食品生物制造：從基礎原料到配輔料的生產范式革新

原文發表于《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范式革新 》

在科技革命與產業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、智能發酵等前沿手段，重構食品工業的生產范式。《科技導報》邀請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、功能脂質等在提升生產效率、降低環境負擔方面的潛力；提出了當前食品生物制造面臨的技術瓶頸；最終給予了具體發展建議。

食品產業是國民經濟支柱產業，關乎社會穩定、民生保障及國家戰略安全。生物制造是以可再生生物質為原料，替代傳統生產路線，實現綠色高效生產，具有低碳循環、反應條件溫和、產物效率高等特征。食品生物制造是生物制造技術在食品產業鏈中的應用分支，合成生物學是實現食品生物制造的重要手段，利用基因工程、酶工程、發酵工程等現代生物技術可以對食品基礎原料（如蛋白質、糖類、脂質）進行優化替代，對食品配輔料進行創新（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、糖類、脂質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，并進一步分析食品生物制造面臨的機遇與挑戰（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 蛋白質生物合成

蛋白質是生命體的必需物質，在維持生命體生命活動中扮演重要角色。目前，研究人員已經開發出包括微生物蛋白、細胞蛋白、植物蛋白在內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，具有獨特的優勢。

（1）高營養價值。微生物蛋白含有豐富的營養物質，具有較高的營養價值。

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

（3）環境友好。微生物蛋白生產消耗的水土資源更少，產生的溫室氣體也更少，且無需使用化肥、殺蟲劑等有害物質，在環境保護和可持續發展方面具有顯著優勢。

（4）生產方式魯棒性強。微生物蛋白的生產可控性強，不受季節及氣候變化的影響，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質蛋白質，通過大規模培養可獲得大量微生物細胞，經過適當加工處理后，能夠獲得微生物菌體蛋白，此類蛋白可作為優質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質蛋白來源，其營養成分包含乳蛋白、生物活性肽、脂肪等，具有維持生命活動、促進生長發育及增強免疫力等多種功能。但目前天然牛奶面臨養殖成本高、公共衛生安全及生產的可持續性等問題，亟待產業升級換代。近年來，包含基因編輯、合成生物學在內的多種前沿生物技術快速發展，為全球奶制品生產提供變革性的生產方式，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酵生產乳蛋白，實現乳制品的綠色制造（圖2）。

圖2 天然牛奶與理想牛奶的生產過程

1.2 糖類生物合成

糖類是人類攝入的主要碳源物質，其中淀粉類物質是主要的食品成分和工業原料。淀粉合成途徑已在陸地植物和模式藻類中得到充分研究。研究人員通過轉錄組學揭示海藻中的淀粉可以通過調節晝夜節律過度積累，最高實現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，研究人員還通過調控微藻生長過程中的營養元素種類及含量，獲得較高的淀粉含量。

在酶催化生產方面，中國科學院天津工業生物所利用化學?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工程進行優化。這種方法為未來利用化學?生物偶聯法，從CO2合成淀粉開辟了道路。利用豐富的農業廢棄物高效生物合成人造淀粉更加經濟可行，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，并調控其細胞形態，成功將其構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展會推動生物合成淀粉的進一步發展。

1.3 脂質生物合成

脂質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，它們在生物體內作為高效儲能物質，構成細胞膜的核心骨架，充當激素前體及信號分子，并為內臟提供保護。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油脂。它具有可持續、高效、可定制化、產品安全優質的巨大潛力，特別是在生產高價值的功能性脂質和特種脂質方面優勢明顯（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的合成途徑，生產具有定制化成分的脂質。雖然目前面臨成本等挑戰，但隨著合成生物學、代謝工程和發酵工程技術的飛速發展，它正在快速發展，并在嬰兒營養、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油脂來源。

針對功能性脂質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控靶點分子機制，構建生物合成系統，并建立細胞合成、酶法構建、特異修飾及高效提取技術體系是發展重點。

圖3 傳統和工程微生物脂類生產的比較

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，在大腦發育、視力健康、心血管功能和抗炎等方面發揮著關鍵作用。目前，可利用藻類或酵母等微生物，在發酵罐中規模化生產高純度、可持續的二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）等Omega?3脂肪酸，有效替代傳統魚油來源。產油酵母解脂耶氏酵母因其天然的脂質積累能力、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，廣泛應用于醫藥、保健品和化妝品領域。微生物合成角鯊烯為可持續生產和環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實現了高水平的角鯊烯生產。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的革命性變革，通過微生物發酵、酶催化及合成生物學等前沿技術手段，實現了食品添加劑和功能成分的高效、綠色生產。

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因素制約的植物提取色素，微生物發酵技術有效規避了上述局限。這些生物制造的色素不僅色澤鮮艷、穩定性好，更重要的是完全符合現代消費者對“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，具有甜度適中且幾乎不含熱量的特點，赤蘚糖醇的生產可以利用工業副產物作為碳氮源，既能降低成本又兼具環保效益。另一重要產品甜菊糖苷，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進行改良，改善了甜菊糖苷的生產過程，使其質量和產量得到了顯著提升。這些生物制造甜味劑產品的創新與發展，正在深刻改變人們對代糖產品的認知（表1）。

表1 不同甜味劑的特性

在酸味劑生產領域，生物制造技術憑借其高效、環保和產品多樣化的優勢占據了市場主導地位。黑曲霉（Aspergillus niger）作為目前工業化生產檸檬酸的核心菌株，通過深層液體發酵工藝生產的檸檬酸占全球總量的 80%。與此同時，微生物發酵生產的乳酸正在推動生物基材料的革命性發展。生物合成乳酸具有諸多優勢，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，且微生物發酵可選擇性產生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，適用于食品和醫藥領域。

03

機遇與挑戰

傳統食品原料與配輔料的生產方式，在環境友好、資源節約、健康效應及供給保障方面難以滿足需求，可持續性不足，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關鍵力量，兼具資源節約、低碳環保與高效生產優勢，可突破傳統生產瓶頸，具備解決食品制造難題的工業基礎與技術特質，對加快新質生產力發展、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的創新領域，在全球呈現出以下特征。

（1）技術加速：食品生物制造已上升為全球科技競爭的戰略高地。

（2）政策分化：為促進替代食品的安全創新，需建立新的監管程序。

（3）市場擴張：全球主要經濟體對未來食品發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下，食品生物制造技術展現出巨大潛力，但其規模化應用仍面臨顯著技術瓶頸，尤其在蛋白質合成領域。微生物蛋白、細胞培養肉等新型替代蛋白的產業化進程，在菌種選育與設計、高效發酵工藝優化以及食品加工等關鍵環節仍存在諸多亟待突破的難題。

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

• 在質地上，天然動物蛋白具有層次分明的纖維狀結構，微生物蛋白在質構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。

在生產過程中，高效、穩定且適合大規模應用的蛋白表達系統尚未成熟，導致成本高、產能受限。此外，缺乏統一、嚴謹的安全性評估框架和營養標準，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設計蛋白質序列，實現精準營養定制；

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

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

脂質、糖類及輔配料的生物制造同樣挑戰重重。在脂質合成方面，微生物產油面臨酶催化效率低、細胞工廠穩定性差的問題，高附加值油脂合成路徑復雜，且油脂精制成本高，缺乏系統性功能評價方法。油脂領域需構建多尺度調控體系，整合酶分子改造、發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，形成研發閉環。糖類與輔料方向要突破淀粉合成路徑的放大限制，開發連續化反應裝置，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，以應對監管政策的滯后性。

04

結論

食品生物制造在合成生物學的驅動下，正經歷從基礎原料到配輔料的全方位革新，其戰略價值已突破單一技術迭代范疇，形成了資源循環重構、營養靶向設計、產業生態升級的三維創新范式。

近年來，中國通過政策矩陣的頂層設計，加速構建微生物發酵、酶工程與智能算法的協同創新體系，推動食品制造模式從“農耕依賴”向“細胞工廠”轉型。

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

食品生物制造將實現從“規模擴張”到“價值創新”的跨越，全球食品供應鏈將會被重構，這種變革為中國在全球生物經濟中掌握主動權奠定堅實基礎，為中國搶占生物經濟制高點提供了戰略支點，最終構建起綠色、高效、可持續的新食品產業體系。

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范式革新[J]. 科技導報, 2025, 43(23): 52?60 .

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