细胞农业是指用动物或植物细胞培养物或微生物生产农产品，产品的生产通常在生物反应器中进行，食品蛋白质(鸡蛋、牛奶、养殖肉类)和材料(皮革、纤维)，到精细化学品，如食品配料和药品。
单细胞蛋白是微生物菌体吗？
用于食品或饲料的微生物蛋白通常被称为单细胞蛋白(Single cell Protein，SCP)，许多微生物，包括自养和异养细菌、真菌和酵母以及微藻都被作为SCP的来源进行了研究。根据物种和生长条件的不同，微生物或微藻群含有30%至80%的高浓度蛋白质以及另外两种基本的常量营养素、脂类和碳水化合物。微生物和微藻细胞的增殖速度比具有支持性组织(骨骼、弹壳、纤维素植物结构等)的高等复杂生物快得多，整个细胞的生物量原则上是可以食用的。在许多情况下，可以利用非食用原料进行种植，如农业和食品加工的副产品和残留物，或大量可用的氯化合物，如甲烷或二氧化碳。
SCP既可用于食用，也可用于饲料。虽然用于动物营养的新型SCP产品也需要监管部门的批准，但过程更简单，可以使用更多种类的生长基质。尽管饲料用短链淀粉的生产与畜牧业相关联，从而又与农业相关联，但非食用原材料的利用仍然减少了耕地的使用，提高了资源效率。
图1 SCP微生物的碳和能源
表1不同类别SCP微生物的优势与挑战
单细胞蛋白的用途
（1）作为SCP异养微生物来源的微生物种类
真菌SCP具有良好的脂肪、蛋白质和纤维素(如细胞壁葡聚糖和甲壳素)的营养成分。尽管蛋氨酸的比例相对较低，但苏氨酸和赖氨酸含量较高的真菌SCP的氨基酸组成总体上符合粮农组织指南的要求。真菌SCP除了是一种极好的富含蛋白质的营养来源外，还可用于改善食品的营养质量和功能特性，如质地、乳化和起泡能力。然而，也要考虑在培养过程中某些种类(如镰刀菌和曲霉菌)产生的毒素。
真菌的有益特征之一是它们能够利用各种有机化合物进行生长。除了创造增值产品外，这一特性还可以通过建立循环经济的新路径来解决工业侧流管理中的许多挑战。许多利用工业侧流生产真菌生物质的研究已经报道，主要用于饲料用途，如利用橘子浆、香蕉废料、啤酒糟、马铃薯淀粉加工废料和乳制品废料进行栽培。解脂耶氏酵母是工业生物技术领域常用的酵母，不仅因为它的利用各种碳源的能力强，也会产生脂类。2019年，解脂耶氏酵母干燥和灭活的生物量被欧洲食品安全局(EFSA)批准为新食品。
虽然真菌SCP大多是在深层发酵中产生的，但最近的研究表明在固态发酵种也可以实现SCP的生产。固态发酵是指在固体存在的情况下发酵，固体通常为培养物提供营养和物理支持。与水中生产相比，它具有一些优势，如较低的能源需求和较少的废水产生。固态发酵已被用于提高用作饲料的农残的营养价值和蛋白质含量。然而，使用这种复杂的废物材料的一个潜在风险是，微生物可能会形成有毒次生代谢物。
（2）微藻和蓝藻
微藻是单细胞生物体，可以单独生长，也可以成群生长或成链生长，细胞的大小各不相同，从几微米到几百微米。微藻具有光合作用和固定二氧化碳的能力，是重要的氧气产生器，也是SCP生产的有利宿主。利用各种溪流(如淡水、海洋或废水)作为营养源的微藻短链藻类生产特别旨在取代大豆作为饲料。此外，例如，斜生栅藻在典型的烟道气体中表现出在高浓度下固定二氧化碳的潜力，在存在4.1%二氧化碳的情况下，测得的最大生物量生产率为590至810mg/L/d，反过来，蓝藻并不是真正的藻类，但由于它们的表型和光合作用能力，它们通常被称为蓝藻，并与微藻一起分类。螺旋藻和真核小球藻是蓝藻和微藻中蛋白质含量高达50%-70%的最重要的藻类，属于蓝藻和真核小球藻，目前都被作为功能食品出售。除了高蛋白含量外，微藻和蓝藻还含有其他有益的成分，如脂类、色素、小肽和维生素，从而为食品和饲料应用带来附加值。
（3）化学自养和甲基营养
由于乙酸菌直接将二氧化碳转化为菌体和蛋白质的潜力有限，因此提出了一种利用乙酸菌生产SCP的两步法。二氧化碳首先被乙酸菌还原成醋酸盐，然后在第二个培养步骤中作为可食用异养酵母或真菌物种的碳源供应。对输入能量的生物质理论产量的计算表明，结合厌氧自养和异养生产的两步工艺实际上比厌氧或好氧一步生产更有利。然而，工业一步法生产的主要焦点一直是氢氧混合气细菌，可能是因为细胞团的产量较高。
减少二氧化碳所需的氢气可以通过可再生风能、太阳能、核能或地热能提供动力的水电解产生。因此，生产与耕地的使用无关，但原则上在任何有能源和水的地方都是可能的。二氧化碳可以来自工业废气，也可以通过直接空气捕获技术从环境空气中分离出来。水电解和直接空气捕集都是能源密集型过程，需要特殊设备。然而，最近的研究表明，从空气中捕获的二氧化碳通过光伏发电生产SCP，在每一块土地上的蛋白质产量方面优于农作物栽培。
（4）氮源
在上面的介绍中，SCP微生物根据它们的碳代谢被分成不同的类别(图1)。蛋白质合成所需的另一个基本成分显然是氮。尽管生物反应器中的培养确保了像铵盐这样的营养物质被细胞有效利用并且不会流失到环境中，但通过目前的Haber-Bosch工艺将元素氮减少为氨仍然是二氧化碳排放的一个相当大的来源。因此，利用具有固氮能力的微生物生产单细胞多糖近来引起了人们的兴趣。例如，一个气态氮同化氢氧混合气细菌的联合体已经被培养成SCP，但其生长速度和细胞产量低于以氨为氮源的。在农业中使用化肥导致环境中活性氮过量，这是造成富营养化的一个主要原因。因此，有人建议回收可用的活性氮，而不是从空气中固定更多的氮。人们对开发从废水中回收氨的技术(例如，通过气提、离子交换、电渗析)越来越感兴趣，这些技术可以与SCP生产结合使用。
总结
SCP发展中与细胞农业相关的一个重要趋势是从使用可食用的农业生产的原材料过渡到使用不可食用的原材料，如单碳化合物(二氧化碳和甲烷)和不同的有机副产品和废物。然而，还应考虑到用于SCP生产的原料的监管方面和安全性。正如已经指出的那样，许多国家要求原材料有安全记录，并不是每一种废物都有可以作为微生物食品的底物。
此外，微生物和微藻物种作为食物的安全性和一般适宜性并不总是得到足够的重视。复杂的混合种群，产生内毒素的细菌，甚至潜在的致病物种已经被作为SCP的来源进行了研究。毒理学问题包括微生物团块中存在外毒素、细胞毒素和遗传毒素，在考虑使用食物或饲料之前应进行检查。微生物直接用作食物的一个已知障碍是它们相对较高的核酸含量，这些核酸被代谢成尿酸，这是痛风的原因之一。还应更加重视微生物和微藻生物量的营养方面，不仅是为了必需氨基酸的均衡分配，也是为了蛋白质和其他成分的消化率。除了通常被强调的蛋白质外，微生物和微藻细胞团还提供了其他重要营养物质的丰富来源，如维生素、类胡萝卜素、纤维和必需脂肪酸等。