深度研究：在合成生物赛道的火热之下，万亿替代蛋白市场的确定性、不确定性与重大挑战

本文为FoodPlusHub原创，作者：图罗，转载请联系出处。

 

近来合成生物成为了新的热门行业，作为合成生物的重点应用方向之一，替代蛋白自然也受到了非常多的关注，从许多“项目份额非常难抢”、“认知项目三五天就快速做出了投资决策”这样的描述中，我们感受到了更胜于2020-2021上半年时在消费领域感受到的资本热情。

 

在这样的市场背景下，FoodPlus作为中国最早开始关注并深度研究替代蛋白产业的机构之一，我们认为自己有责任把关于行业的确定性、不确定性与重大挑战的观察展现给大家，尽自己的一份力以促进行业更加健康可持续的发展。

 

这些关于替代蛋白行业确定性、不确定性与重大挑战的探讨，关乎着“是否应该在这个行业创业”、“应该在什么时间点开始在这个行业创业”、“选择什么创业方向”、“是否应该投资这个行业”、“什么时间投资呢？现在是一个好的布局时间窗口吗？”这些关键问题的答案。

 

替代蛋白行业确定性与不确定性

图片来源：FoodPlus

 

决定替代蛋白行业确定性与不确定性的这些关键要素是一体两面的，在确定性之中潜伏着不确定性，在不确定性中又蕴含着重大的挑战与机会。这些关键要素包括蛋白质的结构性供给缺失、政策、资本、替代蛋白技术工艺、市场基础与消费者等。

 

这篇文章我们将力求简明清晰地阐明我们对替代蛋白行业确定性的观察，而后把重点笔墨放在不确定性的探讨上。

 

 

一、替代蛋白行业的确定性：蛋白质供给的结构性缺失，优越的产品，资本的狂欢与积极的政府

 

1、全球蛋白质供给难题需要新的解决方案

 

二战后全球性的人口爆发式增长曾经在上个世纪60与70年代引发了一系列关于蛋白质供给的担忧，当时的一些研究者认为80或90年代就可能会出现蛋白质饥荒。

 

这种担忧最终没有成为现实，二战后各国政府的大力刺激以及行业本身基础技术的演进，畜牧养殖业用更胜于人口的爆发式增长填补上了蛋白质供给的缺口。在1961年至2019年间，全球人口增长约150%，而全球肉类产量增长近400%。

 

全球肉类的生产量

图片来源：FAO

 

这种暴力式的解法在二战后的近80年里为（大部分国家与地区的）人类缓解了蛋白质供给难题，但在接下来的80年里，旧的解决方案还能奏效吗？我们可以给一个较高确定性的答案：不能。

 

根据联合国的预测，全球人口至2050年将增长至仅100亿，较现在增长约25%。而根据联合国粮食及农业组织（FAO）的警告，到2050年，全球的光是肉类消费就会较2020年再增加近50%。

 

全球人口的历史数据与未来预测

图片来源：联合国官网

 

从气候和土地等角度去考虑，如此巨大的缺口无法用旧的解决方案去填平。

 

全球土地使用情况

图片来源：FAO

 

根据FAO的数据，目前农业用地占据着地球表面可居住总面积的50%，其中77%为畜牧业使用，23%为种植业使用。尽管占据着3倍以上的土地面积，但畜牧业供给的蛋白质仅为种植业58%。

 

从土地使用情况的角度来看，似乎可以推平一些森林来保障动物蛋白质的供给？实际上确实有一些国家这么做了，巴西是其中的代表，但巴西那些造成了森林破坏的牛肉不仅受到了欧盟的抵制，本国人民也发起了对这些牛肉的抵制。因此，巴西人民也是在各种消费者调研中对替代蛋白展现出最高接受度的群体。

 

气候限制下的碳排放预算与畜牧业碳排放

图片来源：Grain and IATP

 

1.5°C升温红线相信大家都有时常听到，若全球温度升高超过1.5°C，会引发极大洋环流紊乱、极端天气增加、冰川融化、多国沿海城市被淹没等灾难，这里不展开介绍。这是全球的共识，2015年12月，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》，努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

 

根据Grain与IATP的数据，大型畜牧业公司（不包括个体养殖户）排放的温室气体目前约占全球总排放的14%。按照将全球气温的升高保持在1.5°C红线之下的碳排放预算，畜牧业公司的碳排放占全球总预算的比例将在2030年将增长到27%，2050年将增长到81%。也有学者测算，仅仅全球的食物系统就会让1.5°C甚至2°C的目标无法实现（https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba7357）。

 

总结一下，全球人口增长会进一步推高蛋白质需求，至2050年这个缺口会达到目前全球蛋白质消费量的50%以上，而在土地和气候的限制下，旧的畜牧业蛋白质供给解决方案无法填平这个坑。

 

能够规避土地和气候问题的新蛋白质供给解决方案的大规模铺开具有必然性。实际上，目前许多替代蛋白产品已经展现出了在环保上的降维式优势，如Nature's Fynd的微生物发酵产品对比传统畜牧业牛肉（每g蛋白质）：需要的土地少99%，释放的温室气体少94%，需要的水资源少99%。

 

至于这个坑多大比例会由新式替代蛋白来填平，有许多不同程度的预测，波士顿咨询公司认为至2035年替代蛋白会占到全球蛋白质消费的11%-22%，激进一点的A.T.Kearney认为2035年人造肉可以占到全球肉类消费的50%+，而目前估值已经超过100亿美元的美国替代蛋白公司Impossible Foods则宣称要在2035年前消灭地球上的畜牧养殖业。

 

所以必须要有新的蛋白质供给方式来重塑全球现有的蛋白质供给系统，让新的蛋白质供给方式成为新蛋白质供给系统的重要组成部分。

 

 

2、更优的供给：替代蛋白在多个方面可做到远优于传统产品

 

替代蛋白是一个跨学科应用领域，相关底层技术的关键进步和应用使其成为可能并有辽阔的想象空间。如DNA合成和组装技术推动了复杂遗传构件的快速高效构建；生物计算机辅助设计和制造（bioCAD / CAM）工具促进了生物系统和生物工艺的设计和搭建过程；合成生物学铸造厂（BioFoundry）的出现使得人们可以快速高通量地建造、测试和优化生命体等。并且这些底层技术在接下来大概率会进一步迭代，这给了替代蛋白产品各方面进一步的潜在优化空间。

 

目前来看，替代蛋白在安全性、营养适配性、价格上可做到远超于传统产品，目前一些领先产品的消费者测试收获了非常优秀的反馈。

 

激素与抗生素滥用是目前传统畜牧业的根深蒂固的大问题，替代蛋白产品可以规避这一点，目前主流替代蛋白产品的生产流程不涉及激素与抗生素的使用。在美国，大约65%的抗生素出售给农场使用。不必要的抗生素使用，无论是在医院还是药房、农场还是饲养场，都会导致耐药细菌和基因的增殖和传播，这是一个共识性的畜牧业顽疾。这一点国内可能体会不深，在国外一些国家的消费者对激素与抗生素问题十分敏感，无抗动物产品也能带来很高的溢价率。

 

从营养适配性的角度，替代蛋白产品可以给出营养适配性更好的产品。一些微生物发酵蛋白产品如Quorn与Nature's Fynd，选用的菌株包含所有必要氨基酸、许多微量元素和维生素，且不含胆固醇，生物效价甚至高于传统动物蛋白。如下图中的研究，Quorn旗下蛋白质产品在合成肌肉方面的效果要优于牛奶蛋白。又如合成型人造肉，可以采用基因标记技术来定向规避掉红肉中的负面成份，或者通过添加富含Omega-3的油脂来替换传统脂肪。

 

Quorn蛋白的生物效价研究

图片来源：University of Exeter/Quorn protein builds muscle better than milk protein

 

从价格角度看，替代蛋白产品的理论生产效率远高于传统产品，未来在价格上会有很大的优化空间。从能量转换的角度来说，我们不再需要供应猪牛羊去呼吸、活动、生长我们不需要的部分（如皮肤、内脏与毛发）；若是采用微生物生产，能量利用率可比恒温动物生产方式高一个数量级。目前微生物发酵蛋白产品在价格潜力上已经可以优于传统产品许多，如Perfect Day目前在规模化生产的情况下可以把成本做到传统产品的40%。考虑政策对传统产品可能的限制与对新型产品可能的鼓励（如碳交易），这个价格差会进一步拉大。

 

 

3、现有蛋白质产品的市场基础给替代蛋白产业及其发展路径带来的确定性

 

现有蛋白质供给系统的上下游供应链，如终端产品加工与包装、物流运输、渠道、营销等，为替代蛋白产业的快速深度渗透提供了基础和确定性。

 

除了产业端的，消费端的饮食习惯与饮食文化也给替代蛋白来了确定性。目前不论是肉类还是乳制品，都以不同类型的产品融入到了消费者饮食与生活的方方面面。当替代蛋白在消费端渗透时，已经形成的饮食习惯与文化会成为渗透的最大助力，例如植物肉在餐饮端的渗透，其中植物肉汉堡是主流形式之一，而植物乳则以植物奶与植物酸奶的形式成为替代乳制品的重要方式，这些都是替代蛋白在消费端确定性最好的例证。

 

事实上，现有的巨头企业如泰森、JBS、雀巢、联合利华、双汇等企业也是目前替代蛋白产业的重要支持者，除了提供风险投资外，多家巨头企业也通过自主研发来参与替代蛋白产业。

 

需求端的基础和惯性则是为替代蛋白产业的发展方向提供了指引和确定性，作为一种新的蛋白质供给方案，替代蛋白产品需要沿着传统产品的感官体验来研发，若完全跳脱出传统产品，可能会引起双重的食物恐新症（Food Neophobia）造成消费者抗拒，或者需要教育新的使用场景。这些情况都会给替代蛋白产品的市场深度渗透带来很大的难题。

 

鹅肝

图片来源：pixabay

 

如目前众多公司在艰苦研发的细胞培养肉的基础逻辑是：1.人类写在“DNA”里的对真实肉类的向往；2.肉中有许多未被发现的营养元素，在体内的代谢流程也没被完全揭示，长期缺乏可能造成身体的某种系统性障碍；3.强烈的饮食文化习惯。又如鹅肝和海鲜这样质地均匀、价格昂贵的产品也是热门研发方向。

 

各国消费者对微生物发酵乳的态度

图片来源：Oscar Zollman Thomas等人（2021）

 

多个品类的产品已经得到了初步验证或是在前期调研中被消费者表达了积极的态度，可以参考Impossible Foods或是Oatly的发展情况，或是Perfect Day旗下的微生物发酵乳冰淇淋品牌Brave Robot以及Nature's Fynd旗下的产品，它们在上市后引起了不错的市场反响，目前均在大规模扩大产能和渠道。

 

 

4、替代蛋白领域的资本活动仍有结构性缺失，创业投资将爆发式增长

 

我们近来越发能清晰地感知到替代蛋白的势能之将倾，这点我们可以从资本热度上来见微知著，以感受替代蛋白行业的脉搏。在刚过去的2021年中，全球食品饮料领域里金额最大的10笔融资中有9笔来自替代蛋白领域，这9笔的总金额超过了26亿美元。而据不完全统计，2021年全球替代蛋白领域的投资更是达到了49亿美元，同比增长近60%。

 

全球替代蛋白领域的投资趋势

图片来源：FoodPlus，FAIRR

 

从估值角度看，据悉目前Impossible Foods的估值超过100亿美元，已经达到了世界上最高市值的肉企泰森的1/3，而泰森已经成立了近90年。

 

尽管这两年来替代蛋白领域的投资金额已经呈现出一种拔地而起的观感，公司估值也水涨船高，但我们认为，替代蛋白尤其是在中国仍没得到与市场潜力相匹配的重视，资本活动还存在着结构性的缺失。

 

在之前的研究产出中我们曾提到，替代蛋白的内核逻辑与新能源十分相似，现在的蛋白质供给系统的结构面临重大问题，同样的紧迫性，同样的巨大拓展空间。

 

全球主要肉类市场规模约为8700亿美元（牛肉3200亿、鸡肉3200亿、猪肉2300亿），蛋类市场约2000亿美元，奶类产品市场约7200亿美元，海鲜市场约2400亿美元，这几个主要的蛋白质来源市场总计超2万亿美元。

 

目前全球能源市场规模约为8万亿美元左右，替代蛋白与新能源市场相比，整体市场规模相差不大，内部升级的投入却相差了好几个数量级。截至目前，替代蛋白领域私企的R&D的历史总投入大约为20-30亿美元，而近年来在新能源领域的投资年均维持在3500亿美元左右。因此，我们相信接下来替代蛋白的风险投资会愈演愈烈，来消除这种数量级上的不匹配。

 

 

5、政府鼓励替代蛋白产业是普遍现象，未来鼓励力度还将逐步加大

 

众多国家都开始对替代蛋白产业进行积极政策鼓励，包括监管审核合作辅助与资金赞助等。其中的代表是新加坡，他们推行了一个“30 by 30”的计划，目标是在2030年实现30%的食物是本土生产（目前是10%），目前许多国际领先的替代蛋白公司都有研发部门驻扎在新加坡，而2020年新加坡通过的全球首个细胞培养肉监管审核也引发的业内轰动。

 

与全球其他纷纷开始鼓励扶持替代蛋白产业的国家一样，我国政府已开始展现出对替代蛋白表现出的积极态度：

 

• 2017年，中国政府与以色列政府达成了一份3亿美元的交易协议，意在促进以色列环境友好的能源与农业食品科技出口到中国；
• 2020年，全国政协委员孙宝国带着“关于加快细胞培养肉发展战略部署”的提案上了全国两会，建议加快建立和完善细胞培养肉产业监管体系和法律法规；
• 2020年，中国风险投资公司投资了香港细胞培养海鲜公司Avant Meats；
• 2021年6月，杭州拱墅区人民政府独家投资植物肉公司妙鲜；
• 2021年7月，重庆省政府投资佳沃与韩国SK集团合作成立的9000万美元替代蛋白合作基金；
• 2021年10月，南京细胞培养肉公司周子未来完成A轮融资，投资方包括有国资背景的南京市创新投资集团；
• 2021年12月农业农村部关于印发《“十四五”全国农业农村科技发展规划》的通知中，也明确提到了细胞培养肉、合成蛋奶油等，并将该类别列为国家下一个五年积极参与的领域。

 

2021年3月，总书记看望参加全国政协十三届五次会议的农业界、社会福利和社会保障界委员期间提到：“要树立大食物观，从更好满足人民美好生活需要出发，掌握人民群众食物结构变化趋势”，“要向森林要食物，向江河湖海要食物，向设施农业要食物，同时要从传统农作物和畜禽资源向更丰富的生物资源拓展，发展生物科技、生物产业，向植物动物微生物要热量、要蛋白。要积极推进农业供给侧结构性改革，全方位、多途径开发食物资源，开发丰富多样的食物品种，实现各类食物供求平衡，更好满足人民群众日益多元化的食物消费需求。”

 

根据我国的农业发展统计，中国在2015年左右就已经实现养殖业和种植业的交叉拐点，但还是远远无法内部消化需求。目前中国消耗了全球约1/4的肉类产量，是世界上最大的肉类产品进口国，并且进口量年增长率维持在两位数；同时中国在2019年还成为了世界上最大的奶类产品进口国。

 

全球的肉类消费情况

图片来源：世界经济论坛

 

尽管已经成为世界上第一大肉奶进口国，但是国人的蛋白质摄入还是低于世界卫生组织推荐的68克。这里面当然有饮食习惯的原因，但更底层的原因是蛋白质供给的结构性缺失。

 

中国居民蛋白质摄入量状况分析

图片来源：罗洁霞 许世卫

 

我国以占世界9%的耕地、6%的淡水资源，供养了世界近1/5的人口，在碳中和、粮食安全的时代背景下，面对如此的结构性矛盾，我们相信我国政府会进一步加码对替代蛋白产业的鼓励。

 

从国家整体战略、国家食品安全、本土化布局能力等角度出发，我们有理由相信替代蛋白领域里未来出现的这些百亿甚至千亿级的公司中会有几家是来自中国这个全球最大的蛋白质消费国。

 

引用《乔布斯传》中乔布斯的一段话作为确定性这一章节的结尾：I think the biggest innovations of the 21st century will be at the intersection of biology and technology. A new era is beginning.（我认为21世纪最大的创新将发生在生物学和技术的交汇处。一个新的时代正在开始）

 

 

二、确定性之中潜伏着不确定性，在不确定性中又蕴含着重大的挑战与机会

 

1、政策的不确定性给创业公司整体战略规划带来了很多难题，也可能使资本望而却步

 

政策带来的不确定性是目前替代蛋白行业公司面临的主要风险之一。这种不确定性影响着很多方面，如各技术路线能否最终通过监管，通过监管的时间框架是怎么样的，或是政策会以多大的力度来推动这个行业。

 

微生物发酵蛋白鼻祖Quorn最初在英国的安全性审核用了16年。Quorn核心成份在1970-1980 年期间进行毒理学测试，涉及对11种动物（包括猪、小牛、狒狒）进行的喂养试验，结果表明对动物或后代没有不利影响；对2500名人类志愿者进行的试验，也没有显示出不良反应或免疫反应；并证明细菌负荷与储存的鸡或鱼相似。最终，一份200万字、26 卷的报告提交给当时的农业、渔业和食品部批准，并于1985年1月首次向英国消费者出售。Quorn在美国的监管审核战线也拉得较长，在获得英国政府的安全审核10年后，阿斯利康对Quorn的附加毒理学测试1996年12月完成提交美国食品药品监督管理局。需要注意的是，所有这些食品安全测试仅适用于Quorn的菌种。

 

随着产品案例增多，监管部门经验积累与流程规范化标准化，近年来监管审核的时间线有缩短的趋势，如近年来Perfect Day、Impossible Foods、Nature's Fynd在美国通过审核的时间线为2-5年。

 

细胞培养蛋白方面，此前绝大部分的市场时间线预期都被证明过于乐观了。在Effective Altruism收集到的273个关于细胞培养肉市场时间预期与计划中，有近130个已经到了时间重点，而其中成为现实的预期只有9个。对监管审核时间线的过度乐观是造成这些错误预期的重要原因。

 

细胞培养蛋白的时间预测

图片来源：MotherJones

 

而对中国来说，尽管宏观政策向好，我们也坚定地相信各种技术路线的替代蛋白产品在中国长期来说能通过监管审核几乎是确定性事件，但包括监管细则与时间线在内的一切依旧是未知。

 

这种审核时间线上的不确定性给整体行业的发展也带来了许多不确定性。

 

首先商业化时间点的不确定，给公司的资金筹划、战略规划甚至是生命线都带来了很多难题。从公司战略规划的角度来说，3年或5年或10年后才能通过审核，公司的战略规划会完全不同。对于已经入局的公司，如果这个审核时间线拉得很长，从商业化角度来说，公司需要依靠一些支线业务来维持现金流，如细胞培养蛋白公司可以通过商业化部分价值链环节（如细胞培养液）或者应用于非食品领域（医药、护肤等）；此外，随着产业价值链各环节逐渐标准化与成熟化，如果战线过长，很可能后来者会以很快的速度建立起供应链，使得先入者的先发优势被极大削弱。如果审核时间线较短，则是集中资源猛攻主线终端蛋白质产品。对于资源有限的创业公司来说，很难从战略规划的角度去拥抱这样的不确定性。

 

从资本的角度看，时间线的不确定性也可能使他们望而却步，动则8-15年的退出时间线，使他们的投资决策变得非常艰难。这对于一个资本密集型的产业来说可不是好消息。替代蛋白产业各方面研发与基础设施建设需要万亿美元级别的投入（具体的情况下文中有提到），若行业确定性提高较慢，会影响到资本的热情，进而反过来使行业确定性进一步降低，行业的发展曲线可能会非常平缓，甚至无法突破质变点。

 

相关政策的鼓励力度（如税收优惠、资金资源支持等）也是一个带来很大影响的不确定性。私营公司缺乏动力来解决许多高风险的早期研究，这些研究可能不会在短期内产生商业产品，这一点也会延缓行业的发展。例如绘制最初的人类基因组图用了13年时间，全球花费约3亿美元，其中美国国立卫生研究院贡献了50-60%。虽然绘制作物基因组的成本会更低，但它可能会远远超过一家公司在长期研发上的花费，比如资本充足的Beyond Meat在2020年的研发费用约为3000万美元。

 

 

2、细胞培养蛋白：仍需进一步突破关键规模化生产障碍

 

这一章节我们非穷尽地讨论一下细胞培养蛋白在生产实践上的重点不确定性。

 

我们面对的不确定性不在于终端产品的完成度，目前已有公司通过3D打印与支架等技术给出了完成度较高的细胞培养肉产品，而更多是在于成本控制。

 

在过去的10年里，细胞培养肉的成本正以每3年1-2个数量级的速度在下降。基于这个的成本控制曲线，市场里充斥着许多乐观的态度与预期，认为未来这种成本下降速度会持续进行，在2025年左右就可以突破与传统动物产品的平价点。

 

这种基于实验室工厂数据的预期可能过于乐观了，这样的预期还没得到规模化工厂的证实，就算我们假设细胞系本身可以在规模化工厂中有效的、按照预期地繁殖，但其中还是有一些足以让“经济的细胞培养肉产品”成为伪命题、或者起码几十年内都是伪命题的难题挡在面前。

 

以下重点讨论生物反应器、规模化工厂与细胞培养基。

 

（1）生物反应器

 

首先，生物反应器的排除代谢物功能需要找到新的解决方案，目前来说还没有行之有效的技术苗头。

 

在生物制药的细胞培养中，细胞的有毒分解代谢物的积累是比生物反应器本身的任何物理限制更常见的限制。

 

代谢物问题目前有一些初级解决方案，但往往会带来新问题。如分解代谢物可以使用灌注反应器重复循环，但这种方法在经济上可能不可行，它需要更小的容器和更大的占地面积，从而限制了规模经济。

 

我们有看到设计新的细胞系的思路，一种分泌较少、同时仍能快速生长的细胞系。我们认为这种方法的可行性有限，因为这两个目标是相互矛盾的，根据热力学的基本原理：生长较慢的细胞系往往会更有效地代谢，而生长较快的细胞系往往会产生更多的废物。

 

具有潜在大规模养殖肉类生产反应器关键操作参数的工艺流程图

 

其次，目前来看，从规模经济上具有可行性的生物反应器具有非常大的研发难度，这个规划化生产的乐观预期带来了极大的阴影。

 

生物反应器需要为所有细胞提供相同数量的营养和氧气，容积越大这个过程就越难实现。唯一的解决方案是更快地搅拌细胞，或者吹入更多的氧气——但这两种方法都可能会造成细胞死亡。因为培养细胞缺乏坚硬的细胞壁，动物细胞容易产生“剪切应力”，很容易被上升的气泡、细胞间的碰撞和旋转的叶轮撕裂。

 

这种对增加搅拌和氧气的需求在历史上已经对生物反应器的尺寸提出了理论上与实际上的限制，这个问题在远低于10万升的规模上仍未得到解决。在Eat Just的规模化生产商业规划中，单个生物反应器的容积为10万升（一个工厂需要15个左右），但目前生物制药行业最大的动物细胞培养生物反应器往往只能达到2.5万升左右。

 

细胞的抗剪保护剂是一个方案，但会带来成本的显著性增加。如Pluronic F68是一种常用的消泡剂和抗剪保护剂，在中国的售价超过每克42元人民币，当以推荐的最低浓度0.5g/L使用时，每升反应器体积的生产成本会增加21元人民币，单单这项成本就会让细胞肉缺乏竞争力——相比之下，100克碎牛肉的售价为6-9元。

 

生物反应器中传质不良需要使用富氧空气作为细胞的氧气供应，这反过来会导致高二氧化碳分压，使得细胞的呼吸商 (RQ) 接近于1。纯氮气用于汽提溶解的二氧化碳是一种解决方案，虽然不是显著的成本增加项，但这种生产的复杂性会对细胞培养肉的竞争力产生负向影响。

 

最后，生物反应器的研发需要大量的时间、资本与工程师，这也会带来许多难题。

 

10万升规模生物反应器的研发在实际上非常困难，根据行业经验，这样规模的生物反应器可能需要花费2000万美元，并且需要12个月才能建成，而且没有办法知道细胞是否会在其中生长。可以在一定程度上使用AI进行建模，但是效果有限，研发失败就需要从头再来，再花费十数个月的时间和数千万美元的研发费用。

 

如果按市场主流研究机构预测的细胞培养蛋白的市场份额，生物反应器等基础建设需要数万亿美元资本，并且建设缓慢，这可能使“替代”发生的过程非常漫长，远超目前主流机构的时间线预期。

 

（2）规模化工厂

 

目前来看，细胞培养蛋白的工厂很难从经济上做到规模与有序生产平衡，因此可能造成工厂规模受限，无法产生足够的规模效应，进而使产品价格缺乏足够竞争力。

 

目前从医药行业的情况来看，细胞培养蛋白的生产需要非常洁净的环境，一粒细菌就可能引发工厂停工。满足这样环境的规模化工厂造价在极端情况下可达数十亿美元，这可能使得单个工厂的固定成本和资金回收周期在经济上显得不切实际。就算能建造出这样的工厂，由于经营非常繁杂，也会伴随着潜在的高昂维护费用。

 

Upside Foods的细胞培养肉工厂

图片来源：Upside Foods

 

如细胞培养蛋白的生产需要8级洁净室，一个封闭的空间，当戴着口罩、戴头巾的工人进出时，管道输入的净化氧气可以吹走有害颗粒，可能是通过气闸或无菌更衣室。为满足空气悬浮颗粒物的国际标准，室内空气将以每小时10至25次的速度更换（而传统建筑中的更换率为2至4次）。细胞系维持和接种的区域需要一个6级洁净室，这是一个更加密集的规范，以每小时90到180 次的空气置换率运行。

 

对于生产设施来说，单个焊缝要达到完美的水平。焊接不良会在管道中产生小坑，细菌会藏在这些坑中，绝对会破坏细胞生产过程。如果不清楚漏洞在哪里，情况可能会迅速恶化。生物技术公司有时需要将整个工厂拆开，擦洗所有东西，然后将它们重新组合在一起以缓解问题——这一过程可能需要在单个管道焊接中产生一个微小的涡流，这在劳动力和生产力损失方面成本高昂。

 

这种密集的资本投入与高昂的运营费用，会成为细胞培养蛋白行业规模化生产的一个重大阻碍，除非相关公司证明其能在接近啤酒厂的卫生环境中有效生产，或者通过技术手段来达到这点。

 

（3）细胞培养基

 

细胞培养基是目前细胞培养工艺的边际成本中最主要的组成部分，而市场对细胞培养基的成本下降曲线判断可能过于乐观了。

 

牛胎盘血清是传统细胞培养基中的重点成本项，目前一些公司在研发或者宣称研发出了植物基的替代培养液，但这种替代培养液的实际效果以及在规模化生产中的效力还有待进一步验证。以过往的一些替代培养液产品来说，往往会使得细胞发育不成熟，或者最终细胞密度有限（也就是投入产出比不佳）。

 

目前研究机构如GFI对替代培养基的成本判断是基于饲料级氨基酸蛋白粉进行判断的，但这种级别的蛋白粉是否能用于细胞培养肉的大规模生产还需要进一步观察。这些饲料级氨基酸蛋白粉中含有重金属、砷、有机毒素等可能杀死细胞的物质，或者会最终呈现在终端消费者产品里。仅氨基酸的成本最终会增加每磅细胞培养肉的成本约8美元，已经远远超过一磅碎牛肉的平均成本。

 

 

3、微生物发酵蛋白：菌株筛选培育、培养液以及生物过程存在着不确定性和重大机遇

 

这一章节我们非穷尽地讨论一下微生物发酵蛋白在生产实践上的重点不确定性。

 

微生物发酵蛋白在规模化生产实践上的可行性显著高于细胞培养蛋白，但也依旧存在着不确定性与重大挑战。以下我们重点讨论菌株筛选、培养基、生物过程与整体成本。

 

（1）菌株筛选与培育

 

菌株的筛选和培育是微生物发酵蛋白研发中最重要的环节——种子不够优秀的话，再好的土壤、肥料和阳光也无法生长出一颗强壮的树。

 

尽管地球上有上万亿种微生物等待挖掘，但目前可用于生产蛋白质的微生物非常有限，几十年来发酵行业主要依赖于少数成熟的主食品种，微生物工厂的宿主菌株目录也早该进行彻底翻新。而目前也出现了一些公共性的微生物工厂数据库与2B微生物育种公司。

 

微生物工厂的实验室

图片来源：帝国理工大学

 

微生物本身的一些不确定性，给监管带来很大难度。如微生物工厂生产易被污染（特别是生长速度慢的丝状真菌），细胞壁可能难以消化，微生物蛋白可能引起消化系统不良反应（如新闻报道中一些有关Quorn产品造成的恶心和呕吐案例），甚至一些菌株可能会产生霉菌毒素，影响范围从过敏反应到致癌和死亡。这样的复杂性为微生物蛋白产品的监管带来了很大难度，如前文提到的Quorn真菌蛋白的初始安全性测试历时16年，在被批准用于人类消费之前，经过了广泛的霉菌毒素或其他有毒化合物测试。如果安全性审核中途受挫，则需要更换菌株或者进行基因编辑，然后把安全性测试的流程再走一遍。

 

如前所述，这种时间线上的不确定性，给企业的整体战略制定带来了很大的挑战。

 

（2）精密发酵所用的培养液

 

目前，大多数微生物精密发酵依赖于相当标准化的、精制的、以糖为基础的原料。这些在食品和工业生物技术发酵过程中的验证使用历史悠久。

 

由于糖原料足够便宜、质量足够高且供应量足够大，因此这些并不是目前发酵应用的显着瓶颈，但对发酵的需求不断增长将导致对传统原料的需求大幅增加。由于所需的原材料数量庞大，无论微生物或下游加工技术如何，原料都是发酵过程中的关键投入成本。根据行业经验，在真菌发酵蛋白生产中，总产品成本的40-60%来自培养液原材料。

 

为了实现各机构预测的大规模商业化（微生物发酵蛋白占到10-30%的蛋白质供应市场份额），培养液的原材料供应会成为一个难题，因此需要更多的研究来超越这种培养液范式，如广泛使用更便宜和更可持续的原材料。

 

（3）生物过程/生物反应器

 

尽管目前领先微生物发酵蛋白的边际成本已经突破与传统动物产品的平价点，但基础设施投入中还是有许多不确定性与重要的挑战。

 

首先，针对非真菌的连续流培养系统还有待研发。Quorn此前开创了一种称为气升式发酵的生物反应器设计，与传统生物反应器相比，它需要的能量大大减少，同时可容纳大量体积。这种生物反应器设计非常适合丝状真菌，但对非丝状真菌或细菌的兼容性有限。据悉，这种15万升的生物反应器单个造价为3750万英镑（近5000万美元），高50m，重量超过250吨，年产量为1万-1.4万吨。这种巨大的资本支出抬高了许多微生物发酵蛋白创业企业的进入门槛。

 

Quorn的气升式生物反应器

图片来源：Jack A. Whittaker, Robert I. Johnson

 

固态发酵是一个规避巨大资本支出的技术路线，这些系统可以节省成本并降低进入门槛，因为它们不需要液体发酵所需的相同资本密集型不锈钢生物反应器。

 

对于生物量发酵的蛋白质产品来说，核酸（RNA）降低手段也存在着较大的优化空间。微生物发酵蛋白的核酸浓度高于其他蛋白质（所有快速增长的有机体的特点），高核酸带来的含酸蛋白质（18-25 g/100g 蛋白质干重）会在血液中产生高浓度的尿酸水平，导致痛风和肾结石等健康问题。

 

内源性核酸降解酶（核糖核酸酶）可用于核酸的降解，经过热处理（60–70°C）激活后，用于微生物发酵产品的终端生产。核糖核酸酶也可以添加到该过程中或用作固定化酶。降解的核酸成分从细胞中扩散出来，但也会发生生物量损失（35-38%）。该过程通过使用更高的温度（72-74°C）30-45分钟得到改进，生物质损失更少（30-33%）。温度升高需要蒸汽输入，这是一个成本因素，但在RNAse激活后，在 90°C下对生物质进行最终处理也需要热量。这样的背景下，生物量发酵的蛋白质产品的生产效率还存在40%以上的理论优化空间。

 

关于发酵蛋白方面，我们此前有发布过两篇深度研究内容，一篇是文章，聚焦整个发酵蛋白，另一篇是报告，其中核心部分是发酵乳。

 

 

4、消费者端的不确定性：能否“跨越鸿沟”到主流市场，仍需进一步验证

 

解决了监管问题、成本优化之后，替代蛋白产品在消费者市场的深度渗透上依旧存在诸多不确定性。

 

食物恐新症（Food Neophobia）是一个需要解决的问题。食物恐新症是动物避免吃没吃过食物的一种习性。如大鼠不吃或只尝一点陌生的食物，以避免中毒。灵长类动物和大象及某些肉食动物幼体要靠双亲和其他成员的指导才养成相应的摄食习惯，但幼年灵长类动物比它们的长者更易于尝新食物。食物恐新症的存在可能让替代蛋白产品的市场渗透速率远低于目前的预期。

 

心理层面的因素也会造成人体对一些替代蛋白产品的排斥。针对这种现象比较有名的一种阐释是“恐怖谷效应（uncanny valley effect）”，在这种理论里，人会对仿真性高到一定程度但是又不够高的物体产生天然的排斥反应。

 

在饮食文化与习惯方面，消费者对未来替代蛋白产品还原度、口味、风味、质地等品质的高标准，例如我们今天对不同品种、不同养殖方式肉类的需求，我们在乳制品上游牧场地域、乳牛品种的追求，这些都是消费者需求的类型，而在替代蛋白逐步往消费者端渗透时，消费需求的不同类型以及高要求会为行业提出很多难题。如在中国市场中的植物肉产品就未达到理想的预期，这其中除了价格、营养性等方面，目前中国市场里流通的植物肉产品整体还原度不够高也是一个主要原因。

 

总体来看，替代蛋白产品的人群渗透上依旧存在诸多不确定性，能否“跨越鸿沟”到主流市场，还需要更多的案例和研究来佐证。

 

 

5、低碳饲养技术持续精进可能在一定程度上会冲击替代蛋白的供给端逻辑

 

前文提到，畜牧用地面积和气候限制下的结构性蛋白质供给空白是替代蛋白行业的重要宏观逻辑之一，如果低碳养殖技术精进到极低排放甚至零排放，那么这会在一定程度上会冲击替代蛋白的供给端逻辑。

 

目前这些低碳饲养手段比较繁杂，包括存栏动物生命周期管理、低碳饲料、粪肥管理、化肥使用和农田中的碳封存量等，对比普通饲养增加了许多饲养成本，以牛肉为例，目前这样的低碳牛肉的定价比普通牛肉高出50%+。

 

考虑到目前的低碳饲养技术的发展情况，替代蛋白的激素/抗生素、营养适配性、生产效率这些优势逻辑依旧稳固。

 

但低碳饲养技术依旧是替代蛋白行业从业者需要密切关注的技术，倘若其能在畜牧用地面积和气候方面做出显著改善，同时把成本维持在合理的范围内，那么对替代蛋白的供给端逻辑产生的冲击会比较大。

 

以上我们探讨了诸多关键要素的重大不确定性，意图不是否定行业的基础逻辑或者吓退潜在的行业进入者；相反，在认识到了一些关键不确定性后，我们更加相信到这个行业蕴含的价值与重大机遇，正确且充满价值的路往往艰难。也希望此文能够帮助行业内的朋友更加清晰地看到行业的不确定性，意识到风险所在，以及可能会面临那些重大挑战，进而辅助各类决策的理性制订。

 

确定性之中潜伏着不确定性，而不确定性中蕴含的重大挑战则正是颠覆性创新的土壤与超额收益的源泉。

 

第一部分的结尾引用了一则乔布斯对生物技术潜力的判断，这里再引用一则Elon Musk最近的推特作为结尾吧：2009 年，我和芒格曾共进午餐，他向全桌讲述了特斯拉会失败的所有方式。这让我很伤心，但我告诉他，我同意他所说的，我们可能会“死”，但这仍然值得一试。

 

本文封面图来源：pixabay

 

提示：

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我们最早从2017年就开始关注替代蛋白，那时FoodPlus才刚刚成立不就，后来持续关注替代蛋白的发展，以及持续对替代蛋白进行研究，我们也坚信这个产业的发展前景，这也是我们在2022年深耕替代蛋白赛道的核心原因。在今年针对替代蛋白的研究以及会员活动中，我们也将围绕替代蛋白的确定性、不确定与重大挑战持续深入和展开，希望同样关注替代蛋白的朋友以及已经进入替代蛋白的朋友，我们能够携手深耕这个产业。