生物工程在食品領域的研究與應用進展

羅正山，徐 錚，李 莎，王 瑞，續曉琪，徐 虹*

（1.南京工業大學 食品與輕工學院，江蘇 南京211816；2.南京工業大學 材料化學工程國家重點實驗室，江蘇南京211816；3.南京軒凱生物科技股份有限公司，江蘇 南京211816）

食品工業是“為耕者謀利、為食者造?！钡膫鹘y民生產業，在實施制造強國戰略和推進健康中國建設行動中具有重要地位[1]。食品生物工程是食品工業的重要組成部分，既包括了現代生物技術在食品原輔料制備、食品加工中的應用，也囊括了食品發酵和釀造等傳統生物轉化過程[2]。生物反應工程、合成生物學、蛋白質工程、細胞工程等諸多前沿生物技術的發展，也對現代食品生物工程的快速發展起到了極大的推動作用[3-4]。由于生物工程在食品領域的重要性和巨大產業價值，中國、美國、歐盟和日本等國家和地區皆將食品生物工程的發展提升到戰略高度，相繼投入巨額研究經費用于食品生物技術的研究與開發[5]。據統計，全球有近300家公司涉足食品生物技術相關的研究和開發，其中包括美國杜邦、丹麥諾維信、美國孟山都、德國巴斯夫、荷蘭帝斯曼、日本味之素、美國聯合利華等行業巨擘。近年來，歐美還涌現了以Codexis為代表的一大批創新型技術公司。

當前，全球正處于產業、經濟、社會加速變革的時期，食品領域也伴隨著新一輪科技與產業革命。目前，食品生物工程在提升食品工業科技水平，穩定食品供給，滿足人民群眾日益增長和不斷升級的消費需求等方面具有重要的作用，對推動食品工業轉型升級、膳食消費結構改善、滿足小康社會城鄉居民更高層次的食品需求等方面呈現出巨大的潛力。作者主要綜述了食品生物工程在食品領域的應用與發展，并分析了當前食品生物工程領域發展的現狀問題與戰略發展態勢，展望食品生物工程領域的未來發展趨勢，以期為食品生物工程領域的發展提供借鑒。

1 生物工程在食品領域中的應用

1.1 營養化學品合成

營養化學品是指具有調節人體生理功能，適宜特定人群食用，不以治療疾病為目標的一類功能性食品[6-7]。營養化學品的功效與應用廣泛，包括調節免疫、調節血脂、延緩衰老、抗氧化、調節血糖和改善睡眠等[8-9]。傳統的營養化學品，包括氨基酸、核苷酸和維生素等[10]；新型高效的營養化學品包括植物天然提取物（黃酮、萜類、多酚類、低聚糖等）和動物來源的分離物（功能糖、甾體、多不飽和脂肪酸等）[11]。目前營養化學品的生產方法包括動植物提取或化學合成法，在生產中往往存在傳統提取法原料來源不足、化學法生產污染嚴重、動植物組織提取產品存在過敏原等制約產業發展的瓶頸問題。隨著生物技術的發展，越來越多的功能性營養化學品的生物合成途徑得到闡明。利用合成生物學技術可以在微生物、微藻等細胞中重構營養化學品分子的代謝途徑，實現營養化學品的綠色生物制造與精準調控，從而在工業規模實現其高效合成制備。

1.2 釀造食品升級

我國是世界主要的傳統釀造食品發源地，發酵調味品、酒類、發酵乳等產品的產值占食品工業總產值的近30%，對人民日常生活和飲食習慣有著舉足輕重的地位。釀酒、醬油、食醋、酸湯、泡菜等傳統釀造食品大多采用多菌種共同發酵，固態、半固態和液態發酵，發酵周期較長，在復雜的微生物群落作用下發生復雜的生化作用，微生物代謝產物與產品品質具有最直接的聯系。目前國際上已經將基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等現代生物技術手段運用到傳統釀造食品發酵過程如微生物群落組成及其功能分析等方面[12-14]。例如，我國已經利用高通量測序技術和傳統培養技術解析了多種香型白酒在釀造過程中微生物的群落結構，全面了解白酒發酵過程中微生物的動態變化，發現不同釀造工藝和環境對微生物群落結構有明顯影響，及對白酒香型貢獻的主要功能微生物，也發現乳酸菌對白酒釀造過程微生物群落結構的穩定和白酒風味的形成有重要作用[13]。此外，日韓、歐美等國家對泡菜、奶酪等傳統發酵食品釀造機理都進行了深入研究[15-16]。哈佛大學對奶酪微生物群落組成與風味物質形成的關系進行了系統分析，發現濕度、鹽度等是不同地區奶酪微生物群落差異的主要因素，通過分析這些因素與微生物組成及風味物質形成之間的關系，挑選菌株進行微生物群落的重構，建立了不依賴于地理環境、群落組成及演變可被復制的奶酪發酵方式，不僅證明了微生物群落組成是賦予傳統發酵食品獨特風味的本質，而且表明環境因素對微生物群落的演替起到了重要的驅動作用，該研究對實現傳統釀造食品的現代化可控生產提供了理論基礎[17]。目前流行于全球的發酵食品如酸奶、啤酒、葡萄酒、醬油等產品都是經過現代化改造后生產加工而成，完全擺脫了傳統的手工作坊式生產。

1.3 功能性脂類開發

隨著社會進步和科技的發展，人們的生活方式和膳食結構發生了巨大的變化，對各類功能性食品成分的商業需求越來越迫切。功能性脂類物質具有特殊生理功能，廣泛用于特殊醫學食品、功能性食品、保健食品等領域，是維持人體正常生理活動提供必需的基礎物質[18-19]。在近代營養學和生理學發展的基礎上，特別是脂質組學的快速發展，讓人們越來越認識到功能性脂類物質在維持人體健康中的不可替代作用。與傳統的大宗食用油脂不同，功能性脂類物質一般具有特殊的分子結構和理化性質[20]；在加工制造過程中，需要更加安全、精準的加工和制造技術。

近年來，隨著營養學研究和脂質組學研究的快速進步，功能性脂類物質的發掘、生理功能評估、精準制造技術等領域均進入快速發展時期[21-22]。大量與生物體生理特征、生理狀況相關的脂類物質被證實，脂類物質的生理功能評價技術體系也在逐步探索中得以建立。在此基礎上亟須構建完善的功能性脂類物質的營養功能和安全性評價技術體系，研究和解析功能性脂類物質的構效關系，進行功能性脂類物質的廣泛挖掘，利用微生物反應器定向合成功能脂質，進行功能性脂類物質的綠色加工和精準制造技術的研發，開展功能性脂類物質產品的研發與產業化示范以及功能脂質合成副產物的高值化利用和產業化示范。

1.4 食品加工用酶開發

食品酶制劑的制備、催化與轉化是食品綠色制造的重要組成[23-24]?；诟咝称访钢苿┑木G色食品生產工藝可以顯著降低能耗、物耗和水耗，緩解產業的環境保護壓力[25]。國際上主要大型酶制劑企業通過幾十年的持續資金投入和系統研究，已基于傳統誘變和基因工程手段，建立了若干標準化的高生產強度和高產酶水平的微生物表達體系，如丹麥諾維信公司使用的米曲霉、黑曲霉、鐮孢霉等。食品酶工程集合了微生物學、分子生物學、蛋白質工程等多學科的前沿科技，是食品生物技術領域研究的熱點[26]。目前，該領域的研究前沿主要體現在：1）新型食品酶制劑的定向、高通量挖掘技術；2）以應用為導向的精準酶分子改造技術；3）安全、高效的微生物酶表達系統構建；4）基于合成生物學的細胞工廠及酶分子機器構建；5）多酶自組裝偶聯反應體系地構建。這些研究的投入將極大地促進食品酶制劑行業的健康發展。

1.5 食品添加劑綠色生物制造

食品添加劑是指食品加工與防腐工藝所必需的一類物質，目的是改善食品的色、香、味、形等諸多品質、改善口感、延長銷售貨架期。它既可以來自化學合成，也可以為天然來源[27]。食品添加劑生物制造主要是針對色（色素）、香（香料香精）、味（甜味、酸味等）、形、防腐（納他霉素、乳酸鏈球菌素、聚賴氨酸、溶菌酶等）開展研究，其中色素、甜味劑、香精香料、防腐劑可以是生物來源制造，采用合成生物學手段，利用微生物合成或酶法轉化，可實現其高效、綠色生物合成[28-30]。目前，生物工程在食品添加劑的生物制造方面的應用主要在以下幾個方面：1）挖掘新天然食品添加劑和評價其功效；2）代謝工程改造菌株合成現有天然食品添加劑；3）天然食品添加劑的合成生物學研究；4）酶的定向進化與天然食品添加劑的高效生物轉化；5）生物質資源的高效利用、部分取代、甚至完全替代與天然食品添加劑的價廉質優生產。隨著合成生物學技術的快速發展，食品添加劑的生物制造研究正在向生物合成途徑的系統優化和改造方向發展，最終將走向食品添加劑的全人工設計高效合成，真正實現食品添加劑的綠色、高效、大規模生物合成。

2 我國食品生物工程領域發展面臨的挑戰和機遇

今后一個時期，食品生物工程領域發展挑戰和機遇并存。從國際上看，世界經濟復蘇乏力，食品跨國集團加快全球布局，不斷提升核心競爭能力，對我國食品產業發展帶來一定影響和挑戰。另一方面，隨著“一帶一路”倡議的深入推進，以及各種國際貿易協定的簽訂，對外投資環境不斷改善，有利于我國食品企業加快實施“走出去”戰略。從國內來看，中國經濟進入新常態，一方面增長預期放緩，人力、土地、環境資源保護等綜合成本不斷上升，食品工業保持高速發展難度加大。另一方面，食品消費需求呈剛性增長態勢，隨著消費結構升級，消費者對食品的營養與健康要求更高，品牌意識不斷增強，食品工業發展模式將從量的擴張向質的提升轉變。

當前我國食品生物工程領域面臨的現狀問題主要有：1）食品生物工程的基礎研究和科技普及相對滯后。食品營養與健康的相關基礎研究仍然有待加強，有針對性的特醫食品、功能因子或食療產品仍然相對缺乏；科技普及工作相對滯后，大健康領域市場魚龍混雜，阻礙行業正向發展；2）企業數目較多，規模普遍偏小。部分產品集中度和進入門檻低，同質化相對嚴重，自動化智能化程度較低，龍頭企業的引領和示范作用較弱，無法形成規模效益，少有清潔生產和循環經濟示范；3）微生物資源亟須整理挖掘。微生物資源是釀造食品的核心，也是食品生物技術重要載體。我國傳統釀造食品中蘊藏著應用潛力無限的特色微生物資源，亟須對我國傳統釀造食品微生物資源進行系統化整理和保藏，建立自有知識產權的微生物信息數據庫；4）政策法規還不健全，很多發酵食品，如泡菜、豆豉等發酵食品，由于發酵食品的菌種未安全認定，基因工程食品沒有相應的國際標準，難以規?；a和擴大國際市場。

伴隨著“健康中國2030”規劃地實施，應用現代生物技術開發的營養和功能食品未來需求將進一步擴大。營養化學品、健康糖、健康油脂、發酵食品等健康食品（成分）的生物制造將受到進一步重視。2018年，全球營養食品配料市場規模超過2 300億美元。國際市場上營養食品配料種類越來越多，應用范圍越來越廣。預計到2023年，全球營養食品配料市場將達到3 360億美元，年復合增長率為7.8%。此外，根據國際經合組織（OECD）預估，未來包括食品加工用酶在內的生物技術的發展，可以降低食品加工相關過程10%～80%的能耗和水資源消耗，20%～90%的污染物排放[31]。因此，發展食品工業領域中的綠色生物制造技術，對于促進我國食品工業循環經濟發展水平，提升科技創新水平具有重要的戰略意義。隨著現代生物技術的發展，利用生物工程手段保障食品供給將成為未來食品工業領域的研究熱點和發展方向。我國可食用的生物資源十分豐富，利用現代生物技術開發新資源食品未來將進一步發展。此外，合成生物學、基因編輯、細胞工程等先進生物技術的發展，使得基因編輯作物、人造蛋白、微生物淀粉、微生物油脂等新興食品技術的應用成為現實。

3 展望

目前我國高品質健康食品的供應與市場需求仍不相匹配，難以較好適應消費變化。伴隨著“健康中國2030”規劃地實施，應用現代生物技術開發的營養和功能食品未來需求將進一步擴大。營養化學品、健康糖、健康油脂、發酵食品等健康食品（成分）的生物制造將受到進一步重視。食品生物工程領域的戰略發展主要呈現以下幾種趨勢：1）以提升產品品質和降低生產成本為核心，開發環境友好的綠色生物制造途徑和生產技術、食品廢棄物生物治理技術，降低生產成本和能量消耗，提高效率，達到增產增收，并實現節能環保；2）具有免疫調節、延緩衰老、抗疲勞、調節血脂、調整腸胃等健康功能的新資源食品及功能食品的需求增加，相關生物制造技術快速發展；3）智能生物制造技術及裝備的興起，以實現天然食品組分和生物基可降解包裝材料的生物制造、合成途徑的高效裝配，以及食品組分規?；镏圃斓闹悄芑刂?；4）集成高效提取分離、生物轉化等技術，生產營養化學品、天然色素、風味成分等食品成分，實現有限資源的綜合、深層次、高效利用；5）通過微生物群落調控，自動化釀造裝備，發酵控制關鍵技術，實現傳統發酵食品的現代化釀造，提高產品品質，保障產品質量安全。

綜上所述，食品生物工程領域的未來發展將圍繞食品營養和健康，提升食品工業科技水平，穩定食品供給，以滿足人民群眾日益增長和不斷升級的消費需求為目標，以供給側結構性改革為主線，以創新驅動為引領，著力提高供給質量和效率，推動食品工業轉型升級、膳食消費結構改善，滿足小康社會城鄉居民更高層次的食品需求。