營養化學品的生物制造研究進展

王南凱，龔勁松，史勁松，許正宏*

（1.江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心，江蘇 無錫 214122；3.江南大學 生命科學與健康工程學院，江蘇 無錫 214122）

營養化學品制造產業是我國大健康產業的重要組成部分，不僅代表了我國制造工業的技術發展，也體現了國民經濟的綜合水平。2017年10月，習總書記在十九大報告中提出健康中國的發展戰略，指出人民健康是民族昌盛和國家富強的重要標志，要完善國民健康政策，為人民群眾提供全方位全周期健康服務。《“健康中國2030”規劃綱要》中也明確提出，到2030年我國健康產業規模將突破16萬億元，這些都標志著我國營養化學品制造也將隨著大健康產業的發展共同進入一個新紀元。

目前，西方發達國家的營養化學品產業主要由相關行業巨頭占據市場主導地位，如美國杜邦、聯合利華、德國巴斯夫、荷蘭帝斯曼、日本味之素等[1]。雖然我國是營養化學品制造大國，但制造技術仍不及發達國家，品種仍較為傳統單一，大部分產品的產量低于行業平均水平。為了滿足人們對健康和生活品質的需求，迫切需要推進我國健康產品制造業的發展。以合成生物學、人工智能等學科的發展為契機，隨著基因編輯、生物信息學等生物制造產業相關技術的不斷更迭，我國營養化學品的生物制造也將迎來新的機遇。通過產業技術升級，推動我國營養化學品制造由大國向強國跨越，見圖1。

圖1 營養化學品的生物制造Fig.1 Biomanufacturing process of nutritional chemicals

1 營養化學品制造的發展態勢

1.1 全球營養化學品的發展態勢

營養化學品一詞是由功能性食品演變而來的，最早起源于19世紀90年代的日本，當時在許多國家營養化學品飽受爭議，并且只是將其規范化而沒有合法化[2]。隨著生命科學的發展，在營養化學品的類、質和量這三個維度上，人們逐步有著更深入的認識。目前各國的食品管理局，如美國的食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）、歐盟的歐盟食品安全局 （European Food Safety Authority，EFSA）、中國的國家食品藥品監督管理總局等都對營養化學品的研發、生產、宣傳和銷售進行嚴格的管控。

自2019年底的新冠疫情發生以來，各國的隔離政策使得人們的消費方式和健康觀念發生了較大轉變，大部分人會選擇網購營養化學品，如維生素類、氨基酸類、功能糖類、植物營養素等，以期提升機體免疫、增加對新冠病毒的抵抗力，這就導致了營養化學品類的產品需求急劇增加。

1.2 我國營養化學品的發展態勢

營養化學品在我國的研究發展已經從成分推斷型、臨床表象型進化到了機理研究型。此類產品主要是在21世紀初在我國出現，是研究有效分子的功能結構、含量和藥理學機制，并保持其有效成分在產品中的穩定性[3]。

我國的營養化學品發展較發達國家落后，主要是由于我國的消費和生活觀念與發達國家不同，而且營養化學品的研發生產費時費力費錢，從而導致該行業的發展較為緩慢。隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視生命健康，導致國內的營養化學品類的產品供不應求，這也引起了國內營養化學品從業者和企業的重視，推動了產業發展。

1.3 傳統營養化學品制造工藝的發展現狀

目前大部分營養化學品的傳統生產方式主要是天然提取或化學合成，但都有不足之處。由于天然動植物中的營養成分含量都較低，且提取成本較高，因此難以進行規模化工業生產；化學法合成容易進行放大，但反應步驟中涉及較多的強酸強堿或有毒試劑，對環境極不友好，而且需采用高溫高壓的反應條件。

生物產業作為國家戰略新興產業，有助于推進營養化學品的生產制造。利用微生物以生物基原料發酵生產目標化學品，具有產量高、成本低、安全性高、綠色環保、節能減排等特點，且目標產品被視為“天然的”，是目前最具競爭力的生產方式。同時，合成生物學、人工智能等新技術的引入將推動營養化學品的蓬勃發展[4]。

2 生物技術在營養化學品工業化中的機遇

2.1 生物信息學

生物信息技術是一種綜合技術，包括了生物信息的廣泛獲取、處理加工、分類存儲、利用分配、分析解釋等，并利用數學、計算機科學和生物學等來解釋所得數據的生物學意義。隨著基因工程、多組學和信息技術的迅猛發展，大量生物信息被公開，對構建環保高效的營養化學品生物制造體系具有重要推動作用。

目前生物信息學技術更注重的方向是生物基因數據整合、組學分析比較（如轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、通量組學、空間組學等）、微生物代謝網絡模型分析、基因表達譜網絡分析等，這些都在營養化學品生物制造方面有著廣泛的運用[5]。這些技術的基礎就是數據，獲取這些數據的網站有很多， 比 較 典 型 的 如NCBI（National Center for Biotechnology Information）、KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）、SIB（Swiss Institute of Bioinformatics）等。科研工作者一般會選擇利用這些公共數據庫來獲取所需數據，根據這些數據進行分析，設計下一步的實驗，如可以通過NCBI找到合成某些營養化學品的關鍵酶的信息，或利用KEGG找到合成某些營養化學品的代謝途徑等，對于營養化學品的早期開發起著關鍵的作用。

2.2 基因組編輯技術

隨著基因組測序和合成生物學技術的迅猛發展，基因組編輯技術已得到廣泛應用，并有望成為營養化學品生物制造領域的主流技術之一。基因組編輯是一種重構微生物代謝網絡的策略，通過生物信息學得到目標細菌或細胞的代謝網絡，分析其代謝網絡，找到關鍵目標基因或缺失基因，進行敲除或敲入操作。根據基因編輯機制的不同，可分為以下3種方法：1）鋅指核酸酶編輯系統（Zinc-Finger Nucleases，ZFNs），這是一種能與特定DNA序列結合，并含有FokI非限制性內切酶結構域的融合蛋白質[6]；2）類轉錄因子核酸酶編輯系統（Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALENs）是將能識別特定DNA序列并結合的類轉錄因子與FokI非限制性內切酶結構域融合，這種系統具有高效性、高度精確性和可控性，但操作復雜，是較為常用的基因編輯系統[7]；3）成簇規律間隔短回文重復序列編 輯 系 統 （Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）是由Cas核酸內切酶和向導RNA組成，由向導RNA與Cas蛋白質配對并識別DNA上的PAM序列，然后進行基因編輯工作，該方法操作簡單，但脫靶效率較高，是目前廣泛運用的基因編輯手段[8]。

2.3 系統代謝工程策略

系統代謝工程是通過改造微生物菌株來高效合成化學品或材料的手段，它將傳統發酵與系統生物學的工具和策略、合成生物學和進化工程進行融合。自1991年以來，利用系統代謝工程技術開發的微生物生產的營養化學品已達數百種，而且其中部分品種已可以達到工業水平[9]。雖然人們在系統代謝工程領域已經取得了巨大進展，但系統代謝工程項目在其初始研發階段往往沒有考慮工業規模生產中出現的實際問題，因此仍有必要通過提升菌株各方面的性能使生物制造工藝在與傳統制造工藝的競爭中能脫穎而出。

系統代謝工程的策略主要為宿主篩選、代謝途徑重構、代謝流優化、提高宿主的目標耐受性等。目前工業上最常用的模式菌株主要是大腸桿菌和釀酒酵母，有關這兩種菌株的代謝和生理研究較為深入。利用野生菌自身優勢生產營養化學品，如獸疫鏈球菌可生產透明質酸，棒桿菌適用于氨基酸的生產，暗紅球菌可生產脂質、脂肪酸及其衍生物等。選擇合適的宿主是生產營養化學品的第一個關鍵要素。在利用微生物進行生物制造的過程中，常常會生產一些非菌株代謝的化學品，所以需要在菌株里構建一條新的代謝通路以達到生產目標化學品的目的。但是成功構建異源表達的代謝通路障礙較多，如酶的挖掘和表達、競爭途徑的資源爭奪、反饋抑制的影響和轉運系統的識別等等。隨著合成生物學和計算生物學的興起，使得設計新的和特異性的代謝途徑更為容易。代謝流優化是在代謝途徑重構的基礎上對底盤細胞和異源代謝途徑進行改造以合理分配固定的資源，使目標產物的產量能達到峰值，其主要策略有表達元件工程、輔因子工程、轉錄因子工程、模塊化工程、轉運系統工程、支架結構工程等[10-15]。此外還可以通過適應性進化提高菌株的目標耐受性，使菌株更容易在特定的情況下生長以維持菌株的生產能力。

2.4 酶工程技術

酶是一種具有生物催化功能的生物大分子，是催化反應的天然解決方法。但是天然的酶通常存在一些性能不足，難以滿足特定營養化學品的工業化生產要求[16]。近年來，酶工程技術也在不斷發展，改造酶的方法層出不窮，如定向進化、半理性設計和理性設計，使酶工程成為滿足目標產物代謝途徑要求的有力工具。

酶工程應用于營養化學品生產的主要研究內容為：1）提高酶的催化效率[17]，以避免酶活過低需要過量表達導致占用較多資源、對細胞產生一定的毒性和產生包涵體等問題；2）改變酶的底物譜和產物譜[18]，酶的底物或產物特異性會限制酶在生產中的運用，同時底物或產物的多樣性會增加下游純化的成本；3）提升酶的抗反饋抑制能力[19]，當代謝途徑中的中間體或產物不斷積累時，可能會造成其中一些酶的反饋抑制，致使產量達到瓶頸；4）改造酶的穩定性[20]，工業生產往往需要穩定性較好的酶產品，根據不同產品線的需求，可改造酶對溫度、有機溶劑、底物濃度、pH等的穩定性，以達到產量最大化。這些特性是生物催化生產營養化學品的核心。

3 生物制造技術在各類營養化學品生產中的應用

3.1 功能糖類

功能糖化合物是一類生物大分子，在自然界中廣泛存在。隨著生命科學的不斷發展，發現不同寡糖類分子在臨床上顯示出了多種的生理活性，如抗氧化、抗炎癥、免疫調節等，因此有了功能糖的概念[21]。由于功能糖對人體健康具有一定促進作用，所以在營養化學品領域受到特別關注。

目前國內外也有很多團隊將生物制造技術運用于功能糖的生產，包括透明質酸、硫代軟骨素、唾液酸等，這些都是具有代表性的功能糖類營養化學品，而他們的原生產工藝基本都是采用動物提取或傳統的化學合成，這些方法成本高、效率低，不適用于批量生產，生物制造方法已表現出一定的市場競爭力，但工業規模的復雜性、步驟繁多以及產物純化成本高仍是目前的限制性因素。

3.1.1 透明質酸透明質酸是一種由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸組成的高分子多聚糖，根據透明質酸的相對分子質量的不同而具有不同的功效，一般相對分子質量小于10 000的透明質酸可用于抗炎癥、抑制腫瘤和促進纖維組織細胞的生成等。清華大學于慧敏教授團隊[22]識別了透明質酸生物合成通路中的5個合成透明質酸的關鍵酶（HasA、HasB、HasC、HasD和HasE），在谷氨酸棒桿菌中對這5個酶進行組合并過表達，從8種組合中篩選出分別過表達HasA-HasB和HasA-HasB-HasC可有效提高透明質酸的產量；為了進一步提高產量，他們將宿主的乳酸脫氫酶基因（ldhA）進行敲除，最后發現敲除后的宿主過表達HasA-HasB獲得的透明質酸滴度最高（21.6 g/L）。該團隊利用了生物信息學、系統代謝工程和基因工程等手段大幅提高了透明質酸的產量，比傳統利用獸疫鏈球菌的發酵產量增加約3倍。

3.1.2 硫酸軟骨素硫酸軟骨素是典型的一種硫酸化糖胺聚糖，廣泛存在于哺乳動物的骨骼、皮膚、軟骨和神經等組織中，可用于輔助治療關節炎類的疾病。江南大學康振教授團隊[23]開發了一種有效的硫酸化修飾系統用于制備硫酸軟骨素（CSA），先利用分子伴侶將軟骨素4-氧硫酸轉移酶（C4ST）的可溶性表達量提高了約30倍；并在催化過程中加入甘油以提高芳基磺基轉移酶（AST）的穩定性來生產前體3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸（PAPS）；用連接肽和蛋白質支架將C4ST和AST組裝成復合酶的形式與PAPS在空間上更接近，提升了催化效率；最終滴度為15 g/L，轉化率高達98%，這項研究將合成生物學與生物催化相結合提升硫酸軟骨素產量，拓寬了新型生物制造技術在營養化學品工業化生產中的應用。

3.1.3 唾液酸唾液酸是一種氨基九糖類化合物，其主要形式N-乙酰神經氨酸被廣泛用于促進嬰兒大腦發育、抗流感、抗菌、抗腫瘤等，不僅是一種重要的營養化學品、也是抗病毒藥物的前體。山東大學王倩教授團隊[24]以葡萄糖為碳源，通過代謝工程和基因工程的方法有效解決了前體——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）供應低的問題。首先他們比較了不同來源的唾液酸途徑酶，成功在大腸桿菌中構建了唾液酸的生物合成途徑；該團隊過表達了唾液酸合成酶（NeuB）、乙酰葡萄糖胺異構酶（AGE）、六磷酸葡萄糖胺合成酶（GlmS）和磷酸葡萄糖胺N-乙酰基轉移酶（GNA1），并且為了解決NeuB和AGE酶活低的問題，他們還考察了唾液酸合成酶基因（neuB）和乙酰葡萄糖胺異構酶基因（AGE）的核糖體結合位點RBS以提高轉錄效率；最后敲除了代謝PEP的檸檬酸合酶基因（gltA）和丙酮酸激酶Ⅱ（pykA），以提高前體PEP的供應，使得搖瓶發酵的滴度達到16.7 g/L。

3.2 氨基酸類

氨基酸是含有氨基和羧基的有機化合物，迄今為止自然界中發現的氨基酸已經超過700多種，主要以其中20種為前體構成人體和動物蛋白質[25]。氨基酸對人類健康有著不可或缺的作用，在營養化學品市場廣受歡迎。利用微生物發酵方法制造氨基酸類產品已經有50多年歷史，是工業生物技術的重要支柱之一，氨基酸市場規模每年都在攀升，并且產品類型更多元化。目前生物制造的氨基酸類產品不僅僅局限于天然氨基酸，利用生物信息學、基因工程、生物傳感器技術和人工智能等生物新技術還可以用來生產特殊氨基酸，如蛋白氨基酸、環狀氨基酸、ε-氨基酸和被羥基、鹵素、甲基修飾的功能性氨基酸等。

3.2.1 天然氨基酸天然氨基酸主要是指20種基本氨基酸，是人體四大營養素之一，在營養補充、增強體質、改善發育等方面有著重要的影響。其中精氨酸作為非必需氨基酸參與人體的鳥氨酸循環，直接影響人體的生命代謝，為了提高精氨酸的生物合成能力，作者所在團隊[10]利用系統代謝工程的方法提升了谷氨酸棒桿菌生產精氨酸的能力。對谷氨酸棒桿菌17個核心啟動子和29個RBSs進行了表征，通過比較多個RBS調節的2個報告基因的表達，發現表達強度不僅與RBS的序列有關，還明顯依賴于基因環境。將雙順勢元件改性的RBS（簡稱bc-RBS）應用于谷氨酸棒桿菌，提高了RBS的可靠性。通過將一系列啟動子與RBSs/bc-RBSs耦合，與單一元件相比，其調控范圍更廣，且對基因表達的貢獻大于啟動子。最后，利用啟動子和RBSs作為內建元素，對谷氨酰胺、精氨酸合成途徑中的基因簇進行微調。與原菌株相比，合理構建基因表達調控系統的菌株在7 L生物反應器中積累了更多的精氨酸（1.61倍）和瓜氨酸（2.35倍）。實驗結果證明，通過結合特征良好的基因元件，綜合考慮轉錄和翻譯，可以有效平衡生物合成途徑，從而進一步提高目標代謝物的產量。纈氨酸也是一種重要的天然氨基酸類營養補充劑，韓國科學技術院李相燁教授團隊[26]為了提升纈氨酸在大腸桿菌中的產量，首先獲取并分析了大腸桿菌的代謝網絡數據，發現并敲除了分解纈氨酸前體的蘇氨酸脫氨酶基因（ilvA）、泛酸酯合成酶基因（panB）、2-異丙基蘋果酸酯酶基因（leuA），用于增強其前體2-酮異戊酸的供應；隨后又通過分析轉錄組學的數據，發現了全局轉錄因子基因（Lrp）和L-纈氨酸的轉運蛋白基因（ygaZH）有所下調，通過過表達Lrp和ygaZH基因，使得纈氨酸的產量較陽性對照提高了113%；最后利用現有的組學數據進行基因敲除模擬分析，識別并敲除了丙酮酸脫氫酶E2基因（aceF）、蘋果酸脫氫酶基因（mdh）和6-磷酸果糖激酶基因（pfkA）等，最終產量提升了126%，達到7.55 g/L。

3.2.2 特殊氨基酸γ氨基丁酸（GABA）是一種可調節心血管疾病的非蛋白類氨基酸，而且在減輕鎮痛和舒緩情緒方面具有積極作用。浙江科技大學肖功年教授團隊[27]利用釀酒酵母構建了一種高產GABA的生產菌株。他們篩選獲得了來源于Streptomyces sp.MJ654-NF4的谷氨酸脫羧酶用于生產GABA，通過發酵優化獲得了滴度為62.6 g/L的GABA。反式-4-羥基-L-脯氨酸也是一種特殊氨基酸類營養化學品，傳統工藝是以脯氨酸為底物進行生產，但脯氨酸價格較高（市場價約20美元/kg）。為了降低成本，江南大學饒志明教授團隊[28]以廉價的葡萄糖為底物發酵獲得L-脯氨酸，再經反式-4-羥化酶獲得反式-4-羥基-L-脯氨酸。他們首先通過稀有密碼子選擇性進化獲得了一株L-脯氨酸滴度高達18.2 g/L的大腸桿菌M1，隨后通過基因編輯手段敲除了L-脯氨酸競爭通路的基因并釋放了反饋抑制，使得反式-4-羥基-L-脯氨酸和L-脯氨酸的滴度分別為15.7 g/L和10 g/L；進一步利用群體響應技術動態抑制α-酮戊二酸脫氫酶以增強目標產物的前體——α-酮戊二酸的供應，并通過理性設計提高了關鍵酶反式-4-羥化酶的酶學性質，最終反式-4-羥基-L-脯氨酸的滴度提高到了54.8 g/L。該團隊通過稀有密碼子選擇性進化、前體動態調控和從頭代謝改造碳通量等策略為高效合成羥基氨基酸提供了良好的技術平臺。

3.3 功能性脂質類

脂質是影響生命健康的重要營養成分之一，根據生理學功能可分為3類，分別是貯存脂質、結構脂質和活性脂質。活性脂質又稱功能性脂質，雖然在細胞成分中占比較小，但具有非常重要的生理學功能。其中不飽和脂肪酸就是比較典型的功能性脂質，它是由多個不飽和的雙鍵組成的，是一種調節大腦發育和認知以及許多疾病（如心血管疾病、癌癥和糖尿病）的關鍵營養素[29]。營養類的不飽和脂肪酸有二十碳烯酸、花生四烯酸、亞油酸、亞麻酸、DHA等等。

3.3.1 二十碳五烯酸和花生四烯酸二十碳五烯酸和花生四烯酸是長鏈的多聚不飽和脂肪酸，它們與人體生長發育過程中的一些代謝疾病相關。由于這些不飽和的多聚脂肪酸的來源有限，迫切需要開發新的生產方式。馬杜賴卡瑪拉大學的Kathiresan教授團隊[30]通過生信分析識別了Isochrysis sp.中的Δ5Des-Iso基因并在大腸桿菌中異源表達用于合成新型二十碳五烯酸和花生四烯酸。他們還研究了溫度、時間、和前體濃度對發酵的影響，最終發現該菌株在37℃下額外加入25 μmol/L的前體，發酵24 h得到二十碳五烯酸和花生四烯酸的產量分別為4.1 mg/g和8.3 mg/g，為二十碳五烯酸和花生四烯酸的工業化生產打下了基礎。

3.3.2 α-亞麻酸（ALA）ALA是一種對人體有益的ω-3脂肪酸，在降低患心血管疾病和致命的缺血性心臟病的方面有著顯著的作用。ALA普遍存在于亞麻籽、油菜籽、黑加侖等一些植物中，所以只靠天然提取的方式會嚴重限制其產量。德州大學奧斯汀分校的Alper教授團隊[31]篩選出了一種產ALA的酵母Yarrowia lipolytica，通過異源表達雙功能的Δ12/Δ15去飽和酶提升了Yarrowia lipolytica的ALA產量，最后在2 L的發酵罐上利用低溫發酵使ALA含量達到30%以上，其滴度達到1.4 g/L。這項研究開發了一個高產ALA的菌株，對ALA的工業化生產搭建了一個基本框架。

3.4 維生素類

維生素在生物體中主要作為代謝反應的輔酶發揮作用。已報道的維生素主要分為兩類，一類是脂溶性維生素（維生素A、D、E和K），還有一類是水溶性維生素（維生素C和B族維生素）。由于人類因病理狀況、營養不良、不良飲食、高運動量、懷孕、壓力和藥物濫用等因素需要補充大量的維生素，天然來源維生素往往無法滿足需求。目前生產維生素的方法主要是化學合成和生物制造，傳統化學法合成存在容易產生廢氣廢液、底物不可再生等問題，因此生物制造成了維生素生產的重要方式[32]。

3.4.1 水溶性維生素B族維生素中的維生素B2是具有代表性的水溶性維生素，它可以利用A.gossypii和B.subtilis進行發酵生產，天津大學的陳濤教授團隊[33]通過在B.subtilis中分別過表達了D-赤蘚糖-4-磷酸脫氫酶基因（gapB）和果糖1，6-二磷酸酶基因（fbp），使維生素B2較原工藝產量提升了18%和14%。在搖瓶水平上，同時過表達這兩個基因在搖瓶和發酵水平上產量分別提升了21.9%和27.8%。

3.4.2 脂溶性維生素維生素E又稱生育酚，是目前市場上熱銷的維生素類營養化學品之一，其市場需求每年都保持穩定增長。常規的天然提取和化學合成法成本高、效率低，不適用于工業化生產。浙江大學于洪巍教授團隊[34]開發了一種冷激觸發溫控系統，提高了釀酒酵母合成生育三烯酚的能力。該團隊在釀酒酵母中異源表達光合生物的基因，并與自身的莽草酸途徑和甲羥戊酸途徑相結合，構建了產生生育三烯醇的釀酒酵母。為了進一步解決細胞生長與生育三烯醇積累之間的矛盾，實現高密度發酵，設計了冷激觸發溫度控制系統，有效控制兩階段發酵，得到滴度為320 mg/L的生育三烯酚，較原工藝提高了500多倍。該研究成功揭示了基因工程酵母菌高密度發酵合成生育三烯酚的工業化潛力。

3.5 黃酮類

黃酮類化合物是廣泛存在于植物中的重要營養化學品，是一類常見的三環化學結構（C6-C3-C6）的植物次生代謝產物。目前已知的黃酮類化合物已經超過約4 000多種，包括花青素、黃酮醇、黃烷醇、原花青素和凝縮單寧等[35]。這些化合物具有多種生理功能，如心血管保護、冠心病防治、降血脂血壓、保護肝臟、預防動脈硬化、防止肝硬化和肝損傷、炎癥治療、胃潰瘍治療、延緩更年期、骨質疏松癥的防治、抗病毒、抗菌、止咳化痰等[3]。它們大多結構復雜，含有較多的手性基團和活性基團，化學合成過程會引入較多的保護、去保護和手性拆分策略，其合成相當困難，因此利用生物合成的方法生產黃酮類的營養化學品勢在必行。

黃酮類化合物的代謝通路已在擬南芥、玉米和葡萄中被識別，其通路主要分為兩部分，一部分是合成黃酮類化合物的母核，另外一部分就是對母核進行修飾，可根據需求不同，用相應的酶對黃酮化合物主骨架進行修飾[36]。

3.5.1 生松素生松素是合成其他黃酮類化合物的母核，可通過羥基化、還原、烷基化、氧化和糖基化其苯基丙烷核心結構來合成如高良姜黃素、二氫黃酮醇、白楊素等高價值的黃酮類化合物。然而，合成生松素需要昂貴的苯丙氨酸或肉桂酸作為前體，所以直接影響了其他黃酮類化合物的開發與生產。江南大學周景文教授團隊[37]開發了一種在大腸桿菌中以葡萄糖為底物并結合模塊化手段合成生松素的方法，他們將生松素的代謝通路分割成了4個模塊，并通過優化異源表達的拷貝數和密碼子優化來平衡生松素的代謝途徑，減少中間體產物的積累，最終滴度達到了40 mg/L。該研究改善了生松素生產的經濟性，為微生物利用葡萄糖生產黃酮類化合物開辟了新的道路。

3.5.2 甲基化花青素類產品對黃酮類化合物甲基化，能提升其本身的生物利用度和生物活性，如抗癌、免疫調節、抗氧化等活性。倫斯勒理工學院的Koffas教授團隊[38]首次報道了在大腸桿菌中構建了從兒茶素到甲基化花青素的代謝途徑，通過調節質粒的拷貝數、關鍵酶的表達條件和沉默轉錄抑制蛋白質基因等手段，將甲基化花青素類產品——芍藥素葡萄糖苷的產量提高了21倍，達到51 mg/L。

4 展望

目前，傳統的天然提取和化學合成的營養化學品中已有7萬多種實現了工業化生產。截至2020年，全球傳統工業化學品產業規模已達到了5萬億美元[39]。考慮到傳統工藝的諸多限制，綠色、環保的生物制造方法用于營養化學品生產是解決資源可持續化發展的重要途徑之一，隨著生物技術和工藝的不斷發展，針對目前很多營養化學品的工業化生產水平低下的問題，未來構建高效的營養化學品生物制造策略需在以下方面進一步探索：

1）生物制造技術的可行性 與營養化學品制造相關的生物新技術在持續更新，但許多新技術還不夠成熟，暫時無法實現工業化應用。如蛋白質的從頭設計及計算，雖然這種方法在理論上可以設計任何合成營養化學品所需的關鍵酶及蛋白質，包括一些自然界不存在的酶，但是由于蛋白質結構的多樣性，現有技術水平仍難以滿足一種蛋白質的所有可能結構的計算。因此加快推動相關領域新技術的進展有助于提升生物制造技術的成功率和可行性，也有利于加快營養化學品生物制造技術的發展。

2）生物制造裝備的先進性 生物制造裝備是生產營養化學品的必備條件，先進的裝備和軟件能直接提升營養化學品生產的產量、質量和效率，并能降低人工成本。目前生物制造裝備也逐步與人工智能、物聯網、大數據等技術和學科相融合，為開啟營養化學品智能化生物制造時代開辟了道路。

3）生物制造過程的經濟性 在營養化學品生產過程中，原料和人工是主要成本來源，因此降低原料成本是提高工藝經濟性的重要方式，如能采用相對廉價的原料如葡萄糖、乳糖、木糖、煙酰胺等來生物合成透明質酸、唾液酸、黃酮類化合物、煙酰胺單核苷酸等高附加值的營養化學品，將有利于提升營養化學品的經濟性并為傳統營養化學品制造業的技術升級奠定堅實基礎。