食品生物制造：从基础原料到配辅料的生产范式革新

原文发表于《科技导报》2025 年第23 期 《 食品生物制造：从基础原料到配辅料的生产范式革新 》

在科技革命与产业变革深度融合的当下，食品生物制造正以合成生物学技术为引擎，通过基因精准编辑、人工智能（AI）辅助酶工程、智能发酵等前沿手段，重构食品工业的生产范式。《科技导报》邀请中国工程院院士黄和团队撰文，文章综述了基础原料及配辅料的生物制造进展；展示了微生物蛋白、人造淀粉、功能脂质等在提升生产效率、降低环境负担方面的潜力；提出了当前食品生物制造面临的技术瓶颈；最终给予了具体发展建议。

食品产业是国民经济支柱产业，关乎社会稳定、民生保障及国家战略安全。生物制造是以可再生生物质为原料，替代传统生产路线，实现绿色高效生产，具有低碳循环、反应条件温和、产物效率高等特征。食品生物制造是生物制造技术在食品产业链中的应用分支，合成生物学是实现食品生物制造的重要手段，利用基因工程、酶工程、发酵工程等现代生物技术可以对食品基础原料（如蛋白质、糖类、脂质）进行优化替代，对食品配辅料进行创新（如代糖赤藓糖醇、酸味剂 L−苹果酸）。

我们的研究对合成生物学在蛋白质、糖类、脂质等食品基础原料及食品配辅料的生物制造应用案例进行总结，并进一步分析食品生物制造面临的机遇与挑战（图1）。

图1 食品生物制造流程

01

食品基础原料的生物制造

1.1 蛋白质生物合成

蛋白质是生命体的必需物质，在维持生命体生命活动中扮演重要角色。目前，研究人员已经开发出包括微生物蛋白、细胞蛋白、植物蛋白在内的多种新型替代蛋白，作为动物蛋白的潜在替代品。

微生物蛋白作为一种新兴的替代蛋白来源，具有独特的优势。

（1）高营养价值。微生物蛋白含有丰富的营养物质，具有较高的营养价值。

（2）高生产效率。微生物蛋白倍增时间短，效率远高于传统畜牧和农作物（分别为1~2年和几个月）。

（3）环境友好。微生物蛋白生产消耗的水土资源更少，产生的温室气体也更少，且无需使用化肥、杀虫剂等有害物质，在环境保护和可持续发展方面具有显著优势。

（4）生产方式鲁棒性强。微生物蛋白的生产可控性强，不受季节及气候变化的影响，因其基因改造的易操作性，更适用于实现特定功能蛋白的精准制造。

微生物细胞中含有较高含量的优质蛋白质，通过大规模培养可获得大量微生物细胞，经过适当加工处理后，能够获得微生物菌体蛋白，此类蛋白可作为优质蛋白来源应用于相关领域。其中，以镰孢霉（Fusarium venenatum）为来源的真菌蛋白（mycoprotein）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为来源的酵母蛋白（yeast protein）是2类具有代表性的微生物菌体蛋白。

天然牛奶作为最理想的优质蛋白来源，其营养成分包含乳蛋白、生物活性肽、脂肪等，具有维持生命活动、促进生长发育及增强免疫力等多种功能。但目前天然牛奶面临养殖成本高、公共卫生安全及生产的可持续性等问题，亟待产业升级换代。近年来，包含基因编辑、合成生物学在内的多种前沿生物技术快速发展，为全球奶制品生产提供变革性的生产方式，如美国Perfect Day公司在2014年提出的无动物源牛奶（animal−free milk）概念，利用改造后的酵母发酵生产乳蛋白，实现乳制品的绿色制造（图2）。

图2 天然牛奶与理想牛奶的生产过程

1.2 糖类生物合成

糖类是人类摄入的主要碳源物质，其中淀粉类物质是主要的食品成分和工业原料。淀粉合成途径已在陆地植物和模式藻类中得到充分研究。研究人员通过转录组学揭示海藻中的淀粉可以通过调节昼夜节律过度积累，最高实现55%细胞干重的积累。此外，温度也是影响微藻淀粉积累的主要非生物因素之一，暴露于高温下会导致核分裂和细胞分裂完全阻塞，淀粉积累增加3倍。除此之外，研究人员还通过调控微藻生长过程中的营养元素种类及含量，获得较高的淀粉含量。

在酶催化生产方面，中国科学院天津工业生物所利用化学−生物耦合催化法，以CO2和H为原料，通过计算途径设计、模块化组装，对3种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行优化。这种方法为未来利用化学−生物偶联法，从CO2合成淀粉开辟了道路。利用丰富的农业废弃物高效生物合成人造淀粉更加经济可行，同时研究表明，人造直链淀粉的消化会导致血糖水平发生缓慢且相对较小的变化，它可能是一种预防肥胖和糖尿病的新型健康食品成分。

低碳微生物制造为淀粉生产提供了一种碳中和的策略。科研人员通过改造解脂耶氏酵母的淀粉生物合成与糖异生途径，并调控其细胞形态，成功将其构建为能够高效积累淀粉微晶粒的细胞工厂。在生物合成淀粉的可食用性能方面的评估和合成生物学的进一步发展会推动生物合成淀粉的进一步发展。

1.3 脂质生物合成

脂质是一类疏水或两亲性的有机分子，主要包括脂肪、磷脂和固醇等，它们在生物体内作为高效储能物质，构成细胞膜的核心骨架，充当激素前体及信号分子，并为内脏提供保护。目前，可以通过生物技术，将微生物或细胞改造成高效的“细胞工厂”，利用可再生的非粮原料生产油脂。它具有可持续、高效、可定制化、产品安全优质的巨大潜力，特别是在生产高价值的功能性脂质和特种脂质方面优势明显（图3）。此外，也可利用基因工程技术改造油料作物（如油菜、大豆、向日葵），精准改变其种子中脂质的合成途径，生产具有定制化成分的脂质。虽然目前面临成本等挑战，但随着合成生物学、代谢工程和发酵工程技术的飞速发展，它正在快速发展，并在婴儿营养、保健品、化妆品等领域取得了显著成功，未来有望在更广泛的领域替代传统油脂来源。

针对功能性脂质短缺及生物合成技术瓶颈，解析其生物合成代谢通路与关键调控靶点分子机制，构建生物合成系统，并建立细胞合成、酶法构建、特异修饰及高效提取技术体系是发展重点。

图3 传统和工程微生物脂类生产的比较

Omega−3脂肪酸是一类对人体健康至关重要的多不饱和脂肪酸，在大脑发育、视力健康、心血管功能和抗炎等方面发挥着关键作用。目前，可利用藻类或酵母等微生物，在发酵罐中规模化生产高纯度、可持续的二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）等Omega−3脂肪酸，有效替代传统鱼油来源。产油酵母解脂耶氏酵母因其天然的脂质积累能力、遗传可操作性及对低成本碳源的利用潜力，成为生产EPA的理想底盘细胞。研究人员通过从藻类、苔藓、细菌和真菌等生物中筛选并克隆高效酶组合，成功在油菜和亚麻荠等作物中实现了EPA和DHA的生物合成。

角鲨烯是一种重要的线性多不饱和三萜，广泛应用于医药、保健品和化妆品领域。微生物合成角鲨烯为可持续生产和环境保护提供了一条有前景的途径。目前，对酿酒酵母和解脂耶式酵母进行基因工程改造已经实现了高水平的角鲨烯生产。此外，对解脂耶氏酵母进行基因工程改造，在不影响酵母细胞生长的情况下，将其同源重组靶向基因的效率提高了68%。

02

食品配辅料的生物合成

生物制造技术正在引领食品工业的革命性变革，通过微生物发酵、酶催化及合成生物学等前沿技术手段，实现了食品添加剂和功能成分的高效、绿色生产。

在食用色素领域，相较于存在安全隐患的化学合成色素以及受原料供应和季节因素制约的植物提取色素，微生物发酵技术有效规避了上述局限。这些生物制造的色素不仅色泽鲜艳、稳定性好，更重要的是完全符合现代消费者对“清洁标签”的需求。

甜味剂的生物制造同样取得了突破性进展。赤藓糖醇作为四碳线性多元醇类甜味剂，具有甜度适中且几乎不含热量的特点，赤藓糖醇的生产可以利用工业副产物作为碳氮源，既能降低成本又兼具环保效益。另一重要产品甜菊糖苷，因其甜度高、热量低、安全无毒而被广泛应用。此外，研究人员通过采用酶改造、酶修饰及酶催化等先进的酶工程技术，对甜菊糖苷合成过程中所需酶的生物学性质进行改良，改善了甜菊糖苷的生产过程，使其质量和产量得到了显著提升。这些生物制造甜味剂产品的创新与发展，正在深刻改变人们对代糖产品的认知（表1）。

表1 不同甜味剂的特性

在酸味剂生产领域，生物制造技术凭借其高效、环保和产品多样化的优势占据了市场主导地位。黑曲霉（Aspergillus niger）作为目前工业化生产柠檬酸的核心菌株，通过深层液体发酵工艺生产的柠檬酸占全球总量的 80%。与此同时，微生物发酵生产的乳酸正在推动生物基材料的革命性发展。生物合成乳酸具有诸多优势，它以可再生资源（如玉米、甘蔗）为原料，减少对化石燃料的依赖，且微生物发酵可选择性产生L−乳酸或D−乳酸，满足不同需求，相比化学合成，生物合成的乳酸更安全，适用于食品和医药领域。

03

机遇与挑战

传统食品原料与配辅料的生产方式，在环境友好、资源节约、健康效应及供给保障方面难以满足需求，可持续性不足，亟需变革性突破以拓宽获取途径。生物制造作为未来制造业关键力量，兼具资源节约、低碳环保与高效生产优势，可突破传统生产瓶颈，具备解决食品制造难题的工业基础与技术特质，对加快新质生产力发展、筑牢粮食安全根基、践行“大食物观”具有重大意义。食品生物制造作为融合生物技术与食品工业的创新领域，在全球呈现出以下特征。

（1）技术加速：食品生物制造已上升为全球科技竞争的战略高地。

（2）政策分化：为促进替代食品的安全创新，需建立新的监管程序。

（3）市场扩张：全球主要经济体对未来食品发展和抢占食品生物合成领域新的竞争制高点做出了布局。

在全球粮食安全与资源短缺的严峻挑战下，食品生物制造技术展现出巨大潜力，但其规模化应用仍面临显著技术瓶颈，尤其在蛋白质合成领域。微生物蛋白、细胞培养肉等新型替代蛋白的产业化进程，在菌种选育与设计、高效发酵工艺优化以及食品加工等关键环节仍存在诸多亟待突破的难题。

微生物蛋白的质地、风味与感官是影响其市场接受度的关键因素，也是当前研究和产业化的重点攻关方向。

• 在质地上，天然动物蛋白具有层次分明的纤维状结构，微生物蛋白在质构上与天然动物蛋白有一定差距。

• 在风味上，微生物蛋白的挑战聚焦在如何消除其固有的“异味”，这些通常是由微生物代谢产生的。

• 在感官上，颜色是影响消费者接受度的重要因素。

在生产过程中，高效、稳定且适合大规模应用的蛋白表达系统尚未成熟，导致成本高、产能受限。此外，缺乏统一、严谨的安全性评估框架和营养标准，尤其缺少对婴幼儿、老人及病人等特殊群体的适用性研究，这严重阻碍了产品的市场准入和消费者接受度。未来突破的关键在于3个核心方向：

• 一是利用AI设计蛋白质序列，实现精准营养定制；

• 二是开发高效固碳底盘细胞，强化其碳氮固定与代谢平衡能力，支撑规模化生产；

• 三是建立覆盖营养、安全及人群适用性的标准化评价体系，为监管落地提供可靠依据。

脂质、糖类及辅配料的生物制造同样挑战重重。在脂质合成方面，微生物产油面临酶催化效率低、细胞工厂稳定性差的问题，高附加值油脂合成路径复杂，且油脂精制成本高，缺乏系统性功能评价方法。油脂领域需构建多尺度调控体系，整合酶分子改造、发酵过程智能控制及绿色提取工艺3大关键技术，并同步建立功能评价平台，形成研发闭环。糖类与辅料方向要突破淀粉合成路径的放大限制，开发连续化反应装置，深化甜蛋白受体互作机制研究以改良风味，加速其在食品加工场景的应用。此外，针对新型功能辅配料，需要完善安全评估及加工工艺标准，以应对监管政策的滞后性。

04

结论

食品生物制造在合成生物学的驱动下，正经历从基础原料到配辅料的全方位革新，其战略价值已突破单一技术迭代范畴，形成了资源循环重构、营养靶向设计、产业生态升级的三维创新范式。

近年来，中国通过政策矩阵的顶层设计，加速构建微生物发酵、酶工程与智能算法的协同创新体系，推动食品制造模式从“农耕依赖”向“细胞工厂”转型。

尽管面临技术成熟度差异、产业化成本瓶颈及消费者认知壁垒等挑战，但未来，随着AI菌株设计、非粮生物质利用等技术的深化，跨学科合作与全球化布局的推进以及“一带一路”生物制造联盟的全球化布局，食品生物制造有望成为全球产业竞争的核心抓手。

食品生物制造将实现从“规模扩张”到“价值创新”的跨越，全球食品供应链将会被重构，这种变革为中国在全球生物经济中掌握主动权奠定坚实基础，为中国抢占生物经济制高点提供了战略支点，最终构建起绿色、高效、可持续的新食品产业体系。

本文作者：刘云翔、孙梦璐、王明海、陈瑞、张立慧、黄和

作者简介：刘云翔，南京师范大学食品与制药工程学院，微生物改造技术全国重点实验室，博士研究生，研究方向为微生物蛋白开发及应用；张立慧（通信作者），南京师范大学食品与制药工程学院，微生物改造技术全国重点实验室，副教授，研究方向为微生物蛋白开发及应用等；黄和（共同通信作者），南京师范大学食品与制药工程学院，微生物改造技术全国重点实验室，教授，中国工程院院士，研究方向为合成生物学。

文章来 源 ： 刘云翔, 孙梦璐, 王明海, 等. 食品生物制造：从基础原料到配辅料的生产范式革新[J]. 科技导报, 2025, 43(23): 52−60 .

本文有删改，

内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载
白名单回复后台「转载」

《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的研究成果、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、科技新闻、科技评论、专稿专题、综述、论文、政策建议、科技人文等。