ^[25]
  • クルイベロミセス・マルシアヌス^[25]
  • コマガタエラ・パストリス
  • カンジダ・ウティリス
  • トルロプシス・コラリナ
  • ジオトリクム・カンディダム
• 真菌（マイコプロテイン）
  • アスペルギルス・オリゼ
  • フザリウム・ベネナタム^[26]
  • アカパンカビ^[27]
  • ニューロスポラ・インターメディア^[28]
  • スクレロチウム・ロルフシ
  • ポリポラス
  • トリコデルマ
  • シタリジウム・アシドフィラム^[29]
• 細菌
  • ロドバクター・カプスラタス ^{[21] [30]}
  • ロドバクター・スフェロイデス^[30]
  • ロドシュードモナス・パルストリス^[30]
  • メチロフィラス・メチロトロファス
  • メチロコッカス・カプスラタス
  • クプリアビドゥス・ネカトール^[30]
• 藻類とシアノバクテリア:
  • スピルリナ( Arthrospira platensis、Limnospira fusiformis、L. maxima および L. indica)。^[31]
  • クロレラ^[32]
  • ドナリエラ・サリナ^[31]
  • クラミドモナス^[31]
  • ポルフィリジウム・クルエンタム^[31]
  • アファニゾメノンフロスアクアエ^[31]

微生物バイオマスの大規模生産は、食品や飼料用のタンパク質を生産する従来の方法に比べて多くの利点があります。

1. 微生物は成長速度がはるかに速いです（藻類：2～6時間、酵母：1～3時間、細菌：0.5～2時間）。これにより、育種に比べて、収量が高く栄養成分が良好な菌株をより迅速かつ容易に選択できます。
2. 作物の茎、葉、根などの大部分は食用にはならないが、単細胞微生物は丸ごと利用できる。作物の食用部分の一部は消化できないが、多くの微生物ははるかに高い割合で消化可能である。^[5]
3. 微生物は通常、野菜や穀物に比べて乾燥質量で30～70％と非常に高いタンパク質含有量を持っています。^[33] 多くのSCP微生物のアミノ酸プロファイルは、鶏卵に匹敵する優れた栄養価を持っていることがよくあります。
4. 一部の微生物は、ビタミン B12 など、植物などの真核生物が生成できない、または大量に生成できないビタミンや栄養素を生成することができます。
5. 微生物は、アルカン、メタノール、メタン、エタノール、糖など、幅広い原材料を炭素源として利用できます。「廃棄物」と考えられていたものも、栄養素として再利用でき、食用微生物の成長を促進できる場合が多くあります。
6. _{植物と同様に、独立栄養微生物はCO2}上で生育することができます。ウッド・リュングダール経路や還元TCAを持つ細菌などの一部の微生物は、光阻害の影響も考慮すると、植物よりも2～3倍^[34]から10倍^{[35]の効率で}_CO2を固定することができます。
7. いくつかのホモ酢酸生成クロストリジウムなどの細菌は、合成ガス発酵を行うことができます。つまり、リグノセルロースなどの残留処理困難なバイオ廃棄物をガス化して生成できる、CO、H ₂、CO _{2のガス混合物である}合成ガスを代謝できるということです。
8. _{一部の細菌は窒素固定能を持ち、空気中の窒素を}固定できるため化学窒素肥料に依存しない。化学窒素肥料の生産、利用、分解は環境に多大な害をもたらし、公衆衛生を悪化させ、気候変動を促進する。^[36]
9. 多くの細菌は、ヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素を使って、H _{2 を}エネルギー供給に利用することができます。ヒドロゲナーゼは通常、O ₂に非常に敏感ですが、一部の細菌はH _{2のO 2}依存呼吸を行うことができます。この特性により、独立栄養細菌は光なしでCO ₂で急速に成長することができます。H _2は水の電気分解によって効率的に生成できるため、いわばこれらの細菌は「電気で動く」ことができます。^[5]
10. 微生物バイオマス生産は季節や気候の変動に左右されず、進行中の気候変動により農作物の不作を引き起こすと予想される異常気象からも容易に保護できます。酵母などの光非依存型微生物は夜間も成長し続けることができます。
11. 微生物の培養は、一般的に農業による食品生産に比べて水フットプリントがはるかに少ない。作物の世界平均青緑水フットプリント（灌漑、表層水、地下水、雨水）は、蒸発、蒸散、排水、流出により、作物1kgあたり約1800リットルに達する^[2]が、SCPを生産する閉鎖型バイオリアクターでは、これらの原因はいずれも見られない。
12. 微生物の栽培には肥沃な土壌は必要ないため、農業と競合することはありません。必要な水量が少ないため、SCP 栽培は乾燥した気候で不毛な土壌でも行うことができ、乾燥国で確実な食糧供給手段となる可能性があります。
13. _{光合成微生物は、光バイオリアクター内で水、 CO2}の供給、バランスのとれた光の分布を厳密に制御できるため、植物よりも高い太陽エネルギー変換効率を達成できます。
14. 望ましい品質に加工される農産物とは異なり、微生物を使用すると、望ましい品質に生産を向けることが容易になります。大豆からアミノ酸を抽出し、その過程で植物体の半分を廃棄する代わりに、微生物を遺伝子組み換えして、特定のアミノ酸を過剰に生産したり、分泌したりすることができます。ただし、消費者の受け入れを維持するためには、望ましい特性をすでに備えている微生物をスクリーニングするか、選択的適応によってそれらを訓練することで、同様の結果を得る方が通常は簡単です。

SCP は人間にとっての栄養素として非常に魅力的な特徴を示していますが、世界規模での採用を妨げる問題がいくつかあります。

• 細菌や酵母などの増殖の早い微生物は、 核酸、特にRNAを高濃度に含んでいる。単胃動物の食事では、その濃度を1日50g未満に制限する必要がある。RNAの分解から生じるプリン化合物を摂取すると、血漿中の尿酸値が上昇し、痛風や腎臓結石の原因となる。尿酸はアラントインに変換され、尿中に排泄される。動物の飼料からは核酸を除去する必要はないが、人間の食品からは除去する必要がある。64℃の温度を保つと、真菌のプロテアーゼが不活性化される。しかし、この問題は改善できる。^[37]一般的な方法の1つは、熱処理で細胞を殺し、プロテアーゼを不活性化し、内因性RNaseがRNAを加水分解して、細胞から培養液にヌクレオチド を放出できるようにすることである。 ^[37]
• 植物細胞と同様に、藻類や酵母などの微生物の細胞壁にはセルロースなどの消化できない成分が含まれています。ある種のSCPの細胞は、細胞内部を解放して完全に消化できるようにするために破壊される必要があります。^[38]
• ある種の SCP は不快な色と味を示します。
• SCPの種類と栽培条件によっては、汚染物質がマイコトキシンやシアノトキシンなどの毒素を生成する可能性があるため、他の微生物による汚染を防止および制御するための注意が必要です。この問題に対処するための興味深いアプローチとして、ほとんどの微生物の許容範囲を超えるpH1でも成長する菌類Scytalidium acidophilumが提案されました。これにより、酸加水分解された紙くずで低コストで成長することができます。^[29]
• 一部の酵母および真菌タンパク質にはメチオニンが欠乏しています。

• ソレイン：フィンランドのソーラーフーズ社が製造する単細胞タンパク質。^[39]
• Kiverdi, Inc ^{[40] [41]}と子会社のAir Protein ^{[42] [43] [39]は}リサ・ダイソンによって設立された。カリフォルニアに拠点を置く。
• Avecom - ベルギーに拠点を置く^[39]
• Unibio - デンマーク拠点^[44]
• カリスタ- カリフォルニア拠点
• Circe Biotechnologie - オーストリアに拠点を置く^[45]
• Superbrewed Food（旧White Dog Labs）。デラウェア州に拠点を置く^[46]
• ディープブランチ - 英国拠点^[39]
• ランザテック^[39]
• Nature's Fynd - シカゴを拠点とする
• 紫色細菌：単細胞タンパク質の一種^[47]
• キアノス^[48]
• ノボニュートリエンツ^{[49] [50] [41]}
• ディープブランチバイオテクノロジー^{[41] [51] [52]}
• 発酵による水素生産
• 水素栄養生物^[42]
• 代替食品
• 微生物食品培養

• ウィキメディア・コモンズの単細胞タンパク質に関連するメディア