1、食品饮料行业的特点
食品饮料制造行业作为必需消费行业的核心组成部分，在《国民经济行业分类》（GB/T4754-2017）2019年修改版中得到了详尽的划分。该行业涵盖了农副食品加工业、食品制造业、酒、饮料和精制茶制造业以及烟草制品业四大类别，这些类别共同构成了食品饮料制造业的完整产业链。
新中国成立70多年来，我国不仅已建立起独立的、门类基本齐全的现代食品工业体系，食品工业成为国家现代工业体系中的第一大产业，而且产业规模位居全球第一，为保障中国与世界的食品供应做出了历史性贡献。我国食品饮料工业市场规模持续扩大，展现出强劲增长态势，2023年市场规模约为11.71万亿元，同比增长3.75%，约占我国GDP的10%，是国民经济的重要组成部分，也是保证国计民生的支柱产业。
总体来讲，食品饮料行业的特点可以概括为：市场规模巨大（天花板高）、门类多SKU丰富（商机丰富）、弹性小（经济周期防御性行业）、客单价较低+复购频次较高（考验产品力和品牌信任度）、生产成本较为敏感（添加剂准入门槛高）。相比上一期《生物制造如何赋能日化美妆产业》中提到的，同样是典型的快消品，食品与日化行业有很多相似度，包括都是高频消费、都是添加物复配的产品、都有成熟的供应链体系、都有新原料的需求。其他层面略有区别，例如食品行业市场更加广阔，但灵活度相对较低，营销属性相对较弱，而消费者对食品的安全容忍度极低。
我国食品饮料工业的发展历程，也是我国从建国以来到改革开放经济腾飞的行业缩影。第一个五年计划时期，食品饮料工业迎来了第一个发展高峰期，年均增速为13.2%。到1978年，我国食品工业产值比1952年增加了469.86%，主要大类食品的产量均大幅增加。经济转轨时期，国家逐步将食品工业定位为国民经济重点发展的支持性行业，开始构建食品工业创新体系，较大规模引进技术装备以及积极发展食品出口贸易，我国食品工业进入了全新的发展阶段，保持了较快的增长速度。1979-1992年间食品工业总产值增加了3.72倍，年均增长率为9.84%。1992年，我国确立了市场经济体制的改革目标。此后，我国食品工业进入快速发展的状态。1993-1998年间食品工业总产值由3428.66亿元增加到5900亿元，年均增长11.60%。
进入21世纪尤其是2001年中国加入WTO后，食品工业迎来了发展最快的历史时期。2002-2008年间食品工业年均增速达到30%。尽管2008年爆发了席卷全球的金融危机，但在2008-2012年间我国食品工业仍然保持着10%以上的增长率，成为拉动经济增长和扩大内需的重要产业。随着人民物质生活水平的提升和满足，食品工业正式进入由数量保障向安全保障转变的新时期。2013年以来，我国食品工业投资增速持续下滑，总量规模的增速处于中等水平，粗放式的规模护张逐渐终结，迎来了以质量安全为主导的新时代。
2、大健康时代食品饮料工业的机遇
大健康产业是与民生密切关联的重要产业，具有巨大的发展潜力。除传统医疗医药以外，该产业涉及养老、保健、营养、健身、心理、护理、美容、防疫等众多领域，其产业链涵盖农业、工业和服务业，覆盖范围广、延伸链路长。一方面，《2024年华夏大健康产业白皮书》数据显示，全球医药产业规模在过去五年间从1.3万亿美元增长至1.5万亿美元，预计将以5.8%的年复合增长率持续增长。
新的人口环境和发展趋势正在催生新的赛道。随着人口老龄化的进程加速，产生了两方面的供需结构改变：1）国家社保医保资金增量下降，必然造成部分医疗需求外溢，“治病为主”将转化为“防治结合”或“以防为主”，需要“防”的承载产业。2）人口老龄化造成的慢病管理、饮食管理、生活方式管理等需求，同样需要一个产业作为承载。
上述情况，从经济学角度来讲，由食品饮料工业承载将是最低成本、最大社会效益的方案。因此，大健康食品饮料是一个巨大的增量蓝海赛道。与人们身体健康息息相关的保健食品、营养食品、绿色食品、生物制造食品将迎来巨大的发展机遇。参考《2021年美妆行业新规》造成的美妆行业由“营销”转为“健康”的路径，我们预计，食品饮料行业也将沿着该路径发展，逐渐走上“科技、安全、健康”的新发展道路，迎来第二发展曲线。这个当中便蕴藏了巨大的市场机会，包括品牌端、原料端和解决方案端。以蒙牛为首的头部乳品企业，在特仑苏牛奶20周年的策划中，特别提到了乌兰布和有机沙漠草原奶源、无毒纸质包装、可降解瓶盖等，为乳品行业在大健康领域树立了标杆。
（有机奶源）
随着未来大健康需求的加速渗透，国内必然出现与该需求相匹配的新锐品牌巨头，以及与“健康、安全、绿色”相符合的新配方体系、新原料产品。
3、食品饮料行业的隐形“卡脖子”现象
前文提到，加入WTO之后，我国大量引进了国外的先进的技术、设备、配方体系、原料体系、解决方案、管理体系和营销体系，迅速实现了快消品市场体系的建立。这其中，收益最大的便是食品饮料规模的提升。虽然短期内做大了整个市场规模，但也造成了一个严重的问题，国内老牌食品饮料企业，希望快速抢占国内市场，早期轻研发、重渠道，于是造成了国外解决方案巨头的大面积垄断。
这些解决方案巨头，早已在全球经营数十年，甚至上百年，形成了一整套的原料开发、配方服务、产品策划和技术赋能服务体系。例如，嘉吉的食品原料供应体系服务，杜邦和科汉森的发酵食品配方服务，DSM的饮料体系配方服务，德之馨和芬美意的香精香料配方体系服务。高效的服务流程、高科技的配方体系、数十年积累的原料库、全品类的覆盖度，造成我国食品饮料品牌方“衣来伸手，饭来张口”，大面积丧失了研发和配方能力，国外巨头成功将食品饮料利润最高的环节垄断；与此同时，国外解决方案商会以销售渠道或包销作为筹码，将低毛利的原料生产部分交给国内的OEM工厂，这也造成了我国食品原料和添加剂行业的长期低毛利运行状态，缺乏利润进行新原料研发和底层科学研究。以饮料行业为例，乳品无菌包材在过去几十年一直由瑞典利乐包装提供，甚至有报道宣称，“乳企在给外企打工,每包牛奶3/4收益被分走”。包材尚且如此，内料的情况可想而知。
4、生物制造在食品饮料行业的商业化机遇
合成生物的定义是利用工程学思路，模块化改造或创造生物细胞，使其具备合成化合物的能力。广义的合成生物学，实际上是指生物制造，即用生物细胞制造物质。主要的方式是基于DNA编辑技术，形成的一系列下游技术的延伸，包括微生物代谢工程、酶工程、基因编辑服务、细胞治疗与基因治疗、人造细胞肉等领域。通俗来讲，合成生物就是利用改造后的细胞生产物质。合成生物学是一门典型的交叉学科，以工程学（电路电子工程）思路为基础，结合基因技术、计算机技术、发酵生产技术及化学工程与工艺技术，形成一种全新的细胞车间生产方案。合成生物是一门 “古老”而又“新兴”的学科。合成生物作为底层技术，可被广泛地应用到下游行业中，包括食品、日化、农业、环境、能源、医疗等诸多领域。合成生物是对技术的称呼，而生物制造则是对产业的称呼，生物制造是指以合成生物为技术基底的产业形态。
（合成生物应用领域）
合成生物是典型的交叉学科。从技术过程来看，经历了上游底盘设计、菌种构建；中游的发酵条件优化；以及下游的分离提取。当中不仅运用到了分子生物学技术、AI深度学习、高通量筛选等方法，还用到了发酵工艺放大、流体力学、分离提取制备等技术。
（合成生物技术流程）
以合成生物生产流程的特点，合成生物被认为是绿色、环保、高效、可循环可再生的生产方式。相比化学合成工艺、天然提取工艺，有着明显的优势。因此，合成生物被认为是最有潜力替代化学合成、天然提取等成熟工艺的新型技术手段。合成生物也被政府、资本界和产业界赋予了厚望。
生物制造早在2021年之前就被列入《十四五规划纲要》，作为重点产业扶持，更是在2024年被确立为“新质生产力”的重要组成部分，被《人民日报》等主流媒体作为重点产业进行宣传和报导。自2021年以来，各地方政府争相制定了“生物制造专项政策”，包括深圳、天津、合肥、杭州、常州、重庆等十多个经济发达城市和地区。
之所以生物制造受到了政府的高度重视，主要原因是其无可比拟的战略意义。我们知道，曾经我国在传统汽车领域难以超越欧美日韩的技术垄断，因此选择了新能源汽车产业链进行扶持，最终实现了“弯道超车”。如今一辆辆新能源汽车远销海内外，而我国化工产业仍然在关键设备、关键催化剂和关键原料方面被发达国家“卡脖子”。生物制造作为原料生产的新方式，世界各国均处于同一起跑线上，这给我国由“化工卡脖子”转向“生物制造弯道超车”提供了重要的思路依据。与此同时，生物制造以其高效率、低能耗、低污染、不依赖石油资源等优势，有望解决我国“石油资源依赖”和“碳中和”等战略性需求。
在此基础上，各大型企业、投资和咨询机构等纷纷加紧布局和支持生物制造。麦肯锡预测未来生物制造将撬动3万亿美元的产值，并实现70%的物质生产。红杉资本、淡马锡等重仓布局生物制造产业。蒙牛集团、茅台集团、科伦药业、杜邦、DSM、BASF等大型产业方也积极布局生物制造项目或技术。据统计，2023年BASF的生物制造收入已经达到集团收入10%的占比，可谓是“闷声发大财”。2020年-2023年，生物制造创业项目获得了大量的投资，形成了我国生物制造第一批创业潮。
具体到食品饮料行业的生物制造赋能，其实是一个早已有之、渐进式强化的过程。早在1880年，美国新型饮料盛行，如饱受追捧的可口可乐等，辉瑞公司开始生产这些饮料的关键用料柠檬酸。不过那个时候柠檬酸只能从酸橙中提取，不但产量低，在一战爆发后，酸橙进口更是严重受限，辉瑞不得不寻找替代品。1917年，食品化学家詹姆斯·柯里（James Currie ）带着可以人工合成柠檬酸的发现加入了辉瑞。经过努力，辉瑞终于在2年后成功通过霉菌发酵生产出大量柠檬酸。到1929年，该公司已成为全球最大的柠檬酸生产厂家，几乎垄断了市面上所有的柠檬酸生产。从此以后，柠檬酸生产就此不再掣肘于酸橙等水果，产量实现飞跃式增长。数据显示，2023年中国柠檬酸产量为163万吨，约占全球产量的75%，其中大多数作为出口供应。柠檬酸几乎在所有饮料中都会添加，是名副其实的“大单品”，柠檬酸的生物制造生产案例，是生物制造赋能食品饮料工业的典型。
味精，也被称为单钠谷氨酸，是一种常见的食品调味品。味精虽然在现在物产丰富的时代是具有一定争议的，但在历史的长河中，仍然是具有里程碑意义的食品添加剂。1866 年德国的立好生博士利用硫酸水解小麦面筋，分离出一种酸性氨基酸，依据原料的取材，便将此氨基酸命名为谷氨酸。随后，日本有一教授在探讨海带汁液的鲜味时，提取了谷氨酸，并在1908 年开始制造商品味之素-味精。1910 年日本味之素公司用水解法生产谷氨酸，与食盐配合出售。但是这种方法生产谷氨酸耗粮太多，成本太高。1956年日本协和发酵公司分离出一种新的细菌，它可以利用100 克葡萄糖转化为40 克以上的谷氨酸。1957年发酵法味精正式商业性生产，这标志着氨基酸发酵工业的诞生。2023年中国氨基酸产量约为752万吨，同比增长10.2%，占全球比重超过70%，我国作为后起之秀，已经成为氨基酸工业产能输出国。
（味之素）
继柠檬酸工业、氨基酸工业诞生之后，越来越多不同的食品饮料原料和添加剂被以生物制造的方式生产出来，极大地降低了成本、提高了产量、实现了稳定供应的能力，变“不可能”为“可能”。进入21世纪后，维生素C、母乳寡糖、甜菊糖、赤藓糖醇、胡萝卜素等各种食品添加剂实现了生物制造生产。
对于食品饮料行业，生物制造有着巨大的商业化机遇。这体现在以下几个方面：
第一，生物制造可以把原本不能量产的物质，实现批量化生产。举例来说，如前所述的柠檬酸要从橙子中提取、谷氨酸要从稻米发酵液中提取，这些都受制于批量生产的方式和原料的来源，无法大规模工业化生产。而生物制造发酵法可以实现百吨发酵罐的批次生产。还有一类物质，是属于原料无法获得的，但又有很高的经济价值的产品，如母乳寡糖（HMOs），采用生物制造的方式可以获得工业化批量生产的能力。
第二，生物制造可以解决其他生产方法有害杂质的问题。举例来说，同样是标号80%的某种食品添加剂，就算占有绝大多数的核心成分完全一致，但化工法和生物法带来的剩余20%的杂质成分是完全不同的。化工法通常涉及高温高压金属催化剂，杂质成分难免存在一些多环芳烃、重金属等物质；生物法则几乎在60℃以内反应，无高压过程，更无金属催化剂，杂质成分基本为蛋白类、微生物的一些代谢物或者碎片，无毒无害。假设足量添加5%的某种原料物质，如果用标号为80%的原料，则可以带入高达1%的杂质。食品是一日三餐刚需品，虽然每一次的杂质摄入量较小，但是长年累月的积累，容易对人体造成健康损害。因此合成生物是良好的解决方案。
第三，生物制造提供了存量市场的机遇。前文提到，大多数的食品添加剂、食品原料都是以化学合成法和天然提取法进行生产的，而且这些厂商大多数的技术是把握在以DSM、杜邦等为主的国外巨头手中。合成生物给国产厂商一种打破外资厂商垄断的最佳路径。例如，我国生物制造企业嘉必优，实现了ARA等高附加值油脂的生物制造法生产，产品品质和成本均优于国外竞品，因此成功进入嘉吉、达能、蒙牛等核心客户。我们可以预测的是，在绿色防腐剂、香精香料等其他物质，也会有同样的趋势。
（奶粉智库）
第四，生物制造提供了增量市场的机遇。生物制造由于是一种完全区别于天然提取和化学合成的生产工艺，因此有一些特定的产品非常适合采用生物制造法进行生产。目前市场尚未培育成熟，但技术已经先行的“人造肉”市场，便是其中的代表。人造肉属于泛-农业-食品交叉领域，主要解决的问题是肉类生产链路过长、生产效率低下、综合成本高的问题。人造肉采用微生物或动植物细胞作为培养载体，以较低成本的培养基作为原料，实现“肉”的直接工业化生产。然而，目前尚未解决的问题是产业规模问题、市场验证问题、风味口感问题。但是相信随着科技的进步，这些问题都将被解决。
（人造肉技术路线）
5、生物制造引领下食品添加剂的存量替代机会
食品添加剂一直是一个容易引起争议的话题，但传统食品添加剂大部分以化学合成或天然提取为主要制造手段，生物制造法产生的类目较少。我们认为，随着生物制造底层技术的不断进步，随着不同的技术工具的成熟使用，越来越多的物质可以通过生物制造方式实现量产，从而极大程度地避免化工有害杂质的诞生，为人民生命健康和食品安全提供有力的支撑。除此之外，一些被外国巨头垄断的食品添加剂，也有较为广泛的国产替代机会，例如乳品发酵菌剂、精酿啤酒发酵菌剂等等。下面将介绍两个较新的生物制造赋能食品工业存量市场替代的案例。
L-丙氨酸是一种非极性的α-氨基酸，是构成蛋白质的基本单位之一。它的侧链（R基）是一个甲基（-CH3），这是最简单的氨基酸侧链。L-丙氨酸在蛋白质合成中占有重要地位，不仅因为它的结构简单，而且它在许多生物化学过程中都有作用，包括作为酶的底物、参与代谢途径以及作为神经递质的前体。此外，丙氨酸也是合成其他氨基酸如谷氨酸和天冬氨酸的前体。丙氨酸广泛应用在日化、医药及保健品、食品添加剂、饲料等众多领域，近年来市场需求保持着快速增长。据统计，近年来全球丙氨酸市场规模保持着较快增长趋势，2016年- 2023年复合增长率预计达到 12.83%。，2023年全球丙氨酸市场规模约为9.4亿元。
L-丙氨酸的生产工艺上经历了从天然提取法、化学合成法（传统化工制造）、酶法到发酵法的技术演变。行业发展初期，L-丙氨酸主要以石油基产物为原料，成本高昂致市场需求量偏低，主要应用于医药及保健品和食品添加剂等领域，随着生物酶法、发酵法技术的突破，生产工艺的转型升级使 L-丙氨酸成本大幅降低。华恒生物创立之初，其核心产品为以酶法工艺生产L-丙氨酸、DL-丙氨酸，拥有行业领先光学纯L-丙氨酸技术。2011年，实现了厌氧发酵法生产L-丙氨酸关键核心技术的突破，同时拥有了发酵法和酶法生产丙氨酸产品的关键技术，并持续进行菌种优化和工艺改良，使得L-丙氨酸产品成本降低约50%，奠定了公司在丙氨酸行业中的领先地位。
L-丙氨酸生物法生产是业内典型的生物制造替代化学制造的案例，也是生物制造赋能食品添加剂存量市场替代的案例。由于厌氧发酵的能耗低、转化率高，因此，可以将动力成本、蒸汽成本降到极低，在百吨罐的规模效应下，可以实现L-丙氨酸的极低成本生产，替代了存量的丙氨酸生产工艺，让原本较为昂贵的丙氨酸实现了真正的降本增效，获得了更多的应用领域。
类似的案例还有维生素C棕榈酸酯（AP）。该产品是维生素C的一种脂溶性衍生物。维生素C是一种良好的抗氧化剂，在大部分水溶性场景使用效果良好。但在一些油脂类产品或粉末类产品中，很难发挥抗氧化效果。AP是维生素C与棕榈酸经过酯化或酯交换反应而生成的脂溶性抗氧化剂，可以广泛用于膨化食品、饼干、食用油、卤味、方便食品、奶粉等领域。过去，AP的生产主要依靠化学酯化反应，需要浓硫酸作为催化剂，产生大量的废水，并且对设备有严重的腐蚀，生产成本高、生产规模小（出于安全考虑）。日前，生物催化技术获得突破，可以将AP的生产工艺实现生物酶法催化，大大降低了反应温度、减少了反应污水排放，同时排除了浓硫酸等腐蚀和泄露的风险。与化学法相比，综合成本得到了降低，产品的副产物也得到了控制。
6、生物制造在创新食品原料的增量机会
生物制造由于是一种完全区别于天然提取和化学合成的生产工艺，因此有一些特定的产品非常适合采用生物制造法进行生产。过去10年，以生物酶为代表的蛋白质类产品实现了发酵法高表达，快速占领了市场，在面包烘焙、肉类加工、果蔬喷涂、饮料制造、酒类制曲等各个方面获得了广泛的应用。进入到2020年后，一些全新的物质也实现了生物制造法的初步量产，正在等待市场验证。
阿洛酮糖是一种稀有糖，其味道和功能与糖相似，几乎不含卡路里，且该成分已获得FDA 批准用于食品和饮料产品，是糖的优秀替代品。阿洛酮糖化学式为 C6H12O6，摩尔质量为 180.156g/mol，熔点为109℃，常温下白色粉末状晶体，溶于水、甲醇、乙醇等，属于稀少糖的一种，这是一类天然存在于自然界、含量极少，来源于少部分植物和少数细菌的糖。
（阿洛酮糖结构式）
阿洛酮糖作为天然甜味剂，与市面上其他主流甜味剂相比具有多种优势：其口感柔和细致，由于甜度曲线与蔗糖更为接近，口感能够更加还原蔗糖的纯正甜味。其他代糖如甜蜜素的余味欠佳；安赛蜜存在一定金属味；甜菊糖虽然同样具有热量低甜度适中的特点，但由于其具有甘草味则不适宜直接应用于食品领域。此外，阿洛酮糖甜度约为蔗糖的70%，但热量远低于蔗糖，仅为0.4kcal/g（蔗糖热量的10%），可作为糖尿病患者的健康代糖。由于糖精、甜蜜素、阿斯巴甜3种人工代糖的健康隐患逐渐被关注，部分欧美开始禁止或限制其作为食品添加剂使用。随着消费者健康意识的增强，天然代糖、新型代糖将逐步替代传统代糖。目前很多主流代糖在高温环境下难以保持性状稳定，由于阿洛酮糖不仅能保持稳定，同时还能产生与普通糖类一样的美拉德反应，制作出有完美焦糖风味、湿润度和颜色的低糖烘焙产品，并且基于其保水性还能延长烘焙产品保质期、保持湿度和稳定的硬度，阿洛酮糖在烘焙行业中有其他代糖难以匹敌的优势。
（智研咨询：阿洛酮糖性能对比）
根据FMI研究数据，2023年全球阿洛酮糖市场规模为2.37亿美元，年复合增长率达7.7%，预计2030年市场规模为4.23亿美元。目前，全球范围内，只有少数的企业生产该产品，其中主要包括Matustani Chemical，Tate&lyle，CJ CheilJedang，Samyang，Ingredion，百龙创园，保龄宝等。其中Matustani Chemica是全球首家实现商业化生产的企业。自从2014年得到FDA批准之后，便迅速在美国和日本市场得到认可。之后韩国CJ和Tate&lyle等企业迅速推出自己的产品。
阿洛酮糖属于典型的新食品原料。该原料目前已有的产能采用的是生物酶催化法。在过去，阿洛酮糖通过化学方法进行合成，成本过高，导致只能作为科学研究试剂使用。但随着生物酶法的产业化，阿洛酮糖的成本被显著降低，逐渐在一些高附加值食品饮料领域获得了使用。阿洛酮糖的目前的主要生产方法为生物转化法，这一工艺技术的首次提出，源自于日本香川大学的KenIzumori教授。在现今行业中企业实现D-果糖向D-阿洛酮糖的转变，其关键因素主要在于D-阿洛酮糖3-差向异构酶的使用。
然而，异构化反应由于是可逆反应，热力学平衡只能达到33%左右的转化率上限，成本仍然不够低，无法满足下游客户的需求。未来，随着发酵法等成本更低的生物制造工艺开发成功，阿洛酮糖势必成为甜菊糖、赤藓糖醇之后的下一个席卷全球的热门天然甜味剂。
遗憾的是，截至此文章发表之前，中国市场还没有批准阿洛酮糖应用于食品工业。2021年10 月，我国卫健委已经受理了D-阿洛酮糖作为新食品原料的申请，鉴于国外对阿洛酮糖安全性的长期研究以及更多国家地区对其应用的批准，我国的阿洛酮糖食品级应用也有望通过审批。以阿洛酮糖为代表的“三新食品”在未来的食品饮料工业增量市场中扮演着重要的角色，而生物制造正是赋能行业新商业机会的重要因素。
