原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第23 期 《 食品生物制造：從基礎(chǔ)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(dāng)下，食品生物制造正以合成生物學(xué)技術(shù)為引擎，通過(guò)基因精準(zhǔn)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?dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)中國(guó)工程院院士黃和團(tuán)隊(duì)撰文，文章綜述了基礎(chǔ)原料及配輔料的生物制造進(jìn)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(fù)擔(dān)方面的潛力；提出了當(dāng)前食品生物制造面臨的技術(shù)瓶頸；最終給予了具體發(fā)展建議。

食品產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定、民生保障及國(guó)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(shí)現(xiàn)綠色高效生產(chǎn)，具有低碳循環(huán)、反應(yīng)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(shù)在食品產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用分支，合成生物學(xué)是實(shí)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(shù)可以對(duì)食品基礎(chǔ)原料（如蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)）進(jìn)行優(yōu)化替代，對(duì)食品配輔料進(jìn)行創(chuàng)新（如代糖赤蘚糖醇、酸味劑 L?蘋果酸）。

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

圖1 食品生物制造流程

01

食品基礎(chǔ)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(dòng)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(xì)胞蛋白、植物蛋白在內(nèi)的多種新型替代蛋白，作為動(dòng)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(lái)源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（1）高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。微生物蛋白含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

（2）高生產(chǎn)效率。微生物蛋白倍增時(shí)間短，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)畜牧和農(nóng)作物（分別為1~2年和幾個(gè)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(wú)需使用化肥、殺蟲劑等有害物質(zhì)，在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

（4）生產(chǎn)方式魯棒性強(qiáng)。微生物蛋白的生產(chǎn)可控性強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)特定功能蛋白的精準(zhǔn)制造。

微生物細(xì)胞中含有較高含量的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，通過(guò)大規(guī)模培養(yǎng)可獲得大量微生物細(xì)胞，經(jīng)過(guò)適當(dāng)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(lái)源應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。其中，以鐮孢霉（Fusarium venenatum）為來(lái)源的真菌蛋白（mycoprotein）和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）為來(lái)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(lái)源，其營(yíng)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(dòng)、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育及增強(qiáng)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(wèn)題，亟待產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。近年來(lái)，包含基因編輯、合成生物學(xué)在內(nèi)的多種前沿生物技術(shù)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(guó)Perfect Day公司在2014年提出的無(wú)動(dòng)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(shí)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(guò)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(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示海藻中的淀粉可以通過(guò)調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律過(guò)度積累，最高實(shí)現(xiàn)55%細(xì)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(huì)導(dǎo)致核分裂和細(xì)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(guò)調(diào)控微藻生長(zhǎng)過(guò)程中的營(yíng)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(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物所利用化學(xué)?生物耦合催化法，以CO2和H為原料，通過(guò)計(jì)算途徑設(shè)計(jì)、模塊化組裝，對(duì)3種瓶頸相關(guān)酶的蛋白質(zhì)工程進(jìn)行優(yōu)化。這種方法為未來(lái)利用化學(xué)?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(jì)可行，同時(shí)研究表明，人造直鏈淀粉的消化會(huì)導(dǎo)致血糖水平發(fā)生緩慢且相對(duì)較小的變化，它可能是一種預(yù)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(guò)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(xì)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(xì)胞工廠。在生物合成淀粉的可食用性能方面的評(píng)估和合成生物學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)推動(dòng)生物合成淀粉的進(jìn)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(jī)分子，主要包括脂肪、磷脂和固醇等，它們?cè)谏矬w內(nèi)作為高效儲(chǔ)能物質(zhì)，構(gòu)成細(xì)胞膜的核心骨架，充當(dāng)激素前體及信號(hào)分子，并為內(nèi)臟提供保護(hù)。目前，可以通過(guò)生物技術(shù)，將微生物或細(xì)胞改造成高效的“細(xì)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(jià)值的功能性脂質(zhì)和特種脂質(zhì)方面優(yōu)勢(shì)明顯（圖3）。此外，也可利用基因工程技術(shù)改造油料作物（如油菜、大豆、向日葵），精準(zhǔn)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(xué)、代謝工程和發(fā)酵工程技術(shù)的飛速發(fā)展，它正在快速發(fā)展，并在嬰兒營(yíng)養(yǎng)、保健品、化妝品等領(lǐng)域取得了顯著成功，未來(lái)有望在更廣泛的領(lǐng)域替代傳統(tǒng)油脂來(lái)源。

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

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(duì)人體健康至關(guān)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(guān)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)模化生產(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(lái)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(duì)低成本碳源的利用潛力，成為生產(chǎn)EPA的理想底盤細(xì)胞。研究人員通過(guò)從藻類、苔蘚、細(xì)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(shí)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(yīng)用于醫(yī)藥、保健品和化妝品領(lǐng)域。微生物合成角鯊烯為可持續(xù)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了一條有前景的途徑。目前，對(duì)釀酒酵母和解脂耶式酵母進(jìn)行基因工程改造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高水平的角鯊烯生產(chǎn)。此外，對(duì)解脂耶氏酵母進(jìn)行基因工程改造，在不影響酵母細(xì)胞生長(zhǎng)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(shù)正在引領(lǐng)食品工業(yè)的革命性變革，通過(guò)微生物發(fā)酵、酶催化及合成生物學(xué)等前沿技術(shù)手段，實(shí)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(lǐng)域，相較于存在安全隱患的化學(xué)合成色素以及受原料供應(yīng)和季節(jié)因素制約的植物提取色素，微生物發(fā)酵技術(shù)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(fèi)者對(duì)“清潔標(biāo)簽”的需求。

甜味劑的生物制造同樣取得了突破性進(jìn)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(diǎn)，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(wú)毒而被廣泛應(yīng)用。此外，研究人員通過(guò)采用酶改造、酶修飾及酶催化等先進(jìn)的酶工程技術(shù)，對(duì)甜菊糖苷合成過(guò)程中所需酶的生物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改良，改善了甜菊糖苷的生產(chǎn)過(guò)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?duì)代糖產(chǎn)品的認(rèn)知（表1）。

表1 不同甜味劑的特性

在酸味劑生產(chǎn)領(lǐng)域，生物制造技術(shù)憑借其高效、環(huán)保和產(chǎn)品多樣化的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)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(guò)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(shí)，微生物發(fā)酵生產(chǎn)的乳酸正在推動(dòng)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(shì)，它以可再生資源（如玉米、甘蔗）為原料，減少對(duì)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(xué)合成，生物合成的乳酸更安全，適用于食品和醫(yī)藥領(lǐng)域。

03

機(jī)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(yīng)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(lái)制造業(yè)關(guān)鍵力量，兼具資源節(jié)約、低碳環(huán)保與高效生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)與技術(shù)特質(zhì)，對(duì)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(shù)與食品工業(yè)的創(chuàng)新領(lǐng)域，在全球呈現(xiàn)出以下特征。

（1）技術(shù)加速：食品生物制造已上升為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地。

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

（3）市場(chǎng)擴(kuò)張：全球主要經(jīng)濟(jì)體對(duì)未來(lái)食品發(fā)展和搶占食品生物合成領(lǐng)域新的競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)做出了布局。

在全球糧食安全與資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，食品生物制造技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力，但其規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨顯著技術(shù)瓶頸，尤其在蛋白質(zhì)合成領(lǐng)域。微生物蛋白、細(xì)胞培養(yǎng)肉等新型替代蛋白的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在菌種選育與設(shè)計(jì)、高效發(fā)酵工藝優(yōu)化以及食品加工等關(guān)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(fēng)味與感官是影響其市場(chǎng)接受度的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)前研究和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)攻關(guān)方向。

• 在質(zhì)地上，天然動(dòng)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(dòng)物蛋白有一定差距。

• 在風(fēng)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(fèi)者接受度的重要因素。

在生產(chǎn)過(guò)程中，高效、穩(wěn)定且適合大規(guī)模應(yīng)用的蛋白表達(dá)系統(tǒng)尚未成熟，導(dǎo)致成本高、產(chǎn)能受限。此外，缺乏統(tǒng)一、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩栽u(píng)估框架和營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，尤其缺少對(duì)嬰幼兒、老人及病人等特殊群體的適用性研究，這嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)品的市場(chǎng)準(zhǔn)入和消費(fèi)者接受度。未來(lái)突破的關(guān)鍵在于3個(gè)核心方向：

• 一是利用AI設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)序列，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)定制；

• 二是開發(fā)高效固碳底盤細(xì)胞，強(qiáng)化其碳氮固定與代謝平衡能力，支撐規(guī)?；a(chǎn)；

• 三是建立覆蓋營(yíng)養(yǎng)、安全及人群適用性的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)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(xì)胞工廠穩(wěn)定性差的問(wèn)題，高附加值油脂合成路徑復(fù)雜，且油脂精制成本高，缺乏系統(tǒng)性功能評(píng)價(jià)方法。油脂領(lǐng)域需構(gòu)建多尺度調(diào)控體系，整合酶分子改造、發(fā)酵過(guò)程智能控制及綠色提取工藝3大關(guān)鍵技術(shù)，并同步建立功能評(píng)價(jià)平臺(tái)，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(yīng)裝置，深化甜蛋白受體互作機(jī)制研究以改良風(fēng)味，加速其在食品加工場(chǎng)景的應(yīng)用。此外，針對(duì)新型功能輔配料，需要完善安全評(píng)估及加工工藝標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)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(xué)的驅(qū)動(dòng)下，正經(jīng)歷從基礎(chǔ)原料到配輔料的全方位革新，其戰(zhàn)略價(jià)值已突破單一技術(shù)迭代范疇，形成了資源循環(huán)重構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)靶向設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)升級(jí)的三維創(chuàng)新范式。

近年來(lái)，中國(guó)通過(guò)政策矩陣的頂層設(shè)計(jì)，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(dòng)食品制造模式從“農(nóng)耕依賴”向“細(xì)胞工廠”轉(zhuǎn)型。

盡管面臨技術(shù)成熟度差異、產(chǎn)業(yè)化成本瓶頸及消費(fèi)者認(rèn)知壁壘等挑戰(zhàn)，但未來(lái)，隨著AI菌株設(shè)計(jì)、非糧生物質(zhì)利用等技術(shù)的深化，跨學(xué)科合作與全球化布局的推進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)的核心抓手。

食品生物制造將實(shí)現(xiàn)從“規(guī)模擴(kuò)張”到“價(jià)值創(chuàng)新”的跨越，全球食品供應(yīng)鏈將會(huì)被重構(gòu)，這種變革為中國(guó)在全球生物經(jīng)濟(jì)中掌握主動(dòng)權(quán)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為中國(guó)搶占生物經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)提供了戰(zhàn)略支點(diǎn)，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(mèng)璐、王明海、陳瑞、張立慧、黃和

作者簡(jiǎn)介：劉云翔，南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士研究生，研究方向?yàn)槲⑸锏鞍组_發(fā)及應(yīng)用；張立慧（通信作者），南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，研究方向?yàn)槲⑸锏鞍组_發(fā)及應(yīng)用等；黃和（共同通信作者），南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)楹铣缮飳W(xué)。

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

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