羅正山，徐 錚，李 莎，王 瑞，續(xù)曉琪，徐 虹*

（1.南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院，江蘇 南京211816；2.南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)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(yè)是“為耕者謀利、為食者造福”的傳統(tǒng)民生產(chǎn)業(yè)，在實施制造強國戰(zhàn)略和推進(jìn)健康中國建設(shè)行動中具有重要地位[1]。食品生物工程是食品工業(yè)的重要組成部分，既包括了現(xiàn)代生物技術(shù)在食品原輔料制備、食品加工中的應(yīng)用，也囊括了食品發(fā)酵和釀造等傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)化過程[2]。生物反應(yīng)工程、合成生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程等諸多前沿生物技術(shù)的發(fā)展，也對現(xiàn)代食品生物工程的快速發(fā)展起到了極大的推動作用[3-4]。由于生物工程在食品領(lǐng)域的重要性和巨大產(chǎn)業(yè)價值，中國、美國、歐盟和日本等國家和地區(qū)皆將食品生物工程的發(fā)展提升到戰(zhàn)略高度，相繼投入巨額研究經(jīng)費用于食品生物技術(shù)的研究與開發(fā)[5]。據(jù)統(tǒng)計，全球有近300家公司涉足食品生物技術(shù)相關(guān)的研究和開發(fā)，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(lián)合利華等行業(yè)巨擘。近年來，歐美還涌現(xiàn)了以Codexis為代表的一大批創(chuàng)新型技術(shù)公司。

當(dāng)前，全球正處于產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會加速變革的時期，食品領(lǐng)域也伴隨著新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命。目前，食品生物工程在提升食品工業(yè)科技水平，穩(wěn)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(yè)轉(zhuǎn)型升級、膳食消費結(jié)構(gòu)改善、滿足小康社會城鄉(xiāng)居民更高層次的食品需求等方面呈現(xiàn)出巨大的潛力。作者主要綜述了食品生物工程在食品領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，并分析了當(dāng)前食品生物工程領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀問題與戰(zhàn)略發(fā)展態(tài)勢，展望食品生物工程領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢，以期為食品生物工程領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。

1 生物工程在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.1 營養(yǎng)化學(xué)品合成

營養(yǎng)化學(xué)品是指具有調(diào)節(jié)人體生理功能，適宜特定人群食用，不以治療疾病為目標(biāo)的一類功能性食品[6-7]。營養(yǎng)化學(xué)品的功效與應(yīng)用廣泛，包括調(diào)節(jié)免疫、調(diào)節(jié)血脂、延緩衰老、抗氧化、調(diào)節(jié)血糖和改善睡眠等[8-9]。傳統(tǒng)的營養(yǎng)化學(xué)品，包括氨基酸、核苷酸和維生素等[10]；新型高效的營養(yǎng)化學(xué)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(yǎng)化學(xué)品的生產(chǎn)方法包括動植物提取或化學(xué)合成法，在生產(chǎn)中往往存在傳統(tǒng)提取法原料來源不足、化學(xué)法生產(chǎn)污染嚴(yán)重、動植物組織提取產(chǎn)品存在過敏原等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的功能性營養(yǎng)化學(xué)品的生物合成途徑得到闡明。利用合成生物學(xué)技術(shù)可以在微生物、微藻等細(xì)胞中重構(gòu)營養(yǎng)化學(xué)品分子的代謝途徑，實現(xiàn)營養(yǎng)化學(xué)品的綠色生物制造與精準(zhǔn)調(diào)控，從而在工業(yè)規(guī)模實現(xiàn)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(tǒng)釀造食品發(fā)源地，發(fā)酵調(diào)味品、酒類、發(fā)酵乳等產(chǎn)品的產(chǎn)值占食品工業(yè)總產(chǎn)值的近30%，對人民日常生活和飲食習(xí)慣有著舉足輕重的地位。釀酒、醬油、食醋、酸湯、泡菜等傳統(tǒng)釀造食品大多采用多菌種共同發(fā)酵，固態(tài)、半固態(tài)和液態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵周期較長，在復(fù)雜的微生物群落作用下發(fā)生復(fù)雜的生化作用，微生物代謝產(chǎn)物與產(chǎn)品品質(zhì)具有最直接的聯(lián)系。目前國際上已經(jīng)將基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等現(xiàn)代生物技術(shù)手段運用到傳統(tǒng)釀造食品發(fā)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(jīng)利用高通量測序技術(shù)和傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)解析了多種香型白酒在釀造過程中微生物的群落結(jié)構(gòu)，全面了解白酒發(fā)酵過程中微生物的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)不同釀造工藝和環(huán)境對微生物群落結(jié)構(gòu)有明顯影響，及對白酒香型貢獻(xiàn)的主要功能微生物，也發(fā)現(xiàn)乳酸菌對白酒釀造過程微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和白酒風(fēng)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(tǒng)發(fā)酵食品釀造機(jī)理都進(jìn)行了深入研究[15-16]。哈佛大學(xué)對奶酪微生物群落組成與風(fēng)味物質(zhì)形成的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)濕度、鹽度等是不同地區(qū)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(fēng)味物質(zhì)形成之間的關(guān)系，挑選菌株進(jìn)行微生物群落的重構(gòu)，建立了不依賴于地理環(huán)境、群落組成及演變可被復(fù)制的奶酪發(fā)酵方式，不僅證明了微生物群落組成是賦予傳統(tǒng)發(fā)酵食品獨特風(fēng)味的本質(zhì)，而且表明環(huán)境因素對微生物群落的演替起到了重要的驅(qū)動作用，該研究對實現(xiàn)傳統(tǒng)釀造食品的現(xiàn)代化可控生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)[17]。目前流行于全球的發(fā)酵食品如酸奶、啤酒、葡萄酒、醬油等產(chǎn)品都是經(jīng)過現(xiàn)代化改造后生產(chǎn)加工而成，完全擺脫了傳統(tǒng)的手工作坊式生產(chǎn)。

1.3 功能性脂類開發(fā)

隨著社會進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們的生活方式和膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，對各類功能性食品成分的商業(yè)需求越來越迫切。功能性脂類物質(zhì)具有特殊生理功能，廣泛用于特殊醫(yī)學(xué)食品、功能性食品、保健食品等領(lǐng)域，是維持人體正常生理活動提供必需的基礎(chǔ)物質(zhì)[18-19]。在近代營養(yǎng)學(xué)和生理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，特別是脂質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展，讓人們越來越認(rèn)識到功能性脂類物質(zhì)在維持人體健康中的不可替代作用。與傳統(tǒng)的大宗食用油脂不同，功能性脂類物質(zhì)一般具有特殊的分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[20]；在加工制造過程中，需要更加安全、精準(zhǔn)的加工和制造技術(shù)。

近年來，隨著營養(yǎng)學(xué)研究和脂質(zhì)組學(xué)研究的快速進(jìn)步，功能性脂類物質(zhì)的發(fā)掘、生理功能評估、精準(zhǔn)制造技術(shù)等領(lǐng)域均進(jìn)入快速發(fā)展時期[21-22]。大量與生物體生理特征、生理狀況相關(guān)的脂類物質(zhì)被證實，脂類物質(zhì)的生理功能評價技術(shù)體系也在逐步探索中得以建立。在此基礎(chǔ)上亟須構(gòu)建完善的功能性脂類物質(zhì)的營養(yǎng)功能和安全性評價技術(shù)體系，研究和解析功能性脂類物質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)行功能性脂類物質(zhì)的廣泛挖掘，利用微生物反應(yīng)器定向合成功能脂質(zhì)，進(jìn)行功能性脂類物質(zhì)的綠色加工和精準(zhǔn)制造技術(shù)的研發(fā)，開展功能性脂類物質(zhì)產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范以及功能脂質(zhì)合成副產(chǎn)物的高值化利用和產(chǎn)業(yè)化示范。

1.4 食品加工用酶開發(fā)

食品酶制劑的制備、催化與轉(zhuǎn)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(chǎn)工藝可以顯著降低能耗、物耗和水耗，緩解產(chǎn)業(yè)的環(huán)境保護(hù)壓力[25]。國際上主要大型酶制劑企業(yè)通過幾十年的持續(xù)資金投入和系統(tǒng)研究，已基于傳統(tǒng)誘變和基因工程手段，建立了若干標(biāo)準(zhǔn)化的高生產(chǎn)強度和高產(chǎn)酶水平的微生物表達(dá)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(xué)、分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程等多學(xué)科的前沿科技，是食品生物技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點[26]。目前，該領(lǐng)域的研究前沿主要體現(xiàn)在：1）新型食品酶制劑的定向、高通量挖掘技術(shù)；2）以應(yīng)用為導(dǎo)向的精準(zhǔn)酶分子改造技術(shù)；3）安全、高效的微生物酶表達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建；4）基于合成生物學(xué)的細(xì)胞工廠及酶分子機(jī)器構(gòu)建；5）多酶自組裝偶聯(lián)反應(yīng)體系地構(gòu)建。這些研究的投入將極大地促進(jìn)食品酶制劑行業(yè)的健康發(fā)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(zhì)，目的是改善食品的色、香、味、形等諸多品質(zhì)、改善口感、延長銷售貨架期。它既可以來自化學(xué)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(xué)手段，利用微生物合成或酶法轉(zhuǎn)化，可實現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)有天然食品添加劑；3）天然食品添加劑的合成生物學(xué)研究；4）酶的定向進(jìn)化與天然食品添加劑的高效生物轉(zhuǎn)化；5）生物質(zhì)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(zhì)優(yōu)生產(chǎn)。隨著合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)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(tǒng)優(yōu)化和改造方向發(fā)展，最終將走向食品添加劑的全人工設(shè)計高效合成，真正實現(xiàn)食品添加劑的綠色、高效、大規(guī)模生物合成。

2 我國食品生物工程領(lǐng)域發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

今后一個時期，食品生物工程領(lǐng)域發(fā)展挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。從國際上看，世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇乏力，食品跨國集團(tuán)加快全球布局，不斷提升核心競爭能力，對我國食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來一定影響和挑戰(zhàn)。另一方面，隨著“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，以及各種國際貿(mào)易協(xié)定的簽訂，對外投資環(huán)境不斷改善，有利于我國食品企業(yè)加快實施“走出去”戰(zhàn)略。從國內(nèi)來看，中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，一方面增長預(yù)期放緩，人力、土地、環(huán)境資源保護(hù)等綜合成本不斷上升，食品工業(yè)保持高速發(fā)展難度加大。另一方面，食品消費需求呈剛性增長態(tài)勢，隨著消費結(jié)構(gòu)升級，消費者對食品的營養(yǎng)與健康要求更高，品牌意識不斷增強，食品工業(yè)發(fā)展模式將從量的擴(kuò)張向質(zhì)的提升轉(zhuǎn)變。

當(dāng)前我國食品生物工程領(lǐng)域面臨的現(xiàn)狀問題主要有：1）食品生物工程的基礎(chǔ)研究和科技普及相對滯后。食品營養(yǎng)與健康的相關(guān)基礎(chǔ)研究仍然有待加強，有針對性的特醫(yī)食品、功能因子或食療產(chǎn)品仍然相對缺乏；科技普及工作相對滯后，大健康領(lǐng)域市場魚龍混雜，阻礙行業(yè)正向發(fā)展；2）企業(yè)數(shù)目較多，規(guī)模普遍偏小。部分產(chǎn)品集中度和進(jìn)入門檻低，同質(zhì)化相對嚴(yán)重，自動化智能化程度較低，龍頭企業(yè)的引領(lǐng)和示范作用較弱，無法形成規(guī)模效益，少有清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(shù)重要載體。我國傳統(tǒng)釀造食品中蘊藏著應(yīng)用潛力無限的特色微生物資源，亟須對我國傳統(tǒng)釀造食品微生物資源進(jìn)行系統(tǒng)化整理和保藏，建立自有知識產(chǎn)權(quán)的微生物信息數(shù)據(jù)庫；4）政策法規(guī)還不健全，很多發(fā)酵食品，如泡菜、豆豉等發(fā)酵食品，由于發(fā)酵食品的菌種未安全認(rèn)定，基因工程食品沒有相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，難以規(guī)?；a(chǎn)和擴(kuò)大國際市場。

伴隨著“健康中國2030”規(guī)劃地實施，應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)開發(fā)的營養(yǎng)和功能食品未來需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。營養(yǎng)化學(xué)品、健康糖、健康油脂、發(fā)酵食品等健康食品（成分）的生物制造將受到進(jìn)一步重視。2018年，全球營養(yǎng)食品配料市場規(guī)模超過2 300億美元。國際市場上營養(yǎng)食品配料種類越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣。預(yù)計到2023年，全球營養(yǎng)食品配料市場將達(dá)到3 360億美元，年復(fù)合增長率為7.8%。此外，根據(jù)國際經(jīng)合組織（OECD）預(yù)估，未來包括食品加工用酶在內(nèi)的生物技術(shù)的發(fā)展，可以降低食品加工相關(guān)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(fā)展食品工業(yè)領(lǐng)域中的綠色生物制造技術(shù)，對于促進(jìn)我國食品工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，提升科技創(chuàng)新水平具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，利用生物工程手段保障食品供給將成為未來食品工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展方向。我國可食用的生物資源十分豐富，利用現(xiàn)代生物技術(shù)開發(fā)新資源食品未來將進(jìn)一步發(fā)展。此外，合成生物學(xué)、基因編輯、細(xì)胞工程等先進(jìn)生物技術(shù)的發(fā)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(shù)的應(yīng)用成為現(xiàn)實。

3 展望

目前我國高品質(zhì)健康食品的供應(yīng)與市場需求仍不相匹配，難以較好適應(yīng)消費變化。伴隨著“健康中國2030”規(guī)劃地實施，應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)開發(fā)的營養(yǎng)和功能食品未來需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。營養(yǎng)化學(xué)品、健康糖、健康油脂、發(fā)酵食品等健康食品（成分）的生物制造將受到進(jìn)一步重視。食品生物工程領(lǐng)域的戰(zhàn)略發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾種趨勢：1）以提升產(chǎn)品品質(zhì)和降低生產(chǎn)成本為核心，開發(fā)環(huán)境友好的綠色生物制造途徑和生產(chǎn)技術(shù)、食品廢棄物生物治理技術(shù)，降低生產(chǎn)成本和能量消耗，提高效率，達(dá)到增產(chǎn)增收，并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；2）具有免疫調(diào)節(jié)、延緩衰老、抗疲勞、調(diào)節(jié)血脂、調(diào)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(guān)生物制造技術(shù)快速發(fā)展；3）智能生物制造技術(shù)及裝備的興起，以實現(xiàn)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(guī)?；镏圃斓闹悄芑刂?；4）集成高效提取分離、生物轉(zhuǎn)化等技術(shù)，生產(chǎn)營養(yǎng)化學(xué)品、天然色素、風(fēng)味成分等食品成分，實現(xiàn)有限資源的綜合、深層次、高效利用；5）通過微生物群落調(diào)控，自動化釀造裝備，發(fā)酵控制關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品的現(xiàn)代化釀造，提高產(chǎn)品品質(zhì)，保障產(chǎn)品質(zhì)量安全。

綜上所述，食品生物工程領(lǐng)域的未來發(fā)展將圍繞食品營養(yǎng)和健康，提升食品工業(yè)科技水平，穩(wěn)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(biāo)，以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，以創(chuàng)新驅(qū)動為引領(lǐng)，著力提高供給質(zhì)量和效率，推動食品工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、膳食消費結(jié)構(gòu)改善，滿足小康社會城鄉(xiāng)居民更高層次的食品需求。