傳統與未來的碰撞：食品發酵工程技術與應用進展

張春月， 金佳楊， 邱勇雋， 范立強， 趙黎明

華東理工大學生物工程學院，發酵工業分離提取技術研發中心，生物反應器工程國家重點實驗室，上海200237

考古研究發現，在有文字記錄之前，人類就已經開始利用天然微生物來發酵食物，奶酪、面包、醬油、腐乳等形形色色的傳統發酵食品已伴隨人類逾千年。直至約三百年前列文虎克發明顯微鏡之后，人們才揭開了微生物和發酵過程的神秘面紗，自此，食品發酵方式從天然發酵向純種發酵邁進。1928 年后，青霉素的發現帶動了分子生物學等發酵工程支撐學科的迅速發展與融合，為現代發酵工程技術打下基礎。21 世紀初開始，信息技術和合成生物學的應用與整合促進了發酵工程技術的理念性變革，食品發酵也由“改良食品”向“創造食品”進階，食品生物工程步入了新的發展階段。近十幾年來，新一代食品生物工程關鍵技術的快速發展對于提升傳統發酵食品技術水平、擺脫傳統的手工作坊式生產，促進食品工業向規?；?、標準化、功能化發展，起到了重要的推動作用。

生物技術是支撐食品發酵工業轉型與發展的核心技術。生物技術在知識體系以及方法學上的每一步發展，都可能使得發酵工程中一些重要部分和核心內涵得以改變。比如宏基因組測序技術的發展使得揭示發酵食品中微生物群落的組成及變化成為可能[1]，多組學技術使得微生物代謝與食品品質變化的分子機制得以解析[2]，快速基因編輯技術更是實現了菌種的快速定向改良[3]。

食品合成生物技術使傳統發酵食品的生產發生了顛覆性的改變，在理性設計指導下，重組的微生物將獲得生產特定食品組分或營養化學品的能力。這種突破將顯著提升重要食品組分的合成效率，并且從“合成”的理念出發，還可能從分子水平上創造出真正的“未來食品”，用可持續的方式實現營養食品的生產。

信息技術的加持也是食品發酵工業高速發展不可或缺的重要元素。一方面，先進的統計方法、數據挖掘和機器學習，能夠用于微生物分類、性質及功能預測和理解微生物與食品體系的相互作用關系[2,4]。另一方面，集成了物聯網、大數據和云計算的先進模型及算法是智能過程控制裝備的靈魂。智能化控制系統和高效分離系統的搭建還要依靠高能傳感器和根據食品物料特性設計的分離單元操作等[5]。

從傳統發酵食品到未來食品，從食品的組分到食品的品質安全，從食品添加劑到酶制劑和益生菌，傳統食品技術向新一代食品發酵技術的變革使得發酵食品的營養性、安全性、多樣性、功能性和便捷性等都得到了提升，滿足了現代社會人們多元化、高品質的健康飲食需求；生物工程在未來食品開發領域的探索也將緩解由世界人口增長導致的食品資源緊張和環保壓力劇增等問題，與現代食品產業的綠色發展理念相融合。

本文首先對近十幾年來食品發酵工程技術的重大變革進行了討論，并重點介紹了利用合成生物學設計構建細胞工廠和智能制造兩方面的技術進展。隨后介紹了現代食品發酵工程技術的應用進展，包括改善傳統發酵食品品質、生產功能成分、開發未來食品等。并對新時代食品發酵工程的現有挑戰和未來發展趨勢進行了總結與展望，以期為食品發酵工程的技術革新和工業化應用提供參考。

1 食品發酵工程的技術進展

1.1 技術發展推動食品發酵過程多層面重構

傳統發酵一般直接采用當地自然環境中的混合微生物，原料多為五谷雜糧、水果蔬菜、肉禽蛋奶等，發酵過程完全依靠經驗。傳統發酵對于當地的特種微生物群落和發酵所需的自然環境高度依賴，發酵產品品質受氣候影響大，品質不均，因此難以在其他地區實現重復生產。由于對原材料的品質和發酵過程的管控不足，有的傳統發酵食品具有一定的安全隱患。比如用于腐乳和食醋釀造的紅曲霉，在代謝過程中可產生一種毒性與黃曲霉毒素相似的真菌霉素——桔霉素[6]；在酸菜、果酒、奶酪等發酵食品中，微生物脫羧氨基酸可能形成生物胺[7]；在醬油和米酒的釀造過程中會產生具有基因毒性和致癌作用的氨基甲酸乙酯[8]等。

為了增強傳統食品發酵流程的可控性、可持續性以及產品的安全性、營養性，借助現代生物技術、信息技術與工程裝備的革新發展，食品發酵的研究方法和發酵流程實現了多環節的優化重構（圖1），其中包括：原始菌群的分離鑒定、人工合成菌群、發酵食品中微生物代謝特性及功能解析、發酵過程的預測、發酵裝備智能化。

圖1 食品發酵研究手段與生產方式的多層面重構Fig.1 The multi-level changes in the research methods and manufacturing modes of fermented food

1.1.1 原始菌群的分離鑒定 微生物是食品發酵過程的支柱，人工合成菌群要以天然原始菌群為基礎。傳統的微生物富集培養分離方法周期較長且操作復雜、難以得到純種菌種。隨著技術的發展，流式細胞、免疫磁性顆粒分離、毛細管電泳、場流分離、高效液相色譜等技術被應用在發酵食品中的微生物分離分析，極大地提升了發酵食品中微生物的分離效率及效果[6]。在傳統流程中，菌種被分離出之后，對可培養的微生物通過顯微觀察、生化實驗等方法進行鑒定篩選，但培養條件要求苛刻的不可培養微生物無法獲得[9]。隨著生物技術的發展，很多新的方法被用于發酵食品微生物的多樣性分析，如宏基因組測序、擴增子測序、熒光定量PCR、限制性片段/末端限制性片段/擴增片段長度多態性分析等。這些技術不僅可以用于確定原始菌群的種類、數量，還適用于檢測微生物隨發酵進程的豐度變化情況[9-10]。

1.1.2 人工合成菌群 現代食品發酵所使用的菌群應具有性能好、可培養、重復性高等特點，因此需要構建人工合成菌群來代替天然菌群[10]。人工合成菌群可以通過對發酵食品中已鑒定的原始菌群進行改造、替換、組合或者刪減，也可以通過合成生物學手段引入新的菌種。

1.1.3 發酵食品中微生物代謝特性及功能解析 與傳統研究中簡單地研究微生物受溫度、pH、溶氧等發酵條件的影響相比，現代發酵工程引入了生物系統工程的全局理念，不僅解析微生物之間、微生物與環境的相互作用，還需確定不同微生物對發酵產品品質的影響。多組學技術的興起有助于微生物代謝途徑及產物生成規律的探索[2]。一旦通過代謝組學方法確定了相關及中間代謝物，就可以推測參與發酵產品的質量和風味形成的微生物種類，以實現發酵過程的定向調控，減少有害物質和雜菌的產生，提升產品風味，提高產品營養品質。

1.1.4 發酵過程的預測 通過對不同條件下的發酵階段進行多組學測定，可以獲得許多特設數據庫（ad-hoc database），結合高級的數理統計分析、數據挖掘和機器學習等手段，可對微生物群落的時空行為進行描述，并對發酵食品品質進行預測[2]。發酵過程的預測，不僅能夠省略試錯摸索階段直接提高發酵工藝效率，還能保證發酵食品的安全性和質量。

1.1.5 發酵裝備智能化 近年來，數字化設計和優化技術已廣泛應用于復雜食品體系以及多環交互的食品加工過程。在智能化食品發酵裝備的設計和開發中，圖像采集、傳感器網絡、智能機器人、智能化系統設計以及智能設備的利用，使得在線監測和調控成為可能——不僅能夠精準控制發酵條件，保證發酵程度，還提高了食品原料的自動化加工水平，極大地降低了加工能耗及成本。

1.2 食品合成生物學設計與細胞工廠構建

1.2.1 食品合成生物技術的內涵 21 世紀初，工程化思想與現代分子生物學、遺傳工程、系統生物學等多學科的融合，實現了對生物體進行精準設計、改造乃至重新合成，即合成生物學技術[11]。食品合成生物學是在傳統食品制造技術基礎上，利用合成生物學技術，對食品微生物的基因組進行設計、編輯和組裝，構建具有合成特定食品組分能力的細胞工廠，通過現代生物技術，生產人類所需的食品、食品組分和營養化學品[12]。

食品合成生物技術的出現，使得食品發酵途徑從“服從”食品微生物對食品的“改造”，轉變為“馴化”甚至“創造”微生物對食品進行特定的工作。為了實現這種轉變，需要“自上而下”的目標導向策略和“自下而上”的工程搭建策略同時發展[13]。首先，“自上而下”的目標導向指的是以生產具有某種特性的發酵食品或具有某種生理功能的食品組分為目標，鑒定參與目標物形成的底盤微生物及其代謝或合成途徑，進而對這些途徑進行優化或創建。鑒定參與產物生物合成的基因可以利用一些存儲已知代謝反應信息的數據庫，如KEGG、MetaCyc 和BRENDA。組學技術和計算生物學為候選基因的挖掘以及合成途徑的預測和設計提供了手段。確定了微生物的改造方案之后，就需要按照“圖紙”進行“自下而上”的工程“搭建”。進行搭建的基礎一是易于改造及適宜食品組分生產的底盤微生物，二是可用于建立通用模塊的標準化生物元件。

1.2.2 底盤微生物 食品發酵底盤微生物的選擇可以依據以下幾點：第一，已知該微生物本身善于或經過插入酶基因即可生產某種產物，如谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）適宜于氨基酸的生產，解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）適宜于脂質化合物（如脂肪酸）的生產；第二，該微生物易于被合成生物學工具改造，如最廣泛應用的原核生物底盤大腸桿菌（Escherichia coli）以及原核生物底盤酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）；第三，盡管歐洲或其他國家對于大腸桿菌等非食品安全級宿主發酵生產的一些產品（如人乳寡糖成分巖藻糖基乳糖、乳糖-N-新四糖等）持開放態度[14]，但食品發酵生產中使用食品安全級別的宿主（如具有GRAS 認證或國標GB2760 認證）仍然很有必要，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、酵母菌、谷氨酸棒桿菌等都是食品行業中成熟應用的底盤微生物，應用于這些食品安全型菌株的合成生物學工具仍需加速開發；第四，由于工業化食品發酵多為大規模生產，并且很多食材本身的價格并不高，因此需綜合考慮原料成本和發酵流程，選取能夠利用廉價底物且快速生長的底盤微生物；此外，酶的表達能力、產物的外排水平和耐受力等也是需要考量的指標。

1.2.3 生物元件及模塊優化 合成生物學的基本元件庫中除了基因編碼序列、啟動子、終止子、核糖體結合位點、調控小RNA 分子等基礎元件外，還包括基因間序列元件、DNA 位點標簽元件、RNA 適配子元件等新型元件，這些元件被形象地稱為“生物磚”（biobricks）[15]。近年來快速發展的高保真、長片段、高通量、低成本DNA 生物合成技術大大提高了“生物磚”的制備效率。標準化裝配的“生物磚”需具備一定的標準接口，如特定的酶切位點，這樣生物組件之間就能以標準的方式連接組合，通過簡單的手段，被裝配為復雜系統，以獲得工程化的細胞工廠。

根據合成生物學中構建高效細胞工廠時通 用 的 設 計 - 構 建 - 測 試 - 學 習 循 環（design-build-test-learn cycle, DBTL cycle，圖 3）思維的指導[16]，在理性設計并構建出食品分子的合成途徑之后，需要靶向測試目標產物在底盤細胞中的合成效率，然后精確調控代謝網絡，實現“從有到優”的突破。在此循環中，可利用CRISPR-Cas系統對基因組進行重建，利用蛋白質工程改善關鍵酶的特性，利用合成支架、模塊化工程和遺傳回路等手段調控代謝通量，利用機器學習技術對路徑進行預測及優化，這些新興技術都將促進高效細胞工廠的構建，提升重要食品功能產品的合成效率。

圖3 合成生物學中的設計-構建-測試-學習循環Fig.3 The design-build-test-learn(DBTL)cycle in synthetic biology

1.2.4 合成生物學應用于食品發酵的重大意義 合成生物學的興起對于食品發酵工業產生了多方面的深遠影響。在原料方面，廉價的原料可以通過細胞工廠的加工轉化為有價值的目標產品，底物范圍更加多樣，可以實現可再生原料或低值原料的高值利用。在過程方面，食品合成生物學能夠改變傳統的發酵食品生產方式，通過使用程序化的單克隆細胞工廠、工程化的微生物聯合體或無細胞生物合成平臺來改進食品生產，有可能在提高資源轉化效率的同時，擺脫傳統農牧業的弊端[3]。在產物方面，合成生物學可以通過創建半合成微生物群落來控制微生物的組成和生產能力，以重新設計傳統的發酵食品生產，從而生產新穎的產品或避免合成有毒的副產品[8]。除了用于改善傳統發酵食品和傳統發酵產物如氨基酸、有機酸的制造方式之外，合成生物學還為功能性食品配料和功能營養因子的生物制造提供了關鍵技術和方法支撐。

圖2 食品發酵生產中常用的底盤微生物及其功能特性Fig.2 The chassis microorganisms commonly used in food fermentation and their functional characteristics

1.3 食品發酵的智能化進程

目前，我國是食品發酵領域的制造大國，但非制造強國。與先進跨國企業相比，生產鏈條智能化程度不足是限制我國食品發酵行業向中高端邁進、建設成為制造強國亟需解決的問題。本小節將從信息技術、過程控制、分離工程三個層面介紹近年來食品發酵工程的智能化進程。

圖4 食品發酵多環節的智能化進程Fig.4 The intellectualization progress of food fermentation in multiple sectors

1.3.1 信息技術加強微生物分析 信息技術是驅動微生物細胞工廠創制及智能發酵技術創新的重要推動力，是貫穿智能制造的“靈魂”所在。先進的統計方法和數據挖掘技術，如機器學習、計算模擬等，是理解發酵微生物生態系統的前沿解決方案：包括將微生物分類、挖掘微生物群落的結構和動力學、預測其功能及特征代謝流、揭示微生物間相互作用等[4]。這些技術能夠將特征網絡信息與部分已知的網絡相結合，利用機器學習算法查找潛在的關聯，獲取特定時空、發酵環境及生態群落環境下的微生物行為[2]，為從天然微生物中篩選出工業菌種及工業菌種的改造提供依據。研究表明，發酵食品的攝入對腸道菌群的結構有著微妙而持久的影響[17]。因此除了發酵微生物，數據挖掘和機器學習等技術已廣泛應用于分析預測發酵食品對于腸道微生物的影響研究中[18]。

隨著系統性的微生物研究以前所未有的規模開展，數據資源也日益積累，眾多核心數據庫得以建立及充實，例如：為優化完善地球微生物多樣性描述的地球微生物組計劃EMP（http：//www.earthmicrobiome.org），世界上最大的公民科學微生物組項目機構Microsetta Initiative 為繪制人類腸道微生物圖譜建立的數據庫（https://microsetta.ucsd.edu/），全球酵母項目（http://robdunnlab.com/）等[19]。這些數據庫的建立為大眾提供了用于微生物組分析的寶貴數據，還使得公眾均可以記錄下傳統/手工發酵過程中的典型微生物，并研究食用發酵食品與腸道菌群之間的關系。信息技術除了架起天然微生物-發酵微生物、發酵食品-腸道微生物之間的橋梁，還是實現智能發酵和智能分離的核心。

1.3.2 智能過程工程 ①食品發酵過程中目標物質的在線監控。隨著自動生產線的大規模應用，智能食品發酵過程的重點已從生產流程上的自動加工、分揀、灌裝等轉移到了食品發酵過程中目標物質的實時在線檢測及控制。針對食品物料體系成分復雜、目標物質含量波動范圍大、固體/半固體物料分布不均等特點，需利用多種聲、光、電及傳感手段，通過計算機視覺系統和機器學習建立定量分析模型，實現在線實時的非接觸、無損、快速、精準檢測。比如為了控制紅茶的產品質量，Zhu等[20]開發了一種檢測紅茶發酵程度的快速方法，用測量電感（L）、電容（C）和電阻（R）的LCR儀確定發酵過程中茶葉的11 個電特性參數，并利用機器學習算法將電參數作為紅茶發酵程度的指標。同樣為了自動監測紅茶發酵過程，Jin 等[21]結合傅里葉變換近紅外光譜（FT-NIR）和計算機視覺系統（CVS），實現了紅茶發酵度的準確預測。Bowler 等[22]利用超聲波測量結合機器學習算法預測啤酒發酵過程中的酒精濃度，使啤酒發酵的監控手段由傳統的定期采樣和離線分析轉變為在線實時監控。除了利用聲、光、電信號外，電子鼻和電子舌等在線傳感器也是對食品發酵進行實時評估的有效手段，且檢測快速、操作簡單、成本相對低廉，具有廣泛的應用前景[23]。

②以生物反應器為發酵場所的過程優化。許多功能食品組分、食品添加劑及食品酶制劑都以發酵罐為代表的生物反應器作為主要發酵場所。近年來發展出了許多發酵過程多尺度優化控制的新策略，包括多尺度理論與裝備、細胞宏觀代謝在線檢測傳感技術以及生理代謝參數相關分析等[24]。要對工業規模生物反應器中的發酵過程進行優化，往往需要先在微小型反應器中模擬，進行發酵過程的縮放（scale-down），在縮放模擬反應器中，可以利用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）模擬大規模反應器內細胞所經歷的流場環境，即細胞運動軌跡，用于深入了解工業規模發酵過程中流體動力學和代謝動力學之間的相互作用。結合過程縮放實驗所獲取的實驗數據能夠更有效地實現高效理性放大（scale-up）。

應納所得稅=182 725 522.88×25%=45 681 380.72 元。 則母子公司總交稅=3 250 000 000-45 681 380.72=3 204 318 619.28 元。

細胞在波動環境中的生理代謝調控和產物合成動態調控機制是活體細胞代謝過程中的核心問題，因此應結合多組學數據揭示深層次的代謝調控機理，并在生物制造過程中，建立細胞生理代謝特性的在線檢測系統，用以感知細胞代謝過程。在線活細胞傳感儀、在線顯微細胞傳感儀可在線測定活細胞濃度、觀察細胞形態變化，以實現細胞生理代謝變化監測，指導營養物質流加反饋；在線過程質譜儀可對尾氣組分在線精確分析，獲得呼吸代謝生理參數，指導發酵過程控制策略[25]。在獲得海量的過程參數變化信息后，應利用深度學習、數據挖掘等算法對過程大數據進行智能分析、診斷與精確控制。建立遠程數據服務器，架構現代化企業工廠與終端移動設備之間的信息化橋梁，也是實現發酵過程實時、遠程、在線監控的技術需求。

1.3.3 智能分離工程 在使用細胞工廠發酵生產食品組分或添加劑時，產品的分離純化是發酵產品生產的重要步驟，直接影響產品的質量，且占到整個發酵成本的20%以上[10]。區別于其他化工分離過程，食品分離工程必須根據食品物料的特性和食品衛生安全要求，設計和調控分離設備和系統過程；需要精準的流程設計和過程預測，以確保在實現分離提取目的的同時，最大程度地保留食品的營養、風味等食品品質特質。近年來，食品分離工程相關的實驗科學和計算科學快速發展，在眾多食品分離方法中，以膜分離和色譜分離的技術及工程研究最為集中。在膜分離實驗技術中，研究主要集中于新膜結構設計[26]、膜材料合成與改性[27]、膜技術與其他分離技術聯合應用[28]、過程控制與優化等方面。在膜材料研究中，膜單體（PTFE、PP、PE、PVDF、PES、CPVC）的選擇、聚合交聯形式、膜的合成與改性、分離機理研究和膜污染控制是其基礎部分[26]。在此之上，基于流場[29]和分子模擬[30]的數值計算工作也被特別關注，來提升和輔助新膜的設計。膜分離技術常與其他分離技術（如色譜、結晶）聯用來進一步提升分離效率。在色譜實驗技術中，研究主要集中于新固定相的研究與合成[31]、分析檢測技術串聯[32]、多柱色譜模式及其過程控制優化[33]、分離機理拓展研究[34]。數學建?？梢愿M一步地解釋實驗科學中觀測到的現象，是未來實現食品分離自動化和智能化的基礎。目前關于數學模型的研究主要集中于模型校正[35]、模型選擇[36]和模型預測[37]，其中以上每一部分的工作都涉及模型的數值求解，可以輔助實驗科學進行更好的設計。

2 食品發酵工程的應用進展

現代發酵工程不僅能夠改善食品營養價值，賦予食品獨特的感官品質和更長的保質期，同時還能夠用于生產各種食品功能成分甚至未來食品，以下將對現代食品發酵工程的主要幾大類產物進行介紹。

2.1 改善傳統發酵食品的品質和安全性

一些傳統發酵食品在品質和安全性上仍需提升，生物技術即為傳統發酵食品升級換代的最有力工具。如在過去的25 年中，優質起泡酒的生產在很大程度上得益于生物技術的發展。在起泡酒的陳化過程中，酵母會發生自溶，從而釋放出許多細胞壁和細胞質成分，這些物質對起泡酒的質量和風味形成十分關鍵。Garofalo 等[38]通過對葡萄表面的天然酵母進行完整多相表征，并檢測發酵過程中揮發性化合物的生成，為起泡酒量身定制了基因型及表型的篩選策略，為一次發酵和二次發酵的發酵劑選擇及工藝控制提出建議。酶處理和對篩選出的酵母進行固定化處理也對起泡酒的品質起到了明顯的提升作用[38]。

圖5 現代食品發酵技術的應用及優點Fig.5 The applications and advantages of modern food fermentation technology

醬油和米酒的釀造過程中可能會產生2A 級致癌物氨基甲酸乙酯[8]。醬油釀造中的氨基甲酸乙酯主要是由乙醇和前體物質瓜氨酸自發反應生成的，而瓜氨酸是由精氨酸經過三個酶促步驟合成的。因此，為了減少精氨酸向瓜氨酸的轉化，Zhang 等[39]從醪糟中分離出了一種能夠大量消耗精氨酸的耐鹽菌株芽孢桿菌JY06。發酵過程中添加該菌株在保持良好風味的同時甲酸乙酯的含量顯著降低。米酒中的甲酸乙酯則主要由乙醇和尿素自發合成，Wu 等[8]通過在釀酒酵母中過表達DUR1、DUR2（編碼尿素酰胺分解酶，可將尿素降解為氨）和DUR3（編碼尿素滲透酶）來創建半合成微生物群落，與使用原始微生物群落相比，使用半合成微生物群落發酵出的米酒中氨基甲酸乙酯的生成量分別減少了87%和15%。

2.2 生產功能食品和食品功能成分

功能食品因其調節人體生理功能的作用而廣受關注，其傳統生產方法主要是從植物或動物組織中提取。近年來，發酵也成為生產功能食品的重要手段，酵素就是目前市場上廣受歡迎的發酵型功能食品。數據統計，目前全世界食用植物酵素產量高達百萬噸，銷售額達30 億美元[40]，已成為發酵食品行業的熱點之一。 T/CBFIA 08003-2017《食用植物酵素》標準規定，食用植物酵素（edible plant source jiaosu）是以植物為原料，由微生物（酵母菌、乳酸菌等）發酵制得的含有特定生物活性成分可食用產品。植物酵素中含有多種活性成分，如酶類、花青素、有機酸、黃酮、多酚、氨基酸等[41]。酵素的發酵可分為自然發酵和人工接種發酵兩種。酵母菌、乳酸菌和醋酸菌為自然發酵中的常見微生物，但為了在發酵過程中快速行成優良的微生物生態，抑制其他雜菌繁殖，促進發酵代謝過程中特定活性物質和風味產物的產生，人工接種篩選過的優異菌種（常用的有乳酸菌類、酵母菌及其復配菌）近年來在酵素生產中越來越普遍[42]。

除了發酵獲得功能食品，多種食品功能成分，如寡糖[43]、萜類化合物[44]和類黃酮[45]等也實現了生物合成。近十年來,人乳寡糖的生物合成受到了全球的廣泛關注，人乳寡糖是母乳中含量第三高的營養成分，作為益生元在嬰兒腸道中促進有益菌群的生長，對嬰兒的生長發育具有非常重要的作用，在嬰兒配方食品、膳食補充劑等領域具有廣闊的應用前景。目前人乳寡糖生物制造主要使用大腸桿菌作為底盤微生物[46]，同時，探索無抗生素大腸桿菌[47]、枯草芽孢桿菌[48]、釀酒酵母[49]、解脂耶氏酵母[49]等更為安全的底盤微生物來生產人乳寡糖也逐漸成為研究熱點。

2.3 生產食品添加劑和酶制劑

氨基酸、淀粉糖、有機酸、糖醇、酶制劑等發酵產品都是重要的食品添加劑。目前，我國大部分的氨基酸產品都已實現國產化，并逐步使用生物合成替代化學合成，并實現了水解提取法。我國的有機酸行業通過使用自動化生產技術、連續色譜分離等高新技術，各項生產工藝參數得到優化，以檸檬酸為例，我國檸檬酸行業的平均產酸率由2015 年的15.86%提高到了2020 年的17.58%，產量占全球產量的80%以上[50]。糖和糖醇產品方面，通過開展技術改造，提升工藝水平，赤蘚糖醇、抗性糊精、聚葡萄糖等具有極高的經濟價值和營養內涵，且具有自主知識產權的產品在我國陸續研發投產。同時，食品酶制劑已經普遍應用于提高食品原料利用效率、改進食品風味和安全性等。近年來，傳統的動植物性來源的食品酶被微生物來源及通過生物工程改造的工程酶所替代[51]，隨著結構生物學和計算生物學的發展，酶分子的理性設計成為酶工程領域的重要研究內容以及獲取高效酶的有效手段，為食品合成生物學提供了重要工具。

2.4 創制未來食品

2.5 開發新型益生食品

很多傳統發酵食品，如酸奶、泡菜中包含多種益生菌和益生元成分，因此，發酵食品是益生菌進入人體的優良載體。近年來，傳統的益生食品也向著規?；?、多元化、定制化的方向發展。以發酵乳制品為例，2018 年，我國乳制品市場中發酵乳銷售額首次超過牛乳，消費規模占國內益生菌整體市場的78.4%，益生菌發酵乳產品已形成千億元的龐大市場[56]。除了被廣泛認可和應用的傳統益生菌，如雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、乳桿菌屬（Lactobacilllus）、乳球菌屬（Lactococcus）等外，阿克曼菌（Akkermansia）、解木聚糖擬桿菌（Bacteroides xylanisolvens）、脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）等具有大劑量使用時增進健康、緩解疾病的功能，被稱為“下一代益生菌”[57]。不同的益生菌本身和其生物活性代謝物具有多種生理功能，除了改善腸道環境外，還對血壓、血糖、過敏、視力等方面發揮作用。我國的科研團隊致力于開發適用于中國腸道環境的新型益生菌種及益生食品[58]。除發酵乳制品外，充分利用果蔬資源中多糖、果膠、花青素、多酚類化合物、膳食纖維、黃酮類化合物等益生元，制備含有活性益生菌的果蔬汁及其發酵飲品等技術逐漸得到了推廣和應用[59]。

3 食品發酵產業面臨的挑戰

3.1 全球范圍食品發酵產業發展面臨的挑戰

隨著生物技術的進步及合成生物學的出現和發展，食品發酵工程在近十年發生了革命性的進步，發酵產品從種類、品質、產量到功能都得到了顯著的提升，但現代食品發酵工程高速發展的同時也應考慮可能的自然和社會風險。

2019 年發表在《科學》期刊的綜述文章提出：人體內微生物群落在人的健康中扮演著重要的角色，但是食品殺菌等許多旨在殺死或限制致病性微生物的措施，對人體內尤其是腸道內的微生物生態系統造成了難以預測的、甚至包括一些難以逆轉的變化，這些變化可能對生活在工業化社會中人們的健康產生不利影響[60]。傳統的發酵食品原本是人們安全地接觸微生物的方法，以補償在嚴格控制的食品工業化加工后微生物的損失[18]，但由于食品發酵過程的標準化程度不斷提高，天然的微生物群被篩選或改造過的底盤微生物替代，生物多樣性大大降低，很多用于維持整個發酵食品微生物生態系統穩定性的“非功能性”微生物丟失。這不僅會影響發酵食品風味的塑造，長久來看，更會對人類腸道微生物系統造成不利影響。因此，如何在人工建立“功能性”微生物社群的同時，包容性地保留食品固有的微生物多樣性是食品發酵發展面臨的重要挑戰。

從社會角度考慮，現代食品發酵工業的發展還需考慮到一些發展中國家的現實狀況。在一些國家，傳統食品發酵生產為當地提供了很多就業機會，是當地重要的經濟來源。一旦這些產品被合成生物學大規模發酵出的產品所替代，將極大地危害到傳統生產者的利益[61]。

在一些發展相對滯后的地區，發酵食品是當地人重要的營養來源，且食品的發酵即使在冷鏈保藏條件下也無法長時間儲存。因此，如何利用發酵過程降低食物中的抗營養因子成分以提高發酵食品的生物利用度，以及如何在衛生狀況差、無過程控制的條件下保證發酵食品的安全性，都是全球范圍內需要面臨的挑戰[2]。

此外，人造肉等新型的未來食品還面臨著監管、政策制度和市場接受度等一系列挑戰。由于擁有生物制品及食品雙重身份，市場需為未來食品“量身打造”監管政策及管理方法，只有安全監管與政策完善才有利于新興產業的健康發展。另外，大眾仍對“人造食品”存在安全性方面的擔憂，如何增強公眾對新食品新成分的接受度也是食品發酵產業未來發展進程中必須面臨的挑戰。

3.2 中國食品發酵產業發展面臨的挑戰

我國是發酵工業大國，檸檬酸、谷氨酸和維生素C 等多種大宗發酵產品的產量均列世界第一。近年來，我國發酵工程技術水平和生物發酵產品產量都在持續增長。但我國的食品發酵產業發展也面臨著諸多挑戰。

3.2.1 菌種的研發和保護不足 我國高水平工業菌種的研發能力不強，缺乏龍頭企業和科研院所的攻關合作，且知識產權保護意識不強，導致我國微生物菌種核心專利在全球的占比較低，嚴重受制于國外企業的知識產權封鎖。

3.2.2 生產鏈條智能化程度低 智能制造是未來制造業的核心趨勢，我國食品發酵生產鏈條的智能化程度仍然較低，關鍵裝備和技術分析軟件依賴進口。

3.2.3 高端產品占比低 我國的生物發酵產品仍以大宗常規產品為主，高純度高附加值的精深加工產品仍然大多依靠進口，下游生產鏈的分離純化技術是“卡脖子”的難題。如何優化產業結構，提高集成化、連續化分離純化技術裝備水平、增大高端產品比重，是我國發酵行業轉型發展亟待解決的問題。

3.2.4 產學研融合不夠深入 雖然我國已建立了眾多的技術創新平臺，用以整合資源，支撐技術創新，但科研院所的研究內容與企業需求和國民經濟的發展需求仍存在嚴重的脫節現象，實際的應用轉化率較低。另外擁有創新能力和專業視野的技術和管理人才儲備不足。

3.2.5 市場準入難、法規標準修訂滯后 由于法規標準修訂制度落后，審批周期長，很多在國際上經過長期生產實踐已證明其安全性和必要性的產品，在我國卻難以進入市場。我國現有的標準體系不適用于生物技術新產品的評價，一定程度上阻礙了行業的創新發展。

3.2.6 節能減排壓力大 隨著綠色制造方針的貫徹落實，我國對發酵產業節能減排的要求越來越嚴格。由于發酵行業對原料、能源和水資源的依賴程度較高，因此企業在提高資源利用率、優化產業結構和增大環保投入等方面的壓力增大。

4 展望

食品發酵工程的未來發展方向將以食品合成生物學為科學基礎，各類組學作為關鍵技術，智能化裝備作為生產載體，對資源進行綠色利用，提升發酵加工效率，提高食品品質和安全性，并最終實現食品營養的精準化和個性化供給。重點發展基于大數據、機器學習、工業機器人等技術的新模式、新裝備，用于傳統食品生產過程的多尺度優化，打造綠色食品發酵新流程。未來將通過挖掘、篩選和改造傳統發酵菌種或靶向性地打造新型細胞工廠來優化工程菌株。通過融合借鑒傳統發酵工藝，設計并構建能夠感知食品發酵過程中目標分子且適用于固體或半固體狀態食品發酵過程的高性能傳感器，實現對產物積累和發酵菌株代謝特性參數的實時準確檢測；并通過整合智能化過程控制技術和下游的智能分離純化技術，形成集成了智能傳感、發酵過程數據智能分析與診斷、精準控制與分離的生物反應器。構建高效節能、綠色環保、柔性精準的智慧工廠，實現傳統食品發酵工程的現代化、標準化、規?；椭悄芑镄隆?/p>