合成生物學與食品製造

健康、安全、永續的食品製造是人類健康和社會可持續發展的關鍵要素。利用合成生物學科技創建細胞工廠,並且提升重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品的合成效率,是解决現時食品製造面臨的問題和主動應對未來挑戰的重要研究方向。最後,對合成生物學與食品製造領域的發展趨勢進行了展望。

健康、安全、永續的食品製造是人類健康和社會可持續發展的關鍵要素。由於環境污染、氣候變化、人口增長和資源面臨枯竭,如何保障安全、營養和健康的食品供給面臨巨大挑戰。利用細胞工廠製造替代傳統食品獲取管道,建立永續的食品製造新模式,將大幅降低食品生產對資源和能源的需求,减少溫室氣體的排放,並且提升食品生產與製造的可控性,有效避免潜在的食品安全風險和健康風險。

利用合成生物學科技創建細胞工廠,並且提升重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品的合成效率,是解决現時食品製造面臨的問題和主動應對未來挑戰的重要研究方向。本文首先對食品合成生物學的重要意義與主要內涵進行了討論。其次,本文針對基於合成生物學科技的重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品的典型代表性產品的生物製造進展進行了介紹。最後,對合成生物學與食品製造領域的發展趨勢進行了展望。

1中國食品科技與合成生物學

我國食品工業與食品科技在全球佔據重要地位。食品工業方面,我國食品產業產值和食品進出口量均居世界第一,為我國融合全球供應鏈和提升我國國際競爭力提供重要支撐。食品領域科研方面,我國食品領域專利申請數、授權數、論文發表量和引用數均位居全球第一,並且我國大學在“軟科”發佈的2019年全球食品學科排名前十的榜單中佔據了5席。

傳統食品獲取管道和供給模式由於環境污染、氣候變化和人口增長日益面臨巨大挑戰,相關挑戰對未來食品供給管道和功能提出了新的要求。食品獲取管道和功能的改變將成為人類未來生產方法和生活方式改變的代表性問題,未來食品應該具備“更安全、更營養、更方便、更美味、更持續”的特徵。其中,合成生物學為食品重要組分、功能性食品配料和重要功能營養因數的生物製造提供了關鍵技術和方法支撐。食品合成生物學是在傳統食品製造技術基礎上,採用合成生物學科技,特別是食品微生物基因組設計與組裝、食品組分合成途徑設計與構建等,創建具有食品工業應用能力的人工細胞、多細胞人工合成系統以及無細胞人工合成系統,將可再生原料轉化為重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品,實現更安全、更營養、更健康和永續的食品獲取管道。

2食品合成生物學:任務與挑戰

食品合成生物學的發展可以劃分為三個階段:①通過最優合成途徑構建及食品分子修飾,實現重要食品功能組分的有效、定向合成和修飾,為“人造功能產品”細胞的合成做準備;②建立高通量高靈敏篩選方法,篩選高效的底盤細胞工廠,實現重要食品功能組分的高效生物製造,初步合成具有特殊功能的“人造功能產品”細胞;③實現人工智慧輔助的全自動生物合成過程的設計及實施,通過精確靶向調控,大幅度提高重要食品功能產品在异源底盤和原底盤細胞中的合成效率,最終實現“人造功能產品”細胞的全細胞利用。食品細胞工廠的設計與精准調控是各類食品、食品配料或者添加劑的生物製造過程中所面臨的共性任務和挑戰。本文針對基於合成生物學科技合成植物蛋白肉所需關鍵組分、黃酮類植物天然產物和母乳寡糖三類典型代表性產品,介紹相關的生物製造研究進展,並且討論現時食品合成生物學任務與挑戰。

2.1植物蛋白肉所需關鍵組分的生物製造

人造食品的總體技術路線是構建細胞工廠種子,以車間生產方式合成奶、肉、糖、油、蛋等,緩解農業壓力,滿足日益增長的食品需求。人造食品主要包括人造蛋、人造肉和人造奶等,其中人造肉是食品領域新興和突破科技,人造肉規模化製造技術的突破將有望降低傳統農業中資源與能源的消耗。近年來,人造肉因其來源可追溯、食品安全性高、綠色永續等優勢引起了廣泛的關注,並且被MIT Technology Review評為2018年全球十大突破科技之一。人造肉可分為植物蛋白肉和細胞培養肉兩大類。其中,植物蛋白肉成本相對較低、科技要求低、市場接受度高,囙此植物蛋白肉現階段具有技術成熟的優勢和優先發展的潜力。近年來,Impossible Foods、Beyond Meat等多家公司已開發出以植物蛋白為原料的植物蛋白肉製品並且已經實現商業化生產。細胞培養肉與天然肉相似,不過現時成本較高,市場潜力大但仍需開發。現時細胞培養肉相關產品仍主要處於實驗室研究階段,商業化細胞培養肉大規模上市並且得到市場廣泛認可還需要更加全面的研究和應用推廣。植物蛋白肉和細胞培養肉均需要在製備過程中利用由微生物細胞工廠酶製劑、血紅素、維他命和脂類等關鍵成分,將所獲得的食品原料和功能成分進行有機綜合,最終獲取風味協調、質構穩定和擬真度高的重組食品,實現色、香、味、形的食品化綜合。

然而,現時植物蛋白肉與禽肉的品質還存在較大差距,急需在質構模擬、營養優化、風味調節及成品定制等方面取得突破。利用特定功能的酶對植物蛋白肉進行質構模擬、營養優化和風味調節,能够實現植物蛋白肉結構强度改造、結構親疏水性改造、過敏原等成分降解、蛋白質利用率提升、糖脂蛋白的綜合、异味成分的降解和風味物質提升。血紅素和高核酸酵母提取物的添加對於風味品質提升同樣具有重要作用。協同利用特定功能的酶和風味物質將有助於植物蛋白肉品質提升,並且為基於3D列印食品化的成品定制過程奠定基礎。

植物蛋白肉質結構模擬方面,由於植物蛋白缺乏肌肉蛋白特有的纖維結構,囙此感官品質較差。交聯酶、脫醯胺酶和具有結構功能的動物蛋白的製備和綜合利用是解决該問題的關鍵。穀氨醯胺轉氨酶和漆酶是現時在食品加工中應用最多的交聯酶。穀氨醯胺酶和天冬醯胺酶分別催化蛋白質肽鏈中穀氨醯胺和天冬醯胺脫醯胺。交聯酶、脫醯胺酶的應用有望促進植物蛋白質類纖維結構的形成。在植物蛋白肉營養優化方面,如何高效特异性降解植物蛋白致敏源是需要解决的關鍵問題。作為植物蛋白肉主要基材的大豆蛋白等含有多種致敏原,囙此篩選特异性蛋白酶降解致敏原蛋白有望解決植物蛋白肉脫敏的問題。在植物蛋白肉風味調節方面,現時主要針對如何消除引起豆腥味的醇、醛等揮發性化合物以及導致苦味的苦味肽開展研究。植物蛋白中的亞油酸或亞麻酸可轉化為小分子醇、醛等揮發性化合物,導致豆腥味產生。同時,蛋白質在降解過程中形成的苦味肽會導致苦味的產生,嚴重影響植物蛋白肉的風味。應用醇、醛脫氫酶破壞醇、醛分子,補充複合蛋白酶將促進胺基酸生成(美拉德反應的前體),可以顯著改善植物蛋白肉的風味。

植物蛋白肉生產關鍵酶製備路線主要包括4個步驟:①獲得應用效能理想的酶,從自然界或基因資料庫中篩選目標酶,並且基於應用需求進行分子改造,獲得理想的目標酶;②構建安全易用的生產宿主,以食品安全級生產菌株為基礎,開發高效轉化方法,優化轉錄、翻譯與蛋白質轉運系統,構建安全易用的宿主;③設計普適性强的表達策略,對酶編碼基因序列進行深度優化,提高目標酶基因與宿主的適配性,構建表達元件庫,提高目標酶表達水准;④開發高效的過程控制科技,在系統分析酶分子合成與分泌的基礎上,結合誘導條件和流加策略,實現菌體生產與目標酶合成的平衡。

細胞培養組織、植物拉絲蛋白均缺乏真實的肉色,添加血紅蛋白能够賦予植物蛋白肉和細胞培養肉真實的色香味感受。合成生物學科技是實現微生物發酵法製備血紅蛋白的關鍵技術。血紅蛋白生物合成需要利用成熟的微生物底盤細胞(釀酒酵母、畢赤酵母等)來表達植物根瘤組織來源或動物血紅細胞來源的血紅蛋白。血紅蛋白合成代謝途徑主要包含珠蛋白合成和血紅素合成兩個模塊。在底盤細胞中優化與適配高效珠蛋白合成模塊和高效血紅素合成模塊,有望提升血紅蛋白合成效率。最後,在獲得高效血紅蛋白合成菌株的基礎上開展發酵過程優化,為菌株生長和血紅蛋白合成過程提供適宜的營養條件和環境條件,助力細胞工廠發酵法高效合成血紅蛋白。

2.2黃酮類化合物的生物製造

植物天然提取物具有生物活性和藥理活性,這使得其在營養保健和醫藥健康領域具有廣泛應用。然而,植物生長週期一般較長,而且植物中生物活性物質的含量一般非常低,每千克植物僅含有若干微克或若干毫克目標化合物。大規模植物天然提取物的生產和應用可能會導致植物群落破壞,甚至導致植物的滅絕。另外,植物中存在的活性物質類似物會新增選取工藝的複雜程度,並且新增產品純化的成本。囙此,以植物為單一來源獲取植物天然提取物往往存在生產週期長、選取費用昂貴和對自然資源破壞嚴重的問題。利用合成生物學技術改造微生物、開發植物天然提取物的生物制造技術引起了廣泛關注。相比於傳統選取工藝,生物制造技術以可再生生物質為原料,生產過程能耗低,並且污染物排放少。現時,典型植物天然提取物的生物製造取得了顯著進展,包括萜類化合物、苯丙素類化合物以及生物鹼類化合物。

植物天然提取物的生物製造包括基因挖掘、細胞改造和發酵選取三個主要方面。具體步驟包括:①通過基因組學、轉錄組學和代謝組學等組學技術分析原生植物,挖掘植物天然提取物關鍵基因和代謝途徑;②通過關鍵基因异源表達、前體供給强化和輔因數再生强化等細胞改造科技,建立目標產物合成途徑並且實現目標產物高效合成;③通過發酵過程優化為植物天然提取物生產菌株提供合適的營養條件和環境條件,提升目標產物合成效率,並且進一步對產物進行分離選取,獲得大量目標產物。

黃酮類化合物是苯丙素類植物天然提取物中一類重要的化合物,基於合成生物學的黃酮類化合物生物製造是現時的研究熱點之一。黃酮類化合物廣泛分佈於植物界中,已報導超過8000餘種。黃酮類天然產物具有類似的合成途徑,其中柚皮素、生松素是關鍵平臺化合物。以柚皮素、生松素平臺化合物為前體,可以合成結構和功能多樣的黃酮類化合物。囙此,設計與構建柚皮素和生松素的底盤細胞是實現黃酮類化合物高效生物製造的基礎。生產黃酮類化合物的釀酒酵母底盤細胞的構建主要以下6個策略:①强化芳香族胺基酸和香豆酸/肉桂酸合成途徑;②减少黃酮代謝副產物積累;③去除不必要的糖苷水解酶;④擴張細胞內質網;⑤强化糖基供體;⑥降低過氧化物酶活性。在生產黃酮類化合物釀酒酵母底盤細胞的基礎上,通過組裝與優化來源於深紅酵母、香芹、矮牽牛、紫花苜蓿、擬南芥、甘草和淫羊藿的基因,已實現了最複雜黃酮類化合物之一的淫羊藿苷的生物合成。相關研究為以淫羊藿苷為主要成分的數百種藥物和保健品的原料供給提供了新的途徑。囙此,利用合成生物學科技構建以廉價碳源、無機鹽為底物合成高附加值黃酮類化合物的微生物細胞工廠,有望實現定制化生產數以千計的黃酮類化合物,為黃酮類化合物高效獲取提供重要途徑。

2.3母乳寡糖的生物合成

母乳寡糖是母乳與牛乳含量差別最大的物質,牛乳中寡糖含量大約僅有0.05%,而母乳中這一比例達到5%~15%。母乳寡糖主要以半乳糖和N-乙醯氨基糖交替組成的碳骨架並且與乳糖相連,進一步經過岩藻糖基化或唾液酸基化修飾而成。母乳寡糖中有大約80%是岩藻糖基化的寡糖,而牛乳中不含岩藻糖基化的寡糖。母乳寡糖中岩藻糖基化的寡糖對嬰兒早期减少感染和腸道菌群的建立等諸多方面起著重要作用。另外,母乳寡糖中約20%為唾液酸基母乳寡糖,主要包括3'-唾液酸基乳糖和6'-唾液酸基乳糖等。唾液酸基母乳寡糖能够促進嬰兒腸道益生菌增殖、神經系統代謝、肝臟和肌肉組織發育。囙此,母乳寡糖是嬰兒配方奶粉的關鍵功能營養因數。母乳寡糖高效製備為實現嬰兒配方奶粉對母乳的“深度類比”提供重要科技支撐。

2′-岩藻糖基乳糖(2′-FL)和乳醯-N-新四糖(LNnT)是典型母乳寡糖。2′-FL被美國食品藥品監督管理局(FDA)準予為嬰幼兒奶粉的添加劑(2015年9月),在歐盟被準予為新型食品添加劑。LNnT分別於2016年3月和2016年8月被美國和歐盟準予為食品添加劑。2′-FL在嬰幼兒配方奶粉中的建議添加量為2g/kg,按全球嬰幼兒奶粉年產量270萬噸計算,預計需求量為32 400噸/年。現時荷蘭、德國公司投入鉅資對母乳寡糖,包括2'-岩藻糖基乳糖、3′-岩藻糖基乳糖、乳醯-N-四糖、6′-唾液酸基乳糖和3′-唾液酸基乳糖進行研發,預計3~5年內實現規模化生產。

現時母乳寡糖生物製造主要以大腸桿菌作為底盤細胞。然而,由於大腸桿菌生產的產品存在內毒素污染的風險,影響了母乳寡糖的安全性。相比於大腸桿菌,作為典型工業微生物的枯草芽孢杆菌是食品安全菌株,並且無內毒素產生,更適合於母乳寡糖的合成。另外,枯草芽孢杆菌遺傳背景清晰並且基因編輯技術成熟,為基於合成生物學科技構建高效合成母乳寡糖工程菌提供了有利條件。

以枯草芽孢杆菌為宿主合成2′-FL已取得了顯著研究進展。首先,利用與凝血酶結合的DNA適配體的調節元件,進行2′-FL合成途徑基因表達水准的上調和內源乳糖運輸抑制基因的表達水准的下調,2′-FL的產量提高了27.3倍,達到674mg/L。進一步在底物轉運通道、途徑酶表達和輔因數GTP的再生效率等方面進行系統調控,2′-FL的合成效率顯著提高,搖瓶發酵2′-FL的產量達1035mg/L。最後,將2′-FL合成菌株在3L發酵罐中進行補料分批培養,2′-FL的最高產量達到5.01g/L,底物得率達到0.85mol/mol岩藻糖。相關研究為未來進一步提高2'-FL的合成效率奠定了良好基礎。

利用細胞工廠合成LNnT是實現規模化製備LNnT的一種重要方法。研究人員利用枯草芽孢杆菌CRISPRi系統針對LNnT生物合成途徑中的3條競爭途徑的4個基因設計了一系列sgRNA,對糖酵解途徑中的pfkApyk基因、戊糖磷酸途徑中的zwf基因和磷壁酸合成途徑中的mnaA基因表達進行下調。通過單獨抑制每條通路,篩選獲得提高LNnT /葡萄糖轉化率的最佳靶向sgRNA。隨後,對糖酵解途徑、戊糖磷酸途徑和磷壁酸合成途徑進行組合下調,LNnT產量由1.32g/L提高到1.55g/L。在此基礎上,為了提高中間代謝物乳醯-N-三糖Ⅱ向LNnT的轉化效率,研究人員敲除了分支途徑中tuaD基因,並且過表達lgtB基因,使得LNnT產量進一步提高到2.01g/L。最後,通過優化誘導劑木糖的添加時間和用量,LNnT在搖瓶中產量達到2.30g/L,在3L生物反應器中產量達到5.41g/L,為生物法規模化製備LNnT奠定了基礎。

3結論

合成生物學科技為解决食品製造面臨的挑戰提供了重要科技支撐,是食品領域研究的重要方向。以植物蛋白肉關鍵組分、黃酮類植物天然產物和母乳寡糖為代表的典型食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品的生物製造現時已取得顯著進展。在食品合成生物學理論研究、科技方法建立和典型產物合成路徑打通的基礎上,進一步擴展合成的目標產物的範圍、創建智能化細胞工廠和大幅度提升食品組分、食品配料和功能營養品的合成效率,實現全細胞利用和工業規模製備是未來研究的重要方向。

綜上所述,食品合成生物學是解决未來食品面臨的重大挑戰的主要方法之一,包括新食品資源開發和高值利用、多樣化食品生產方式變革、功能性食品添加劑和營養化學品製造等。我國必須加强食品合成生物學等具有重大意義的食品生物技術的開發和應用,並率先實現產業化,搶佔世界的科技前沿和產業高地,造福人類。

原文刊載於《合成生物學》期刊

本文版權歸原作者所有,文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系,我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理!

本文標題: 合成生物學與食品製造
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656059076969533
相关資料
上科大丨軟X射線自由電子雷射暨活細胞成像等線站裝置研製成功並取得首批實驗數據,邁入國際先進行列
近日,活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子雷射裝置調試工作連續取得突破性進展。繼實現532米X射線自由電子雷射裝置的全線調試貫通、帶光運行後,裝置於6月21日淩晨首次實現了2.4納米單發雷射脈衝的相干繞射成像,獲得了首批實驗
標籤: 自由電子 x射線 科普
南京大學化學化工學院鄭佑軒和左景林團隊報導在手性發光材料及圓偏振電致發光器件方面最新研究成果
手性發光材料能够分別發出不同强度的左、右手圓偏振光,在圓偏振電致發光器件和平面3D顯示有潜在的應用價值。化學化工學院鄭佑軒和左景林團隊在國內率先開展了手性發光材料CP-OLED效能的研究,在手性磷光配合物和熱活化延遲螢光資料的開發上取得系列
標籤: 手性 電致發光
華農水稻研究團隊領銜發佈和解析水稻無缺口參攷基因組
6月22日,華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室水稻研究團隊聯合廣西大學、美國堪薩斯州立大學等多所高校合作完成秈稻珍汕97和明恢63的無缺口參攷基因組,系統分析了著絲粒結構和比特於11號染色體末端水稻抗性相關的結構變異區域。亞洲栽培稻主要
標籤: 基因組 水稻 基因組注釋 水稻品種 科學 科普
廣州地化所、深地科學卓越創新中心提出羌塘-潘伽大火成岩省成因新模型
中國科學院廣州地球化學研究所、深地科學卓越創新中心但衛副研究員、王强研究員、張修政副研究員、徐義剛院士及國內外合作者通過對青藏高原古生代地質演化的綜合研究,重建了羌塘-潘伽大火成岩省以及東基梅裡陸塊在岡瓦納大陸中的位置(圖1),限定這個大火
標籤: 科學