原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第23 期 《 食品生物制造：從基礎原料到配輔料的生產(chǎn)范式革新 》

在科技革命與產(chǎn)業(yè)變革深度融合的當下，食品生物制造正以合成生物學技術為引擎，通過基因精準編輯、人工智能（AI）輔助酶工程、智能發(fā)酵等前沿手段，重構(gòu)食品工業(yè)的生產(chǎn)范式?！犊萍紝蟆费?strong>中國工程院院士黃和團隊撰文，文章綜述了基礎原料及配輔料的生物制造進展；展示了微生物蛋白、人造淀粉、功能脂質(zhì)等在提升生產(chǎn)效率、降低環(huán)境負擔方面的潛力；提出了當前食品生物制造面臨的技術瓶頸；最終給予了具體發(fā)展建議。

食品產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，關乎社會穩(wěn)定、民生保障及國家戰(zhàn)略安全。生物制造是以可再生生物質(zhì)為原料，替代傳統(tǒng)生產(chǎn)路線，實現(xiàn)綠色高效生產(chǎn)，具有低碳循環(huán)、反應條件溫和、產(chǎn)物效率高等特征。食品生物制造是生物制造技術在食品產(chǎn)業(yè)鏈中的應用分支，合成生物學是實現(xiàn)食品生物制造的重要手段，利用基因工程、酶工程、發(fā)酵工程等現(xiàn)代生物技術可以對食品基礎原料（如蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)）進行優(yōu)化替代，對食品配輔料進行創(chuàng)新（如代糖赤蘚糖醇、酸味劑 L?蘋果酸）。

我們的研究對合成生物學在蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等食品基礎原料及食品配輔料的生物制造應用案例進行總結(jié)，并進一步分析食品生物制造面臨的機遇與挑戰(zhàn)（圖1）。

圖1 食品生物制造流程

01

食品基礎原料的生物制造

1.1 蛋白質(zhì)生物合成

蛋白質(zhì)是生命體的必需物質(zhì)，在維持生命體生命活動中扮演重要角色。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)出包括微生物蛋白、細胞蛋白、植物蛋白在內(nèi)的多種新型替代蛋白，作為動物蛋白的潛在替代品。

微生物蛋白作為一種新興的替代蛋白來源，具有獨特的優(yōu)勢。

（1）高營養(yǎng)價值。微生物蛋白含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)價值。

（2）高生產(chǎn)效率。微生物蛋白倍增時間短，效率遠高于傳統(tǒng)畜牧和農(nóng)作物（分別為1~2年和幾個月）。

（3）環(huán)境友好。微生物蛋白生產(chǎn)消耗的水土資源更少，產(chǎn)生的溫室氣體也更少，且無需使用化肥、殺蟲劑等有害物質(zhì)，在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢。

（4）生產(chǎn)方式魯棒性強。微生物蛋白的生產(chǎn)可控性強，不受季節(jié)及氣候變化的影響，因其基因改造的易操作性，更適用于實現(xiàn)特定功能蛋白的精準制造。

微生物細胞中含有較高含量的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，通過大規(guī)模培養(yǎng)可獲得大量微生物細胞，經(jīng)過適當加工處理后，能夠獲得微生物菌體蛋白，此類蛋白可作為優(yōu)質(zhì)蛋白來源應用于相關領域。其中，以鐮孢霉（Fusarium venenatum）為來源的真菌蛋白（mycoprotein）和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）為來源的酵母蛋白（yeast protein）是2類具有代表性的微生物菌體蛋白。

天然牛奶作為最理想的優(yōu)質(zhì)蛋白來源，其營養(yǎng)成分包含乳蛋白、生物活性肽、脂肪等，具有維持生命活動、促進生長發(fā)育及增強免疫力等多種功能。但目前天然牛奶面臨養(yǎng)殖成本高、公共衛(wèi)生安全及生產(chǎn)的可持續(xù)性等問題，亟待產(chǎn)業(yè)升級換代。近年來，包含基因編輯、合成生物學在內(nèi)的多種前沿生物技術快速發(fā)展，為全球奶制品生產(chǎn)提供變革性的生產(chǎn)方式，如美國Perfect Day公司在2014年提出的無動物源牛奶（animal?free milk）概念，利用改造后的酵母發(fā)酵生產(chǎn)乳蛋白，實現(xiàn)乳制品的綠色制造（圖2）。

圖2 天然牛奶與理想牛奶的生產(chǎn)過程

1.2 糖類生物合成

糖類是人類攝入的主要碳源物質(zhì)，其中淀粉類物質(zhì)是主要的食品成分和工業(yè)原料。淀粉合成途徑已在陸地植物和模式藻類中得到充分研究。研究人員通過轉(zhuǎn)錄組學揭示海藻中的淀粉可以通過調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律過度積累，最高實現(xiàn)55%細胞干重的積累。此外，溫度也是影響微藻淀粉積累的主要非生物因素之一，暴露于高溫下會導致核分裂和細胞分裂完全阻塞，淀粉積累增加3倍。除此之外，研究人員還通過調(diào)控微藻生長過程中的營養(yǎng)元素種類及含量，獲得較高的淀粉含量。

在酶催化生產(chǎn)方面，中國科學院天津工業(yè)生物所利用化學?生物耦合催化法，以CO2和H為原料，通過計算途徑設計、模塊化組裝，對3種瓶頸相關酶的蛋白質(zhì)工程進行優(yōu)化。這種方法為未來利用化學?生物偶聯(lián)法，從CO2合成淀粉開辟了道路。利用豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物高效生物合成人造淀粉更加經(jīng)濟可行，同時研究表明，人造直鏈淀粉的消化會導致血糖水平發(fā)生緩慢且相對較小的變化，它可能是一種預防肥胖和糖尿病的新型健康食品成分。

低碳微生物制造為淀粉生產(chǎn)提供了一種碳中和的策略。科研人員通過改造解脂耶氏酵母的淀粉生物合成與糖異生途徑，并調(diào)控其細胞形態(tài)，成功將其構(gòu)建為能夠高效積累淀粉微晶粒的細胞工廠。在生物合成淀粉的可食用性能方面的評估和合成生物學的進一步發(fā)展會推動生物合成淀粉的進一步發(fā)展。

1.3 脂質(zhì)生物合成

脂質(zhì)是一類疏水或兩親性的有機分子，主要包括脂肪、磷脂和固醇等，它們在生物體內(nèi)作為高效儲能物質(zhì)，構(gòu)成細胞膜的核心骨架，充當激素前體及信號分子，并為內(nèi)臟提供保護。目前，可以通過生物技術，將微生物或細胞改造成高效的“細胞工廠”，利用可再生的非糧原料生產(chǎn)油脂。它具有可持續(xù)、高效、可定制化、產(chǎn)品安全優(yōu)質(zhì)的巨大潛力，特別是在生產(chǎn)高價值的功能性脂質(zhì)和特種脂質(zhì)方面優(yōu)勢明顯（圖3）。此外，也可利用基因工程技術改造油料作物（如油菜、大豆、向日葵），精準改變其種子中脂質(zhì)的合成途徑，生產(chǎn)具有定制化成分的脂質(zhì)。雖然目前面臨成本等挑戰(zhàn)，但隨著合成生物學、代謝工程和發(fā)酵工程技術的飛速發(fā)展，它正在快速發(fā)展，并在嬰兒營養(yǎng)、保健品、化妝品等領域取得了顯著成功，未來有望在更廣泛的領域替代傳統(tǒng)油脂來源。

針對功能性脂質(zhì)短缺及生物合成技術瓶頸，解析其生物合成代謝通路與關鍵調(diào)控靶點分子機制，構(gòu)建生物合成系統(tǒng)，并建立細胞合成、酶法構(gòu)建、特異修飾及高效提取技術體系是發(fā)展重點。

圖3 傳統(tǒng)和工程微生物脂類生產(chǎn)的比較

Omega?3脂肪酸是一類對人體健康至關重要的多不飽和脂肪酸，在大腦發(fā)育、視力健康、心血管功能和抗炎等方面發(fā)揮著關鍵作用。目前，可利用藻類或酵母等微生物，在發(fā)酵罐中規(guī)?；a(chǎn)高純度、可持續(xù)的二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）等Omega?3脂肪酸，有效替代傳統(tǒng)魚油來源。產(chǎn)油酵母解脂耶氏酵母因其天然的脂質(zhì)積累能力、遺傳可操作性及對低成本碳源的利用潛力，成為生產(chǎn)EPA的理想底盤細胞。研究人員通過從藻類、苔蘚、細菌和真菌等生物中篩選并克隆高效酶組合，成功在油菜和亞麻薺等作物中實現(xiàn)了EPA和DHA的生物合成。

角鯊烯是一種重要的線性多不飽和三萜，廣泛應用于醫(yī)藥、保健品和化妝品領域。微生物合成角鯊烯為可持續(xù)生產(chǎn)和環(huán)境保護提供了一條有前景的途徑。目前，對釀酒酵母和解脂耶式酵母進行基因工程改造已經(jīng)實現(xiàn)了高水平的角鯊烯生產(chǎn)。此外，對解脂耶氏酵母進行基因工程改造，在不影響酵母細胞生長的情況下，將其同源重組靶向基因的效率提高了68%。

02

食品配輔料的生物合成

生物制造技術正在引領食品工業(yè)的革命性變革，通過微生物發(fā)酵、酶催化及合成生物學等前沿技術手段，實現(xiàn)了食品添加劑和功能成分的高效、綠色生產(chǎn)。

在食用色素領域，相較于存在安全隱患的化學合成色素以及受原料供應和季節(jié)因素制約的植物提取色素，微生物發(fā)酵技術有效規(guī)避了上述局限。這些生物制造的色素不僅色澤鮮艷、穩(wěn)定性好，更重要的是完全符合現(xiàn)代消費者對“清潔標簽”的需求。

甜味劑的生物制造同樣取得了突破性進展。赤蘚糖醇作為四碳線性多元醇類甜味劑，具有甜度適中且?guī)缀醪缓瑹崃康奶攸c，赤蘚糖醇的生產(chǎn)可以利用工業(yè)副產(chǎn)物作為碳氮源，既能降低成本又兼具環(huán)保效益。另一重要產(chǎn)品甜菊糖苷，因其甜度高、熱量低、安全無毒而被廣泛應用。此外，研究人員通過采用酶改造、酶修飾及酶催化等先進的酶工程技術，對甜菊糖苷合成過程中所需酶的生物學性質(zhì)進行改良，改善了甜菊糖苷的生產(chǎn)過程，使其質(zhì)量和產(chǎn)量得到了顯著提升。這些生物制造甜味劑產(chǎn)品的創(chuàng)新與發(fā)展，正在深刻改變?nèi)藗儗Υ钱a(chǎn)品的認知（表1）。

表1 不同甜味劑的特性

在酸味劑生產(chǎn)領域，生物制造技術憑借其高效、環(huán)保和產(chǎn)品多樣化的優(yōu)勢占據(jù)了市場主導地位。黑曲霉（Aspergillus niger）作為目前工業(yè)化生產(chǎn)檸檬酸的核心菌株，通過深層液體發(fā)酵工藝生產(chǎn)的檸檬酸占全球總量的 80%。與此同時，微生物發(fā)酵生產(chǎn)的乳酸正在推動生物基材料的革命性發(fā)展。生物合成乳酸具有諸多優(yōu)勢，它以可再生資源（如玉米、甘蔗）為原料，減少對化石燃料的依賴，且微生物發(fā)酵可選擇性產(chǎn)生L?乳酸或D?乳酸，滿足不同需求，相比化學合成，生物合成的乳酸更安全，適用于食品和醫(yī)藥領域。

03

機遇與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)食品原料與配輔料的生產(chǎn)方式，在環(huán)境友好、資源節(jié)約、健康效應及供給保障方面難以滿足需求，可持續(xù)性不足，亟需變革性突破以拓寬獲取途徑。生物制造作為未來制造業(yè)關鍵力量，兼具資源節(jié)約、低碳環(huán)保與高效生產(chǎn)優(yōu)勢，可突破傳統(tǒng)生產(chǎn)瓶頸，具備解決食品制造難題的工業(yè)基礎與技術特質(zhì)，對加快新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展、筑牢糧食安全根基、踐行“大食物觀”具有重大意義。食品生物制造作為融合生物技術與食品工業(yè)的創(chuàng)新領域，在全球呈現(xiàn)出以下特征。

（1）技術加速：食品生物制造已上升為全球科技競爭的戰(zhàn)略高地。

（2）政策分化：為促進替代食品的安全創(chuàng)新，需建立新的監(jiān)管程序。

（3）市場擴張：全球主要經(jīng)濟體對未來食品發(fā)展和搶占食品生物合成領域新的競爭制高點做出了布局。

在全球糧食安全與資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)下，食品生物制造技術展現(xiàn)出巨大潛力，但其規(guī)?；瘧萌悦媾R顯著技術瓶頸，尤其在蛋白質(zhì)合成領域。微生物蛋白、細胞培養(yǎng)肉等新型替代蛋白的產(chǎn)業(yè)化進程，在菌種選育與設計、高效發(fā)酵工藝優(yōu)化以及食品加工等關鍵環(huán)節(jié)仍存在諸多亟待突破的難題。

微生物蛋白的質(zhì)地、風味與感官是影響其市場接受度的關鍵因素，也是當前研究和產(chǎn)業(yè)化的重點攻關方向。

• 在質(zhì)地上，天然動物蛋白具有層次分明的纖維狀結(jié)構(gòu)，微生物蛋白在質(zhì)構(gòu)上與天然動物蛋白有一定差距。

• 在風味上，微生物蛋白的挑戰(zhàn)聚焦在如何消除其固有的“異味”，這些通常是由微生物代謝產(chǎn)生的。

• 在感官上，顏色是影響消費者接受度的重要因素。

在生產(chǎn)過程中，高效、穩(wěn)定且適合大規(guī)模應用的蛋白表達系統(tǒng)尚未成熟，導致成本高、產(chǎn)能受限。此外，缺乏統(tǒng)一、嚴謹?shù)陌踩栽u估框架和營養(yǎng)標準，尤其缺少對嬰幼兒、老人及病人等特殊群體的適用性研究，這嚴重阻礙了產(chǎn)品的市場準入和消費者接受度。未來突破的關鍵在于3個核心方向：

• 一是利用AI設計蛋白質(zhì)序列，實現(xiàn)精準營養(yǎng)定制；

• 二是開發(fā)高效固碳底盤細胞，強化其碳氮固定與代謝平衡能力，支撐規(guī)模化生產(chǎn)；

• 三是建立覆蓋營養(yǎng)、安全及人群適用性的標準化評價體系，為監(jiān)管落地提供可靠依據(jù)。

脂質(zhì)、糖類及輔配料的生物制造同樣挑戰(zhàn)重重。在脂質(zhì)合成方面，微生物產(chǎn)油面臨酶催化效率低、細胞工廠穩(wěn)定性差的問題，高附加值油脂合成路徑復雜，且油脂精制成本高，缺乏系統(tǒng)性功能評價方法。油脂領域需構(gòu)建多尺度調(diào)控體系，整合酶分子改造、發(fā)酵過程智能控制及綠色提取工藝3大關鍵技術，并同步建立功能評價平臺，形成研發(fā)閉環(huán)。糖類與輔料方向要突破淀粉合成路徑的放大限制，開發(fā)連續(xù)化反應裝置，深化甜蛋白受體互作機制研究以改良風味，加速其在食品加工場景的應用。此外，針對新型功能輔配料，需要完善安全評估及加工工藝標準，以應對監(jiān)管政策的滯后性。

04

結(jié)論

食品生物制造在合成生物學的驅(qū)動下，正經(jīng)歷從基礎原料到配輔料的全方位革新，其戰(zhàn)略價值已突破單一技術迭代范疇，形成了資源循環(huán)重構(gòu)、營養(yǎng)靶向設計、產(chǎn)業(yè)生態(tài)升級的三維創(chuàng)新范式。

近年來，中國通過政策矩陣的頂層設計，加速構(gòu)建微生物發(fā)酵、酶工程與智能算法的協(xié)同創(chuàng)新體系，推動食品制造模式從“農(nóng)耕依賴”向“細胞工廠”轉(zhuǎn)型。

盡管面臨技術成熟度差異、產(chǎn)業(yè)化成本瓶頸及消費者認知壁壘等挑戰(zhàn)，但未來，隨著AI菌株設計、非糧生物質(zhì)利用等技術的深化，跨學科合作與全球化布局的推進以及“一帶一路”生物制造聯(lián)盟的全球化布局，食品生物制造有望成為全球產(chǎn)業(yè)競爭的核心抓手。

食品生物制造將實現(xiàn)從“規(guī)模擴張”到“價值創(chuàng)新”的跨越，全球食品供應鏈將會被重構(gòu)，這種變革為中國在全球生物經(jīng)濟中掌握主動權奠定堅實基礎，為中國搶占生物經(jīng)濟制高點提供了戰(zhàn)略支點，最終構(gòu)建起綠色、高效、可持續(xù)的新食品產(chǎn)業(yè)體系。

本文作者：劉云翔、孫夢璐、王明海、陳瑞、張立慧、黃和

作者簡介：劉云翔，南京師范大學食品與制藥工程學院，微生物改造技術全國重點實驗室，博士研究生，研究方向為微生物蛋白開發(fā)及應用；張立慧（通信作者），南京師范大學食品與制藥工程學院，微生物改造技術全國重點實驗室，副教授，研究方向為微生物蛋白開發(fā)及應用等；黃和（共同通信作者），南京師范大學食品與制藥工程學院，微生物改造技術全國重點實驗室，教授，中國工程院院士，研究方向為合成生物學。

文章來 源 ： 劉云翔, 孫夢璐, 王明海, 等. 食品生物制造：從基礎原料到配輔料的生產(chǎn)范式革新[J]. 科技導報, 2025, 43(23): 52?60 .

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