从池塘浮渣到产品:藻类化学

化学物质 2023年4月3日 格林威治时间+8上午9:00

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经过 马克斯·利维 Max G. Levy 编辑

贝丝·佐特Beth Zotter第一次尝试她公司的熏肉，尝起来又苦又粉。“大多数浓缩蛋白味道都不好，”Umaro Foods的联合创始人兼首席执行官Zotter说。乌玛洛试图用海藻再造香脆可口的培根。

为什么是培根？“这是美国人最喜欢的食物，”联合创始人阿曼达·斯泰尔斯在电视节目“鲨鱼池”的一集上说，两人在那里为Umaro筹集资金。“这是植物性肉类的圣杯。咝咝，咸咸的，好吃。”但是，乌玛罗推销的真正魅力并不在于熏肉。是海藻。

植物性肉类通常由大豆或豌豆蛋白组成。虽然藻类像植物一样，因为它们与叶绿体进行光合作用，但它们没有其他的根或茎。它们实际上比植物更有效地进行光合作用。

从肉眼看不见的微藻(或浮游植物)到海洋中巨大的海藻森林都是如此。

“藻类拥有碳循环，”佛罗里达国际大学的藻学家(研究藻类的)舍纳·曼宁说。曼宁说:“说到碳封存，藻类的封存量比树木多400倍。”与树木或植物相比，藻类天生是更有效的碳捕获生物机器，因为它们的整个表面积都用于光合作用，并且它们不会浪费资源来创造树干、树根或树枝。藻类只会制造更多的藻类。

你可能会认为海藻是寿司上的黑色物质，或者是被遗忘的水瓶里的绿色生长层。但是他们的许多物种(多达一百万)可以被收获并加工成产品，不仅有用，而且比我们现在使用的更好。

“它们实际上是绿色的小机器——或者紫色的机器，或者金色的机器，”曼宁说。

这些生物机器有工具从大气中捕获导致地球变暖的二氧化碳，生产人类营养所需的蛋白质和油，生物燃料，杀死微生物的毒素，或支持健康的各种维生素和营养素。

曼宁说:“如果我们作为生物学家、化学家和工程师发挥创造力，那么我们可以利用这么多具有所有这些不同独特特征的独特群体。”

像Umaro一样，世界各地的实验室已经接受藻类作为未来的材料。他们相信世界将很快依赖海藻，结果会变得更好。

碳循环

碳循环是大自然循环利用碳原子的方式，碳原子从大气中移动到生物和非生物体内，然后一遍又一遍地回到大气中。 例如，二氧化碳被植物用来制造食物，这些食物被陆地动物吃掉，当它们呼出二氧化碳时，又被送回大气中。

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五种基本口味

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生物学的第一种超材料

海藻未来承诺的故事反映了它古老的过去。最古老的藻类化石可以追溯到十亿多年前。“你吸入的每五次呼吸中，有四次氧气来自微藻，而不是树木，”曼宁说。"它们确实是这个星球上氧气和生命的基础."

原始藻类是第一批从大气中吸收碳的生物，这奠定了它们在食物链基础上的地位。

褐藻还为我们提供了一种叫做藻朊酸盐。藻酸盐是由两种不同单体组成的共聚物或链:β-D-甘露糖醛酸盐(M)和α-L-古洛糖醛酸盐(G)。

β-D-甘露糖醛酸盐

α-L-古洛糖醛酸盐(G)

该链的一些部分具有一系列重复的α-L-古洛糖酸或重复的β-D-甘露糖醛酸，其中一些部分在两者之间交替。

结果是一种粘性的、可食用的聚合物。工程师们通常在化妆品、防火材料和食品增稠剂中使用藻酸盐。

太平洋西北国家实验室的微生物学家Janine Hutchison说:“如果你喜欢*霸波**茶，你可以感谢那些工程师，因为它们实际上是海藻酸盐衍生的化合物。”。

Hutchison和她的同事开发了基于藻类和藻酸盐的技术。去年，他们报道用海藻酸盐创造了“3D生物墨水”。这种墨水色彩鲜艳，有光泽，生物相容，可以在室温下打印，这是许多应用的理想特性。

科学家们希望打印出特定三维形状的人体组织。原因是真实的人体组织存在于3D网络中，然而大多数传统研究都是在2D培养皿中进行的。

在三维“支架”上培养的细胞表现得更像真实的东西。例如，在一个小的相互连接的球体中打印人类神经元比在一个平面上打印更好。

在这些模型上进行的药物实验将更好地预测人类对新药的实际反应。值得注意的是，用于2D实验的琼脂和琼脂糖凝胶也来自藻类！

哈奇森说:“我们依赖塑料，这阻碍了3D打印技术的发展。”。

塑料必须加热到240°C(464°F)才能熔化挤出。

“活细胞或任何生物成分都不可能在那种高温或压力下存活，即使是短时间内，”Hutchison说。藻酸盐更容易适应生物友好的条件，所以人类细胞可以在藻酸盐制成的结构上生长。

世界氧气产量

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对未来的感觉

藻类也扩大了人们感知的范围。事实上，海藻是我们发现第五种味道的原因。

1907年，一位名叫Tei Ikeda的日本妇女在一种叫做kombu dashi的海带肉汤中准备了煮豆腐。Dashi长期以来一直是日本烹饪的主食。但是那天，Tei的丈夫Kikunae品尝了肉汤，有了一个认识:这里有一种不同于甜、咸、苦和酸的味道。

肉汤丰富可口，几乎有肉味。化学家菊池随后分离出了产生这种神秘味道的晶体，他将其命名为“鲜味”(大致翻译为“美味”)。他发现谷氨酸，一种最常见的氨基酸，是鲜味的来源。他最终分离出谷氨酸一钠(MSG ),作为鲜味的调味产品出售。

谷氨酸一钠

鲜味现在被公认为我们的第五种味道。它给了我们一个名字来解释为什么有些食物这么好。成熟的西红柿、蛋黄、像帕尔马干酪这样的陈年奶酪、像紫菜这样的海藻，以及像培根这样的腌肉，都含有谷氨酸盐。

鉴于这一历史和化学，佐特用海藻模仿培根是有道理的。肉类生产占全球农业温室气体排放的近60%，因此减少或取代肉类生产已成为希望将碳足迹降至最低的人们普遍采用的方法。

对肉类替代品的需求持续增长，一些公司，如Beyond Meat和Impossible Foods，已经率先推出了植物性汉堡和碎肉。“这些公司的创始人说我们可以用植物制造肉类替代品，这一点值得高度赞扬，”佐特说。

但是其他肉类，如熏肉，很难用普通的原料复制。“现在，我们基本上只有大豆，还有豆类。一些人现在使用真菌来生产，”她补充道。

“我们需要更多的选择。海洋似乎是一个不需要动脑筋的问题，”佐特说。

根据佐特的说法，由于氮的存在，海洋是一个明显的目标。氮是生命不可或缺的元素。这就是氨基酸的名字(来自含氮的“胺”-NH3+组)，并像乐高积木一样将它们组合在一起，以创建所有的蛋白质。

虽然气态双原子氮占我们空气的78%，但它不具有化学活性，也不适合大多数陆地植物处理。海洋中储存着地球上最大的化学活性氮。

“海洋很大，没有淡水我们也能制造蛋白质。“资源潜力是巨大的，”佐特说。

Umaro Foods成功地从紫菜中分离出蛋白质，紫菜是一种用于寿司卷的富含蛋白质的红藻，但培根不仅仅是蛋白质。正是脂肪和味道使培根与众不同。

培根脂肪在室温下是固体，所以佐特的团队发现，当紫菜蛋白与海藻成分琼脂和角叉菜胶结合时，它的行为与培根相同。

这两种化合物都是水胶体，这意味着它们与水形成凝胶。他们来自哪里江篱和卡帕菲克斯藻类的种类。这些以海藻为基础的成分能够将植物油封装到一种脂肪中，这种脂肪就像培根中的动物脂肪一样脆而脆。然后，经过反复试验，Umaro Foods开发了一种风味配方，以匹配培根的风味，并补充nori的天然鲜味。

他们在“鲨鱼池”上首次展示了他们的脆培根原型，现在在美国各地的精选餐厅提供。佐特说，“我们的愿景是海藻是最可扩展的、成本最低的，并且将是最丰富的蛋白质。几乎是不可避免的。”

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重新绿化世界

虽然海藻蛋白质可以重塑我们饮食中的能量，但海藻油可以改变为我们的机器提供动力的燃料。微藻可以达到按重量计50%的油含量和25%的蛋白质。它们也是完全光合的。

相比之下，一棵树覆盖着非光合的棕色树皮。这意味着藻类可以有效地产生能量，同时从大气中提取二氧化碳。

几十年来，研究机构一直希望利用海藻油来制造燃料，如喷气燃料，全球藻类组织的创始人戴夫·黑兹贝克近20年来一直是这一努力的一部分。

黑兹贝克为一家名为通用原子的能源公司领导生物燃料研究。他在一个政府资助的项目中领导了一个由30家公司组成的财团，从藻类中制造喷气燃料。

“通过这件事，我充分意识到藻类带来的所有挑战、所有问题和所有机遇，”他说。这个项目对政府来说结束了，但对黑兹贝克来说没有。“我想留在海藻中，因为它可能会为世界做些什么，”黑兹贝克说。

在过去的九年中，Hazlebeck的Global Algae开发了养殖和收获微藻的技术，并提取它们的油和蛋白质。

他们想出了如何在户外培养大型微藻池，而不会受到细菌、病毒或不良藻类的污染。他们的收割系统比以前的系统消耗的能量少100倍。

每一项创新都降低了生产藻类、其油脂和蛋白质的成本，因此它可以与现有的作物如大豆、玉米和棕榈油竞争。现有的农作物农场给地球带来了问题——这些问题实际上可以由藻类来解决。

玉米和大豆需要珍贵的淡水和农田供应；世界对廉价棕榈油的日益依赖加剧了森林砍伐。藻类农场可以取代棕榈种植园。

根据Hazlebeck的说法，海藻油与棕榈油非常相似，它们可以由相同的工厂加工。微藻实际上富含omega-3脂肪，可以作为单独的产品出售。

“你可以让大部分雨林重新生长，因为我们每英亩可以生产几乎10倍的石油，”Hazlebeck说。

一些海藻油将被加工成喷气燃料，他们也可以从每次收获中分离蛋白质。“大约是你在那里种植大豆的15倍，”据黑兹贝克说。

他想象蛋白质可以喂养牲畜或养鱼场。每一种产品都让全球藻类用减少温室气体排放的替代品取代现状。Hazle-beck还认为藻类将有助于清除大气中已经存在的二氧化碳。

这个想法始于藻类捕捉公司2在光合作用期间。如果你将这些光合作用产物制成燃料和食物，然后被燃烧或消化，这些碳就会回到大气中。这不是一个好的碳排放策略。

但是如果你把藻类中的一些有机物质转化成塑料，碳会被截留很长时间。此外，世界上大部分塑料产品来自化石燃料。

接下来，全球藻类计划用他们产品的收入来购买和保护雨林。那些购买土地的费用会被计算在内。“这将是一个经济可行的方法，”黑兹贝克说。

去年，Global Algae在非营利组织XPrize领导的碳捕获技术竞赛中入围决赛，赢得了100万美元的奖金。Hazlebeck说:“这是一个巨大的荣誉，它帮助我们打开了大门，让事情进展得更快。

“如果我们在一个加速的时间线上，我们可能会在2032年左右停止砍伐森林，并可能在2040年完全逆转，”Hazlebeck说。

XPrize碳捕获竞赛的最后一轮演示将于2025年举行。与此同时，全球藻类计划在加州经营一个新农场，并继续完善其提取技术。大奖是5000万美元。

无论你对墨水、塑料、燃料还是食品感兴趣，藻类都在悄悄进入话题。藻学家曼宁注意到藻类在对抗细菌、病毒甚至癌症的药物中的潜力。你医药箱里的许多药物来自雨林中发现的植物。

藻类的化学秘密也可能揭示一些超能力。初步研究表明，从藻类中分离出的化合物可以杀死耐药病原体。“有点像新孢子虫，”曼宁说，“藻类没有牙齿和爪子，所以它们产生许多不同的化合物作为防御。他们通常只是想在这个世界上拥有自己的空间。”

藻类在世界上的空间似乎正处于大扩张的风口浪尖。

参考

https://www . x prize . org/prices/carbon/articles/this-algae-eats-CO2-from-the-atmosphere

《动物的起源》是一首火与冰的歌。《大西洋》，2017年8月16日:https://www . theatlantic . com/science/archive/2017/08/the animal-origin-story-is-a-song of-ice-and-fire/537003/[访问时间:2023年2月]。

植物如何征服土地？这些不起眼的海藻掌握着线索。纽约时报，2019年11月19日:https://www . nytimes . com/2019/11/14/science/plant-genes-evolution . html[访问时间:2023年2月]。

创新者开发了基于海藻的塑料食品包装替代品。蒙加贝，2023年1月17日:https://news . mong abay . com/2023/01/innovators-develop-seaweed-based-alternatives-to-plastic-food-wrappers/[访问时间:2023年2月]。

海藻是肉类的下一个大替代品吗？史密森尼杂志，2022年6月23日:https://www . Smithsonian mag . com/innovation/is-seaweedd the-next-big-alternative-to-meat-180980299/[访问时间:2023年2月]。