合成生物技术在食品行业的应用现状与研究进展

李佳佳1,毕佳军1,赵建生2,3,焦依帆1,杨淑君1,崔佳琦4,赵丽丽1,张义平1,王海磊1,陈红1,2 *,姜晓冰1 *

(1.河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡 453000;2.河南双汇投资发展有限公司,河南 漯河 462000;3.河南省肉品技术创新中心,河南 漯河 462000;4.天津大学 合成生物前沿研究院,天津 300072)

摘 要: 近年来,由于环境污染,人口增长,资源紧缺等问题,安全、营养、可持续的食品供给面临着较大的挑战。以科技手段赋能食品行业,拓宽食品边界,将更多生产场景引入食品领域,成为“新食品”开发的关键推动力。合成生物技术的发展能解决食品领域中的诸多难题,如减少传统养殖业带来的环境资源压力、提高农业生产效率、实现食品工业迭代升级等。该文详细介绍合成生物技术在新食品类型的研发与创新、改善食品营养、食品包装材料、食品添加剂等领域的应用,以期对未来新食品行业的创新发展提供新的启示。

关键词: 合成生物技术;食品研发与制造;食品营养改善;食品包装材料;食品添加剂

合成生物学是通过工程化的理性设计来构建新系统,涵盖了生物技术、基因工程、控制工程等多个学科。其核心策略见图1。

图1 合成生物学核心策略“设计-构建-测试-学习”循环(DBTL)
Fig.1 Synthetic biology core strategy “Design-Build-Test-Learn” cycle (DBTL)

如图1 所示,合成生物学核心策略是基于工程可预测性以控制复杂系统而构建的“设计-构建-测试-学习”循环(design-build-test-learn,DBTL)[1]。具体如下。1)设计:在一定规则下利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计。2)构建:在生物系统中对目标基因进行操作,构建细胞工厂,该过程包括DNA 合成、大片段组装以及基因编辑。3)测试:通过高效、准确和经济的检测方法,生成相应数据,评估所构建细胞工厂的实用性。4)学习:利用测试数据,学习并随机搜索更有效地推进循环和实现预期目标的原则,为下一个循环的改进设计提供指导。通过DBTL 的循环往复可以成功构建所需底盘细胞,并生产出合适产品。目前,合成生物学技术已覆盖食品、医药制造、化工生产、新能源、新材料、农业等多个行业,不断取得引人注目的研究成果。

在传统养殖业和食品制造业带来的环境压力以及全球人口增长造成的食物短缺的风险条件下,如何开发绿色、安全、营养和个性化的食品是产业创新和改革的重要方向。为促进传统食品制造的转型升级,《“十四五”生物经济发展规划》中提出:发展合成生物学技术,探索研发“人造蛋白”等新型食品,实现食品工业迭代升级。同时,细胞培养、3D 打印、生物工程等技术迅速发展,也为淀粉、油脂等基本食品组分的外源生物合成提供基础[2-3]。本文通过介绍合成生物技术在各食品加工领域的研究进展与工业应用,为食品产业转化升级开拓新思路,以期为未来食品行业的创新发展提供参考。

1 合成生物技术与新食品类型的研发与创新

合成生物技术在食品行业的发展较为迅速且有一定量的成果实现了市场转化,如人造肉、乳制品、饮品等[1,4]。人造肉是指采用植物改性或细胞培养获得的类似于动物肌肉的蛋白质制品,可分为两类:以植物性蛋白为原料的植物蛋白肉和由动物干细胞培养的细胞培养肉。植物蛋白肉是以大豆、小麦等植物蛋白替代动物蛋白,将纤维结构化和风味物质整合达到模拟真肉口感的效果[2]。国外研究人员以大豆为原材料,提供覆盖鸡肉、猪肉和牛肉的多种植物基人造肉选择,其汉堡类产品由于加入亚铁血红素,在纤维结构和口感上更接近真实的牛肉汉堡。植物蛋白肉的成本和技术要求相对比较低,具有极大发展潜力,但目前植物蛋白肉存在质构不足、蛋白生物价偏低、含过敏原及存在异味成分等缺点,需要进一步优化改良后才能更好地符合人体健康需求[2]。相较于植物蛋白肉,细胞培养肉是以肌肉干细胞作为底盘细胞进行体外培养,进而加工为模拟肉制品[5],其在口感、营养价值方面更具优势,而且在不杀死动物的前提下能享用肉制品的美味,无疑更易被消费者接受。细胞肉技术在食品安全方面的风险远低于传统养殖业,且胆固醇含量较低,膳食纤维含量更高,可减少消费者患“三高”的风险,增加了合成生物制品的附加营养价值,更有益于消费者的身体健康。然而,商业化细胞培养仍需进一步的研究,如何通过更低廉的方式大幅提高细胞增殖和分化效率是亟待解决的问题,而且目前细胞培养肉产品组成结构单一,呈味物质含量少,不足以满足消费者的需求,其应用推广道阻且长[6]

为应对食品安全和食品供应挑战,已有研究者利用真菌发酵生产各种肉类蛋白质[7]。由于动物奶中含有各种致敏原以及乳糖不耐人群食用后产生腹泻等症状[8],乳蛋白替代技术也越来越受关注,该技术主要指采用基因工程和细胞工厂等技术手段高效表达动物奶中各种蛋白质成分[9]。目前已研发出牛乳蛋白微生物合成新工艺,通过人工合成牛奶乳蛋白DNA 序列,转化到食品级酵母中合成酪蛋白和乳清蛋白,与植物性成分混合生产出纯素食、无乳糖、无胆固醇的人造奶;也有研究者开发出基于细胞技术与精密发酵生产的乳铁蛋白(LF+),并计划在未来4~5 年将“人造奶”全面商业化;随着奶制品消费量的持续增加,我国在乳蛋白重组表达与人造奶生物合成等技术领域已经进行研发布局。国内科研团队创建了一种将角蛋白高效转化为人工血红蛋白的生物合成体系[10]。各研究机构也已开展乳铁蛋白的重组表达研究[9]。然而,相比于人造肉产品,我国在乳蛋白重组研发方面仍相对薄弱,其中,乳蛋白高效表达与微生物底盘细胞的正确构建是亟待解决的关键问题[11]

除开发新型优质蛋白外,合成生物学在拓宽多糖、脂肪酸的生产原料方面也发挥了重要作用。二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)是人体的必需脂肪酸,主要来源于深海鱼类。黎明[12]在大豆中构建的Δ8 合成途径获得了植物源的EPA,打破了EPA 的原料限制。此外,我国研究人员在二氧化碳人工合成淀粉领域也取得了一系列重大成果[13]。因此,合成生物学在食品研发创新领域应用潜力较大,但面临着技术约束、产业扩大且涉及伦理学问题,未来发展存在诸多挑战。

2 合成生物技术改善食品营养

基于大食物观、全方位开发新食品资源,如何开发更健康、更有营养的安全食品是近年来的研究热点。为满足消费者对品质生活的追求,利用合成生物技术来提高食物优质蛋白、减少糖分、增加膳食纤维、改善食物色泽等,逐渐成为食品行业新的研究方向。

蛋白质是生命活动的主要承担者,维持人们生长发育所需。人们常食用的豆类、蔬菜类食物缺乏甲硫氨酸等必需氨基酸[14],长期摄入此类植物蛋白会导致自身营养摄入不足。陈宏伟等[15]将芦苇细胞的高甲硫氨酸蛋白基因整合到大豆基因组中进行育种与改良,提高了大豆中甲硫氨酸含量。谷胱甘肽(glutathione,GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的小分子寡肽,具有抗氧化作用。蒋秋琪等[16]筛选获得具有高拷贝GSH 合成酶Ⅰ(GshⅠ)和GSH 合成酶Ⅱ(GshⅡ)基因的毕赤酵母(Pichia pastoris),同时敲除GSH 降解基因(dug1/2/3),使P. pastoris 中GSH 的产量提高到1.7 g/L。作为一类单细胞微生物,微藻也可作为合成生物的底盘细胞。目前的研究多针对微藻细胞的合成生物改造,以人工光源替代自然光,更好地实现微藻细胞的光调控作用,提高微藻蛋白的产量。微藻蛋白已成功应用于面包、面条、零食等食品,以改善产品的营养价值、颜色和质地的稳定性[17-20]

多糖是由多个单糖分子缩合而成的结构复杂且庞大的糖类物质,在自然界分类众多,其中最丰富的均一性多糖有淀粉、糖原、纤维素。淀粉中含有直链淀粉和支链淀粉,而直链淀粉含量较高的稻米口感较差。Ma等[21]编辑了3 个Wary 基因,转化后的植株经培养获得T0 代种子,其直链淀粉含量相比于野生种子下降了12%。除来源于植物界的淀粉外, Cai 等[22]在实验室中利用合成生物技术设计和组装出一种自然界不存在的合成代谢途径,实现了从 CO2 到淀粉分子的首次全合成,打破了淀粉合成的物种界限(从植物到微生物)。

母乳寡糖(human milk oligosaccharides, HMOs)是人乳中除乳糖外的一种功能性低聚糖,具有抑制致病微生物对结肠黏膜的黏附、促进新生儿大脑发育、维持肠道微生态平衡、作为益生元刺激双歧杆菌增殖等多种生物功能。据美国联合市场研究机构报告,未来10 年市场份额预计将增加至 3.326 亿美元。2023 年10 月,国家卫生健康委员会官网公布的两种HMOs 原料:2′-岩藻糖基乳糖、乳糖-N-新四糖,可作为食品营养强化剂应用于儿童调制乳粉、婴幼儿配方食品和特殊医学用途婴儿配方食品,目前国内大多乳制品企业均宣布推出含HMOs 的儿童奶粉。HMOs 中较为丰富的岩藻糖基化寡糖为 2′-FL 和 3′-岩藻糖基乳糖(3′-FL)[23]。目前针对 3′-FL 合成主要为化学合成,酶法和微生物法使用较少。陈耕[24]在大肠杆菌(Escherichia coli) 中过表达不同来源的α-1,3-糖基转移酶,并抑制竞争途径,将3′-FL 产量显著提高至20.3 g/L。此外,Lee 等[25]通过在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)内构建由 Lac12、Gmd、WcaG 和 WbgL 等酶组成的 2′-FL合成途径,将2′-FL 产量提高至 25.5 g/L。随着合成生物技术的发展,多种类 HMOs 的生物合成研究会越来越完善,且其市场化的大规模生产也将逐步走向成熟。目前,我国在HMOs 生物合成的商业化方面已取得较大发展,部分校企联合共建“功能糖组学创新中心”,聚焦人乳寡糖等功能糖研究以扩大合成生物布局。

稀少糖是指自然界中罕见的单糖及其衍生物,因其独特的生理功能,常作为新食品原料用于保健品、婴幼儿配方等食品。然而,稀有糖产量低且价格昂贵,因此在市场流通十分有限。塔格糖(Tagatose)是一种天然来源的稀少糖,甜度接近蔗糖,是一种良好的低能量食品甜味剂和填充剂,具有降血糖、抗龋齿、改善肠道菌群等多种生理功效,在乳制品、肉制品、谷物制品等多领域得到广泛应用。Liu 等[26]基于合成生物学,敲除S. cerevisiae 半乳糖激酶编码基因GAL1,调整并优化木糖还原酶的表达,使得塔格糖产量提高至37.69%。李志月等[27]E.coli BL21 细胞中共表达阿拉伯糖异构酶基因araA 和β-半乳糖苷酶基因lacZ,获得的重组菌以廉价的乳糖为底物合成高价值的塔格糖,其产量最高达(83.81±1.38) g/L。与化学合成法相比,生物法合成塔格糖具有反应条件温和、原料来源广泛、产物的化学纯度高等优点。

近年来,为改善食品营养,研究者利用合成生物学技术改良优质蛋白质,实现淀粉分子人工全合成,此外,在改良淀粉口感、合成母乳寡糖、提高稀有糖产量等方面也取得较大的进展。目前,合成生物学在食品营养领域的商业化前景较好,如母乳寡糖、塔格糖、微藻蛋白均进入市场应用,但需要同步开发更高效、成本低廉的下游生产工艺,更好地助力食品行业高质量发展。

3 合成生物技术与食品包装材料

食品包装材料能保护食品免受外界污染和损坏,且在运输、存储和销售过程中延长食品的保质期、保持其新鲜度和营养价值,减少食品浪费。塑料是我国食品行业主要的包装材料之一,不安全的塑料类包装材料及不正确的处理方式不仅会导致食品接触性污染物超标,还会威胁生态环境,特别是在生产、使用和处理过程中产生的废弃物和排放物会对环境造成负面影响。我国在2007 年颁布实施“限塑令”,欧盟则在2021 年开始全面禁止使用一次性塑料产品。因此,开发绿色和可持续的塑料包装材料迫在眉睫。利用合成生物技术改造底盘细胞生产具有生物降解性的聚合物或生物基材料方面已取得较大的进展,如聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)、聚 乳 酸(polylactic acid,PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(poly butylenes succinate,PBS)等新型塑料基原料的生物合成。食品包装材料合成生物制造进展总结见表 1。

表1 食品包装材料合成生物制造进展
Table 1 Progress in synthetic biotechnology manufacturing of food packaging materials

材料PHA PHA PHA PHA PHA PHA PLA PLA PLA PLA PLA PBS PBS PBS生产菌株Halomonas P.putida E.coli P. putida P. putida P. putida E.coli E.coli L. lactis E.coli S.cerevisiae E.coli E.coli E.coli生产规模摇瓶1.5 L 生物反应器摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶产量90% g/g 0.4 mol/mol 786.50 mg/L回收率94.2%21% g/g 270 mg/L 56% g/g 118 g/L 37.68 g/L 2.23% g/g 5.6% g/g 0.46 mol/mol 0.94 g/g 0.98 g/g年份2016 2013 2014 2020 2020 2020 2010 2006 2021 2018 2022 2016 2019 2022参考文献[28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41]

与传统的石油基材料(聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯)相比,PHA 具有良好的可降解性,在自然条件下可由微生物彻底分解为水和二氧化碳,不会对环境造成任何污染,因此在食品包装领域的应用前景十分广阔。Chen 等[28]利用合成生物技术,以葡萄糖作为生产原材料,制造出结构多样的PHA,如具有优异性能的均聚物、无规聚合物和嵌段聚合物,更好地满足了不同市场的需求。此外,该研究通过对卤单胞菌的改造,实现了PHA 在非无菌条件下连续大规模的生产,极大地降低了生产成本。Poblete-Castro 等[29]构建了恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)的重组菌株,其PHA 积累量与野生型相比提高了100%。Zhuang 等[30]通过工程设计的手段,逆转了脂肪酸β-氧化循环,并删除了主要的硫酯酶,使E.coli 能够直接以葡萄糖为原料,利用PHA合成酶合成中链长度的聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates with medium chain length,mcl-PHAs)单体。Poblete-Castro 等[31]通过工程改造P. putida KT 2440,使之达到响应渗透状态并利用可编程细胞裂解系统进行细胞破碎,合成mcl-PHAs 的回收率达到94.2%。Dvořák 等[32]P. putida EM42 中表达了来自褐色嗜热裂孢菌(Thermobifida fusca)的bglC 基因(编码β-葡萄糖苷酶),使其在积累mcl-PHAs 的同时分泌木糖酸。Zhou 等[33]开发了一种针对P. putida KT 2440 的基因组编辑策略,将参与阿魏酸代谢和PHA 生物合成的4 个功能模块整合到基因组中,获得KTc9n20 菌株,使PHA 产量增加至约270 mg/L,为改善微生物芳香化合物的生物转化提供新的思路。

PLA 是由多个乳酸单体脱水缩合而形成的大分子材料,因其具有高强度、高透明度、良好的可塑性、良好的生物可降解性而被广泛应用于食品包装。Jung 等[34]敲除了E.coli 糖酵解代谢途径中的乙酸激酶基因(ackA)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(ppc)和 醛醇脱氢酶基因(adhE ),并用 Trc 启动子替换乳酸脱氢酶A基因(ldhA)和 乙酰辅酶A 合成酶基因(acs)的启动子,获得的工程菌株以葡萄糖为底物合成 了11%的聚乳酸均聚物。Grabar 等[35]通过删除E.coli 中的丙酮酸甲酸裂解酶基因(pflB )、富马酸还原酶基因(frd)、adhEackA、甲基丙酮醛合成酶基因(mgsA),构建出可在无机盐培养基中发酵生产D-乳酸的工程菌株,其产量达到118 g/L,且产物的光学纯度较高。郭曼曼[36]在乳酸乳球菌NZ9000 基因组中整合糖酵解途径pfkpyk 两个关键基因,并通过串联强启动子和串联D-乳酸脱氢酶,进一步过表达抗酸基因msmK,获得的工程菌株D-乳酸产率37.68 g/L。时梦询[37]通过关键酶筛选和细胞形态改造,构建的E. coli 工程菌株以葡萄糖作为底物生产聚乳酸,其产量最高可达2.23% g/g。Ylinen 等[38]使用改良的基于多西环素的 Tet-On 方法来调节立体特异性 D-乳酸脱氢酶基因(ldhA)的表达,发现多西环素浓度的增加与ldhA 的表达、PLA 的积累均呈正相关,并获得了占细胞干重5.6%的PLA,比以往酵母研究中报道的积累水平高出两倍[42]

PBS 也是一种可生物降解的高分子材料,由丁二酸(琥珀酸)和丁二醇单体缩合聚合而成。丁二醇可以由丁二酸氢化产生,而现阶段丁二酸产量无法满足PBS 产业大规模的需求,因此,通过合成生物技术提高丁二酸的产量,对PBS 产业的发展具有深远的意义。Li 等[39]以醋酸为唯一碳源生产丁二酸,通过改造E.coli MG1655 以阻断三羧酸循环,提高醋酸利用率,重新定向葡萄糖生成途径及加强乙醛酸分流,使丁二酸产量最高可达61.7 mmol/L,且实际产量为理论产量的92%。Huang 等[40]E.coli HD134 中利用厌氧诱导的肠炎沙门氏菌启动子(PSnirB)控制生产丁二酸,产量达到0.83 g/g,与外源诱导剂(isopropyl β-D-thiogalactoside,IPTG)诱导的 Trc 启动子相比,使用厌氧诱导的PSnirB 不仅能获得更高的丁二酸产量,而且省去了昂贵的IPTG 成本。Guo 等[41]通过合理构建甲醇异化途径,以甲醇和甲酸钠为辅助底物进行厌氧分批发酵,丁二酸产量由0.91 g/g 提高到0.95 g/g。此后,该团队通过设计特殊的糖基化膜进行固定化,使E.coli 对不利环境的耐受性更强,丁二酸的最终产量提高到0.98 g/g。

合成生物技术通过优化现有生产途径、设计构建新的合成途径、利用低价底物合成高值产品,从而大大提高和更新可降解材料类的大宗化学品的效率和生产方式,有助于生物可降解材料的开发利用,在减少环境压力和推动可持续发展方面具有巨大潜力。

4 合成生物技术与食品添加剂

食品添加剂是为了改善食品的质量、保持食品的新鲜度和延长其保质期而添加到食品中的物质,在食品加工和储存过程中起着重要的作用。近年来,随着人们对健康的关注和对食品质量要求的不断提高,相较于人工合成添加剂,天然食品添加剂更加受到消费者的青睐,如柠檬酸、维生素E、维生素B12 等,食品添加剂合成生物制造进展总结见表 2。

表2 食品添加剂合成生物制造进展
Table 2 Progress in synthetic biotechnology manufacturing of food additives

添加剂柠檬酸琥珀酸琥珀酸维生素E维生素B12番茄红素叶黄素甜菊糖苷生产菌株Y. lipolytica I. orientalis E. coli E. coli E. coli Y. lipolytica S. cerevisiae E. coli生产规模1 L 生物反应器300 L 生物反应器摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶摇瓶产量97.1 g/L 63.1 g/L 89.6 g/L 1.1 g/L 0.67 mg/L 259 mg/L 28.27 mg/L(176.6±36.3) mg/L年份2019 2023 2021 2014 2019 2019 2021 2016参考文献[43][44][45][46][47][48][49][50]

2019 年,Yuzbasheva 等[43]对解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)线粒体中柠檬酸转运蛋白的研究证明,Y. lipolytica 可以利用不同底物大量合成柠檬酸。利用合成生物学技术改造Y. lipolytica 高效产生羧酸(柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸等),为其大规模工业化生产提供新的生产方式。另外,结合代谢工程和合成生物学技术,已成功在Y. lipolytica 细胞中实现以粗甘油、橄榄油等廉价原料合成异柠檬酸和琥珀酸等食品添加剂[51]。值得注意的是,在食品添加剂的合成和开发领域,合成生物技术对Y. lipolyticaS. cerevisiaeP. pastoris 等非常规酵母的开发和应用具有普适性[52]。 作为一种食品增味剂,琥珀酸二钠在食品行业应用广泛,尽管微生物法发酵合成琥珀酸降低了生产过程对化石燃料的依赖,但其过程中存在产率低、成本高、副产物积累等问题,极大地影响了琥珀酸的工业化大批量生产。Tran 等[44]通过对耐酸的非模式酵母——东方伊萨酵母(Issatchenkia orientalis)进行改造,建立了一条由原料端到产品端的生产线路,使其能够在pH 值为3~4 的酸性环境中正常生长,显著降低了传统微生物发酵法中调节环境pH 值及控制副产物所带来的生产成本。改造后的菌株在甘蔗汁培养基中产量可达到104.6 g/L,在中试规模的发酵罐(300 L)中使用甘蔗汁培养基进行分批发酵的产量为63.1 g/L。相较于化石燃料的生产工艺,该工艺可使温室气体排放量降低34%~90%。唐文秀[45]E. coli FMME-N 单独及组合敲除ldhApflB、甲酸转运蛋白编码基因(focA)、磷酸乙酰基转移酶编码基因(pta)、ackA、丙酸激酶编码基因(tdcD)和α-酮丁酸甲酸酯裂解酶编码基因(tdcE),使得琥珀酸的产量达到89.6 g/L。

维生素、着色剂等天然食品添加剂主要来源于动植物,Zhu 等[46]首次以乙酰辅酶A 作为底物,在E. coli中完全重建了法尼烯(farnesene)的生物合成途径,大大缩减了维生素E 的生产步骤,降低了生产成本。Fang 等[47]通过基因和代谢工程技术,在E. coli 中整合了来自5 种不同细菌的共28 个基因,构建的工程菌株可以通过新设计的有氧生物合成途径从头合成维生素 B12,产量较传统生产方式提高了250 倍以上,极大地促进了工业生产。Liu 等[48]S. cerevisiae 的基因转入Y. lipolytica 体内进行组装,从而构建了酵母嵌合途径,显著提高了亲脂性萜烯——番茄红素的合成。通过调整与乙酰-CoA 供应相关的3 个重要通路及细胞脂质数量和组成,使番茄红素的产量提高了 150 倍。边旗[49]通过合成生物学方法平衡表达S. cerevisiae 中的番茄红素环化酶、胡萝卜素羟化酶及其还原酶,在高密度发酵条件下叶黄素浓度可达到28.27 mg/L,达到了目前所报道的异源合成叶黄素的最高产量。

甜菊糖苷是从菊科植物甜叶菊中提取出的一种糖苷,甜度为蔗糖的200~300 倍,热量却只有蔗糖的1/300,作为甜味剂被广泛应用于食品中。Wang 等[50]通过路径挖掘和关键酶部件整合,构建了用于生产二萜类甜菊糖苷(diterpenoid steviolglycosides,SGs)的E. coli 菌株,为E. coli 异源生产 SGs 提供了实例。该团队又研究了中国甜茶和明日叶茶中二萜类化合物的重要作用以及二萜类葡萄糖苷的合成过程,发现了参与二萜类葡萄糖苷生物合成的几种UDP-葡萄糖基转移酶,对实现甜菊糖苷异源生物合成具有重要意义[53]

随着合成生物技术的快速发展与不断进步,微生物在食品添加剂生产中的应用将会越来越广泛。通过采用合成生物技术手段改造微生物的代谢途径,能够获得产量高、产品质量好的优良菌株,满足了不同食品产业的需求,实现高效低耗地生产天然、无毒、廉价的食品添加剂,推动食品行业的创新与发展。

5 合成生物技术在未来食品行业的发展趋势

合成生物学在食品行业中被视为一种革命性的科技,将为食品领域带来前所未有的创新和转变。通过综合运用基因编辑、代谢工程和系统生物学等前沿技术,推动食品行业向可持续、健康和个性化的方向发展。合成生物学通过重新设计和定制生物体的代谢途径,革新肉类和蛋白质的生产方式,减少对动物资源和环境的压力;通过更新动植物类天然产物的生产方式,以高效低碳的方式获得人类所需健康食品;基于利用微生物的代谢能力和工程改造,将食品废弃物转化为更有价值的资源,减少对自然资源的依赖,降低环境污染,并推动可持续发展的实现。未来食品生产方式将趋向于基于个体的基因组和营养需求,通过精确地设计和定制食品,以满足消费者的个人需求和健康目标。

合成生物学研究是食品领域改革重要方向,借助其前沿的技术和方法,打造出更为健康、可持续和个性化的食品。合成生物学技术现已成为食品行业的重要推动力,并引领食品科技的创新和进步,同时,可为人们带来更高品质的生活,助力食品行业高质量发展。

参考文献:

[1] CAMERON D E, BASHOR C J, COLLINS J J. A brief history of synthetic biology[J]. Nature Reviews Microbiology, 2014, 12(5): 381-390.

[2] 周景文, 张国强, 赵鑫锐, 等. 未来食品的发展: 植物蛋白肉与细胞培养肉[J]. 食品与生物技术学报, 2020, 39(10): 1-8.ZHOU Jingwen, ZHANG Guoqiang, ZHAO Xinrui, et al. Future of food: Plant-based and cell-cultured meat[J]. Journal of Food Science and Biotechnology, 2020, 39(10): 1-8.

[3] 杜立, 王萌. 合成生物学技术制造食品的商业化法律规范[J]. 合成生物学, 2020, 1(5): 593-608.DU Li, WANG Meng. The legal issues about commercialization of food products employing synthetic biology strategies[J]. Synthetic Biology Journal, 2020, 1(5): 593-608.

[4] 陈坚. 未来食品: 任务与挑战[J]. 中国食物与营养, 2022, 28(7):5-6.CHEN Jian. Future foods: Tasks and challenges[J]. Food and Nutrition in China, 2022, 28(7): 5-6.

[5] ZHANG G Q, ZHAO X R, LI X L, et al. Challenges and possibilities for bio-manufacturing cultured meat[J]. Trends in Food Science& Technology, 2020, 97: 443-450.

[6] 关欣, 汪丹丹, 方佳华, 等. 细胞培养肉技术: 研究进展与未来展望[J]. 中国食品学报, 2022, 22(12): 1-13.GUAN Xin, WANG Dandan, FANG Jiahua, et al. Cultured meat technology: Advances and future perspectives[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2022, 22(12): 1-13.

[7] 王翠竹. 利乐与Mycorena 合作新建替代蛋白工厂,应对食品安全和食品供应挑战[J]. 食品安全导刊, 2022(20): 5.WANG Cuizhu. Tetra Pak cooperates with Mycorena to build a new alternative protein factory to meet the challenges of food safety and food supply[J]. China Food Safety Magazine, 2022(20): 5.

[8] LUCEY J A, OTTER D, HORNE D S. A 100-Year Review: Progress on the chemistry of milk and its components[J]. Journal of Dairy Science, 2017, 100(12): 9916-9932.

[9] 周正富, 庞雨, 张维, 等. 乳蛋白重组表达与人造奶生物合成:全球专利分析与技术发展趋势[J]. 合成生物学, 2021, 2(5): 764-777.ZHOU Zhengfu, PANG Yu, ZHANG Wei, et al. Recombinant expression of milk proteins and biosynthesis of animal-free milk:Analysis on related patents and trend for technology development[J].Synthetic Biology Journal, 2021, 2(5): 764-777.

[10] 林敏, 周正富, 燕永亮, 等. 一种高效降解羽毛并合成人工血红素蛋白的基因模块及应用: CN112501164A[P]. 2021-03-16.LIN Min, ZHOU Zhengfu, YAN Yongliang, et al. Gene module for efficiently degrading feathers and synthesizing artificial hemoprotein and application: CN112501164A[P]. 2021-03-16.

[11] WASCHULIN V, SPECHT L. Cellular agriculture: An extension of common production methods for food March 6, 2018[R]. The Good Food Institute, 2018.

[12] 黎明. 花生四烯酸和二十碳五烯酸合成途径的构建及大豆种子特异性启动子的改造[D]. 天津: 南开大学, 2012.LI Ming. Construction of synthetic pathway of arachidonic acid and eicosapentaenoic acid and transformation of soybean seed-specific promoter[D].Tianjin: Nankai University, 2012.

[13] 蔡韬, 刘玉万, 朱蕾蕾, 等. 二氧化碳人工生物转化[J]. 生物工程学报, 2022, 38(11): 4101-4114.CAI Tao, LIU Yuwan, ZHU Leilei, et al. Artificial bioconversion of carbon dioxide[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2022, 38(11):4101-4114.

[14] 陈宏伟, 杨进军, 饶力群, 等. 119 种植物种子蛋氨酸含量分析[J]. 广西植物, 2012, 32(4): 557-560.CHEN Hongwei, YANG Jinjun, RAO Liqun, et al. Analysis of methionine contents in seeds of 119 plants[J]. Guihaia, 2012, 32(4):557-560.

[15] 陈宏伟, 钱玮, 饶力群, 等. 高甲硫氨酸蛋白基因的克隆及转化大豆的研究[J]. 分子植物育种, 2016, 14(8): 1930-1939.CHEN Hongwei, QIAN Wei, RAO Liqun, et al. Study on cloning and transforming soybean(Glycine max(L.) Merrill) of Methionine-Rich protein gene[J]. Molecular Plant Breeding, 2016, 14(8): 1930-1939.

[16] 蒋秋琪, 吕雪芹, 崔世修, 等. 代谢工程改造毕赤酵母发酵生产谷胱甘肽[J]. 食品与发酵工业, 2020, 46(17): 9-14.JIANG Qiuqi, LYU Xueqin, CUI Shixiu, et al. Metabolic engineered Pichia pastoris for synthesis of glutathione[J]. Food and Fermentation Industries, 2020, 46(17): 9-14.

[17] SZABO N J, MATULKA R A, CHAN T. Safety evaluation of Whole Algalin Protein (WAP) from Chlorella protothecoides[J]. Food and Chemical Toxicology: an International Journal Published for the British Industrial Biological Research Association, 2013, 59: 34-45.

[18] 冯玉杰. 螺旋藻中藻蓝蛋白的提取与纯化[D]. 南昌: 南昌大学,2013.FENG Yujie. Extraction and purification of phycocyanins from Spirulina[D]. Nanchang: Nanchang University, 2013.

[19] URIBE-WANDURRAGA Z N, IGUAL M, GARCÍA-SEGOVIA P,et al. Effect of microalgae addition on mineral content, colour and mechanical properties of breadsticks[J]. Food & Function, 2019, 10(8): 4685-4692.

[20] FRADINHO P, NICCOLAI A, SOARES R, et al. Effect of Arthrospira platensis (Spirulina) incorporation on the rheological and bioactive properties of gluten-free fresh pasta[J]. Algal Research,2019, 45(4): 1-12.

[21] MA X L, ZHANG Q Y, ZHU Q L, et al. A robust CRISPR/Cas9 system for convenient, high-efficiency multiplex genome editing in monocot and dicot plants[J]. Molecular Plant, 2015, 8(8): 1274-1284.

[22] CAI T, SUN H B, QIAO J, et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide[J]. Science, 2021, 373(6562): 1523-1527.

[23] COPPA G V, ZAMPINI L, GALEAZZI T, et al. Human milk oligosaccharides inhibit the adhesion to Caco-2 cells of diarrheal pathogens: Escherichia coli, Vibrio cholerae, and Salmonella fyris[J]. Pediatric Research, 2006, 59(3): 377-382.

[24] 陈耕. 代谢工程改造大肠杆菌生产3-岩藻糖基乳糖[D]. 无锡:江南大学, 2022.CHEN Geng. Production of 3-fucosyllactose by metabolic engineering transformation of Escherichia coli[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2022.

[25] LEE J W, KWAK S, LIU J J, et al. Enhanced 2′-fucosyllactose production by engineered Saccharomyces cerevisiae using xylose as a cosubstrate[J]. Metabolic Engineering, 2020, 62: 322-329.

[26] LIU J J, ZHANG G C, KWAK S, et al. Overcoming the thermodynamic equilibrium of an isomerization reaction through oxidoreductive reactions for biotransformation[J]. Nature Communications,2019, 10(1): 1356.

[27] 李志月, 张显, 饶志明, 等. β-半乳糖苷酶和阿拉伯糖异构酶共表达一步法催化乳糖到塔格糖[J]. 微生物学报, 2021, 61(9):2907-2920.LI Zhiyue, ZHANG Xian, RAO Zhiming, et al. One-step synthesis of lactose to tagatose by co-expressing β-galactosidase and Arabinose isomerase[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2021, 61(9): 2907-2920.

[28] CHEN G Q, JIANG X R, GUO Y Y. Synthetic biology of microbes synthesizing polyhydroxyalkanoates (PHA)[J]. Synthetic and Systems Biotechnology, 2016, 1(4): 236-242.

[29] POBLETE-CASTRO I, BINGER D, RODRIGUES A, et al. In-silicodriven metabolic engineering of Pseudomonas putida for enhanced production of poly-hydroxyalkanoates[J]. Metabolic Engineering,2013, 15: 113-123.

[30] ZHUANG Q Q, WANG Q, LIANG Q F, et al. Synthesis of polyhydroxyalkanoates from glucose that contain medium-chain-length monomers via the reversed fatty acid β-oxidation cycle in Escherichia coli[J]. Metabolic Engineering, 2014, 24: 78-86.

[31] POBLETE-CASTRO I, ARAVENA-CARRASCO C, ORELLANASAEZ M, et al. Engineering the osmotic state of Pseudomonas putida KT2440 for efficient cell disruption and downstream processing of poly(3-hydroxyalkanoates)[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020, 8: 161.

[32] DVOŘÁK P, KOVÁČ J, DE LORENZO V. Biotransformation of Dxylose to D-xylonate coupled to medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production in cellobiose - grown Pseudomonas putida EM42[J]. Microbial Biotechnology, 2020, 13(4): 1273-1283.

[33] ZHOU Y Y, LIN L, WANG H, et al. Development of a CRISPR/Cas9n-based tool for metabolic engineering of Pseudomonas putida for ferulic acid-to-polyhydroxyalkanoate bioconversion[J]. Communications Biology, 2020, 3(1): 98.

[34] JUNG Y K, KIM T Y, PARK S J, et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of polylactic acid and its copolymers[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2010, 105(1): 161-171.

[35] GRABAR T B, ZHOU S, SHANMUGAM K T, et al. Methylglyoxal bypass identified as source of chiral contamination in l(+) and d (-)-lactate fermentations by recombinant Escherichia coli[J]. Biotechnology Letters, 2006, 28(19): 1527-1535.

[36] 郭曼曼. 光学纯D-乳酸生产菌株NZ9000 的构建[D]. 天津: 天津大学,2021.GUO Manman. Construction of optical pure D-lactic acid producing strain NZ9000[D]. Tianjin: Tianjin University,2021.

[37] 时梦询. 基于工程大肠杆菌的聚乳酸生物合成途径研究[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2018.SHI Mengxun. Biosynthesis of poly (lactic acid) by engineered Escherichia coli[D]. Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2018.

[38] YLINEN A, SALUSJÄRVI L, TOIVARI M, et al. Control of D-lactic acid content in P(LA-3HB) copolymer in the yeast Saccharomyces cerevisiae using a synthetic gene expression system[J]. Metabolic Engineering Communications, 2022, 14: e00199.

[39] LI Y J, HUANG B, WU H, et al. Production of succinate from acetate by metabolically engineered Escherichia coli[J]. ACS Synthetic Biology, 2016, 5(11): 1299-1307.

[40] HUANG M H, CHENG J, CHEN P, et al. Efficient production of succinic acid in engineered Escherichia coli strains controlled by anaerobically-induced nirB promoter using sweet potato waste hydrolysate[J]. Journal of Environmental Management, 2019, 237: 147-154.

[41] GUO F, WU M, ZHANG S J, et al. Improved succinic acid production through the reconstruction of methanol dissimilation in Escherichia coli[J]. Bioresources and Bioprocessing, 2022, 9(1): 62.

[42] LAJUS S, DUSSÉAUX S, VERBEKE J, et al. Engineering the yeast Yarrowia lipolytica for production of polylactic acid homopolymer[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020, 8:954.

[43] YUZBASHEVA E Y, AGRIMI G, YUZBASHEV T V, et al. The mitochondrial citrate carrier in Yarrowia lipolytica: Its identification,characterization and functional significance for the production of citric acid[J]. Metabolic Engineering, 2019, 54: 264-274.

[44] TRAN V G, MISHRA S, BHAGWAT S S, et al. An end-to-end pipeline for succinic acid production at an industrially relevant scale using Issatchenkia orientalis[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 6152.

[45] 唐文秀. 高产琥珀酸大肠杆菌的构建与发酵研究[D]. 无锡: 江南大学, 2021.TANG Wenxiu. Construction and fermentation optimization of E.coli for high-producing succinate[D]. Wuxi: Jiangnan University,2021.

[46] ZHU F Y, ZHONG X F, HU M Z, et al. In vitro reconstitution of mevalonate pathway and targeted engineering of farnesene overproduction in Escherichia coli[J]. Biotechnology and Bioengineering,2014, 111(7): 1396-1405.

[47] FANG H, LI D, KANG J, et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for de novo biosynthesis of vitamin B12[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 4917.

[48] LIU D, LIU H, QI H, et al. Constructing yeast chimeric pathways to boost lipophilic terpene synthesis[J]. ACS Synthetic Biology, 2019,8(4): 724-733.

[49] 边旗. 代谢改造酿酒酵母合成叶黄素的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2021.BIAN Qi. Metabolic engincering of Saccharomyces cerevisiae for lutein biosynthesis[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2021.

[50] WANG J F, LI S Y, XIONG Z Q, et al. Pathway mining-based integration of critical enzyme parts for de novo biosynthesis of steviolglycosides sweetener in Escherichia coli[J]. Cell Research, 2016, 26(2): 258-261.

[51] 荣兰新, 刘士琦, 朱坤, 等. 代谢工程改造解脂耶氏酵母合成羧酸的研究进展[J]. 生物工程学报, 2022, 38(4): 1360-1372.RONG Lanxin, LIU Shiqi, ZHU Kun, et al. Production of carboxylic acids by metabolically engineered Yarrowia lipolytica: A review[J].Chinese Journal of Biotechnology, 2022, 38(4): 1360-1372.

[52] 赵禹, 赵雅坤, 刘士琦, 等. 非常规酵母的分子遗传学及合成生物学研究进展[J]. 微生物学报, 2020, 60(8): 1574-1591.ZHAO Yu, ZHAO Yakun, LIU Shiqi, et al. Advances in molecular genetics and synthetic biology tools in unconventional yeasts[J].Acta Microbiologica Sinica, 2020, 60(8): 1574-1591.

[53] SUN Y W, CHEN Z, LI J X, et al. Diterpenoid UDP-glycosyltransferases from Chinese sweet tea and ashitaba complete the biosynthesis of rubusoside[J]. Molecular Plant, 2018, 11(10): 1308-1311.

Application Status and Research Progress of Synthetic Biotechnology in the Food Industry

LI Jiajia1, BI Jiajun1, ZHAO Jiansheng2,3, JIAO Yifan1, YANG Shujun1,CUI Jiaqi4,ZHAO Lili1,ZAHNG Yiping1, WANG Hailei1, CHEN Hong1,2 *, JIANG Xiaobing1 *
(1. College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453000, Henan, China; 2. Henan Shuanghui Investment Development Co., Ltd., Luohe 462000, Henan, China; 3. Henan Meat Technology Innovation Center, Luohe 462000, Henan, China; 4. Frontier Research Institute of Synthetic Biology,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract: In recent years, the supply of safe, nutritious and sustainable food has faced great challenges due to environmental pollution, population growth and resource constraints. The new technologies have become the key driving forces for empowering the food industry, broadening the boundaries of the food industry, and introducing more production scenarios into the food sector. The development of synthetic biotechnology can solve various challenges in the food industry, such as reducing the environmental pressure by traditional farming,improving agricultural production efficiency, and realizing the iterative upgrading of the food industry. In this paper, the applications of synthetic biotechnology in research and innovation of new food tapes, food nutrition improvement, food packaging materials, food additives and other fields are described in detail, with a view to providing new insights into the future innovation and development of the new food industry.

Key words: synthetic biotechnology; food research and manufacturing; food nutrition improvement; food packaging materials; food additives

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2025.11.027

基金项目:河南省高等学校重点科研项目(23A550013)

作者简介:李佳佳(2003—),女(汉),本科,研究方向:食品加工与安全。

*通信作者:陈红(1990—),女(汉),讲师,博士,研究方向:食品类天然产物合成;姜晓冰(1984—),女(汉),教授,博士,研究方向:食品加工与安全。

引文格式:

李佳佳, 毕佳军, 赵建生,等. 合成生物技术在食品行业的应用现状与研究进展[J]. 食品研究与开发,2025,46(11):208-214.

LI Jiajia, BI Jiajun, ZHAO Jiansheng, et al. Application Status and Research Progress of Synthetic Biotechnology in the Food Industry[J]. Food Research and Development,2025,46(11):208-214.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2024-01-04