把食物放在显微镜下

微生物能成为可持续农业的关键吗?
2019年1月25日

食品市场

食品市场上的新鲜水果和蔬菜

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你可能认为微生物——又名微生物——会污染食物,导致疾病,通常是应该避免的。但我们不应该害怕食物中的微生物……

“目前的饮食趋势,加上预计到2050年人口将增长约100亿,将加剧人类和地球面临的风险。粮食生产对温室气体排放、氮和磷污染、生物多样性丧失以及水和土地利用的影响将降低地球系统的稳定性。——《柳叶刀》[1]

因此,世界很快就需要养活100亿人,并且在此过程中不破坏地球。因此,科学家们转向一些最小的生命形式寻求帮助。我们的世界充满了微生物,它们以细菌、真菌、藻类和古细菌的形式存在。这些微生物有着多种不同的代谢方式。分解者回收死物质;光合微生物实际上是由太阳能驱动的,而其他微生物则使用氢、硫或甲烷为其生长提供燃料。正是由于这种生物化学的多样性,微生物对食物链至关重要。随着我们对微生物能力的理解不断提高,研究人员正在发现食品生产的新工艺,甚至重新发现被技术进步取代的传统做法的潜力。

从土壤开始,我们脚下的泥土不仅仅是水和矿物质的来源;这是一个充满微观生命的完整生态系统。植物的根深入土壤,与微生物形成有益的联系。这些相互作用包括化学交换,使植物能够获得氮和磷等营养物质。

但是在农业中,化肥不是依靠这些与微生物的自然联系,而是用来使土壤富含养分并提高作物产量。然而,这些肥料流入我们的河流、溪流、海洋和海洋,并可能对生物多样性造成重大问题。此外,正如《2019年清洁空气战略》所强调的那样[2]英国环境、食品和农村事务部(DEFRA)最近发布的一份报告显示,化肥的使用大大增加了温室气体的排放。“当你向土壤喷洒这些氮肥时,其中一些会转化为气态形式的氮,称为氧化亚氮,它们是非常强大的温室气体。它们作为温室气体的效力大约是二氧化碳的35倍,”剑桥大学塞恩斯伯里实验室的吉尔斯·奥尔德罗伊德解释说。

“将土壤微生物的力量引入农业以获取氮和磷,这是一个巨大的潜力。”一种被称为固氮细菌的微生物能够从空气中吸收氮,并将其转化为一种可以用作肥料的形式。但只有一些植物,如豌豆和豆类,进化出了与这些细菌合作的能力,使它们能够从这个过程中受益。奥尔德罗伊德领导了一个科学家团队,他们已经确定了允许豆类形成这些关联的特定基因,现在正试图将这些基因转移到大麦等目前无法实现的植物中[3]

虽然这项研究仍处于早期阶段,但一些人可能会对使用这种转基因作物感到担忧。例如,如果种子从它们生长的田地中逃逸,它们可能会侵占自然栖息地,并可能与本地物种竞争。“我们必须考虑对环境和人类健康的安全影响,”奥尔德罗伊德说。“但我认为,目前这项技术的潜力,特别是减少农业污染的潜力是如此巨大,我们真的必须全力以赴。承认这些风险的存在,并尽我们所能减轻这些风险。”

甲烷打嗝和发酵的魅力

DEFRA的报告指出,“农业也占甲烷排放量的51%左右。”奶牛打嗝是甲烷的主要来源,甲烷是由一组被称为古细菌的微生物在它们的胃里产生的。甲烷的产生不仅是一种有害的温室气体,而且还代表着牛的能量损失。贝尔法斯特女王大学全球食品安全研究所的克里斯·克里维解释说:“有很多研究正在进行,寻找减少甲烷的不同方法。”“这些都采取了不同的形式。一些添加到饲料中的添加剂,如藻类,在减少甲烷方面具有非常有趣的潜力。其他可行的正在研究的方法是观察动物繁殖,因为你可以通过繁殖使它们产生更少的甲烷;或者你甚至可以给它们接种疫苗,让它们产生自己的抗体,专门减少瘤胃里的古细菌。”[4]

除了甲烷排放,去年的许多研究都强调了畜牧业对环境的广泛影响。越来越多的人认为,需要植物性饮食来可持续地养活不断增长的人口(1、5)。求助于我们的微生物朋友能帮助我们释放植物的全部味道潜力,并诱使我们吃植物性饮食吗?

我们都有过微生物在食物上生长并导致食物腐烂的经历。当我们把食物放得太久时,就会出现粘稠的黑点。但是通过将食物保持在正确的条件下,你可以有选择地培养进行发酵反应的微生物。例如,在新鲜的卷心菜中加入一点盐,然后把它放在一个密封的容器中,随着时间的推移,卷心菜叶子上自然存在的微生物会发挥它们的生化作用,产生酸菜。发酵广义上是指微生物的酶活性导致食物分解的过程,从而产生酸、气体和酒精等物质。这个过程可以产生复杂的味道,也可以帮助我们保存食物。

通过选择有益的细菌而不是有害的病原体,发酵延长了食物的保质期,而不需要烹饪或冷冻。因此,发酵可能是一种低能耗的解决方案,可以最大限度地减少食物浪费。

你可以说植物性食物的圣杯是“多肉”的无肉汉堡。有几家公司正在开发替代肉类的蛋白质来源,这些来源通常依赖于发酵过程。一个已经被广泛使用的例子是从真菌中提取的,被称为真菌蛋白[6]。“不可能汉堡”公司开发了一种基于发酵的技术,生产出一种叫做血红素的含铁分子,人们认为这是肉味道如此独特的秘密[7]。哥本哈根著名的餐厅NOMA也以发酵为中心。NOMA经营着一个发酵实验室,从这种利用微生物分解食物的古老技术中获得灵感,为他们的创新菜单发现新的味道。

拥抱生物多样性,克服我们对不育的痴迷

正如发酵过程所表明的那样,我们痴迷于将食物保存在无菌环境中并不总是明智的。奶酪就是最好的例子。在他们的书中重新发明轮子:牛奶、微生物和为卷轴奶酪而战[8]布朗文(Bronwen)和弗朗西斯·珀西瓦尔(Francis Percival)写道:“通过无菌获得安全是一种非常明显的方法,一个多世纪以来,无论是在我们的食品生产还是日常生活中,我们都将其视为理所当然。”然而,说到奶酪,微生物对创造我们喜爱的丰富多样的质地、气味和味道至关重要。

批量生产的奶酪通常依赖于发酵剂,用来向巴氏杀菌牛奶中添加一组精选的微生物。但情况并非总是如此。“如果你回顾大约120年前,没有人在他们用来制作奶酪的牛奶中添加微生物。当牛奶离开健康动物的乳房时,它是无菌的,但随后它有很多机会与环境中自然存在的微生物接种,这些微生物可能来自乳房,来自乳头的皮肤,”布朗文·珀西瓦尔解释说。每个农场都有自己的微生物足迹,可以在奶酪成熟的过程中赋予其特定的味道。通过在奶酪制作过程的每个阶段(从奶牛吃草的草地到生牛奶中的微生物群落)都采用生物多样性,农家乐奶酪制造商有能力制作出具有其农场真正独特口味的奶酪。通过这种方式,他们可以提高自己在奶酪大规模生产中日益增长的整合和效率压力下竞争的机会,同时刺激我们的味蕾,重新将我们对食物的体验与它的原产地联系起来。

随着显微镜、遗传学和DNA测序技术的进步,我们对微生物在农业中发挥的重要作用的了解正在迅速增长。也许我们只需要看看脚下的土壤或盘子里的奶酪就能找到灵感,并与我们周围的微型生物化学家合作,以可持续地养活不断增长的全球人口。

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