張春月， 金佳楊， 邱勇雋， 范立強(qiáng)， 趙黎明

華東理工大學(xué)生物工程學(xué)院，發(fā)酵工業(yè)分離提取技術(shù)研發(fā)中心，生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237

考古研究發(fā)現(xiàn)，在有文字記錄之前，人類就已經(jīng)開始利用天然微生物來發(fā)酵食物，奶酪、面包、醬油、腐乳等形形色色的傳統(tǒng)發(fā)酵食品已伴隨人類逾千年。直至約三百年前列文虎克發(fā)明顯微鏡之后，人們才揭開了微生物和發(fā)酵過程的神秘面紗，自此，食品發(fā)酵方式從天然發(fā)酵向純種發(fā)酵邁進(jìn)。1928 年后，青霉素的發(fā)現(xiàn)帶動(dòng)了分子生物學(xué)等發(fā)酵工程支撐學(xué)科的迅速發(fā)展與融合，為現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)打下基礎(chǔ)。21 世紀(jì)初開始，信息技術(shù)和合成生物學(xué)的應(yīng)用與整合促進(jìn)了發(fā)酵工程技術(shù)的理念性變革，食品發(fā)酵也由“改良食品”向“創(chuàng)造食品”進(jìn)階，食品生物工程步入了新的發(fā)展階段。近十幾年來，新一代食品生物工程關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)于提升傳統(tǒng)發(fā)酵食品技術(shù)水平、擺脫傳統(tǒng)的手工作坊式生產(chǎn)，促進(jìn)食品工業(yè)向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、功能化發(fā)展，起到了重要的推動(dòng)作用。

生物技術(shù)是支撐食品發(fā)酵工業(yè)轉(zhuǎn)型與發(fā)展的核心技術(shù)。生物技術(shù)在知識(shí)體系以及方法學(xué)上的每一步發(fā)展，都可能使得發(fā)酵工程中一些重要部分和核心內(nèi)涵得以改變。比如宏基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使得揭示發(fā)酵食品中微生物群落的組成及變化成為可能[1]，多組學(xué)技術(shù)使得微生物代謝與食品品質(zhì)變化的分子機(jī)制得以解析[2]，快速基因編輯技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)了菌種的快速定向改良[3]。

食品合成生物技術(shù)使傳統(tǒng)發(fā)酵食品的生產(chǎn)發(fā)生了顛覆性的改變，在理性設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，重組的微生物將獲得生產(chǎn)特定食品組分或營(yíng)養(yǎng)化學(xué)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(fā)，還可能從分子水平上創(chuàng)造出真正的“未來食品”，用可持續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)食品的生產(chǎn)。

信息技術(shù)的加持也是食品發(fā)酵工業(yè)高速發(fā)展不可或缺的重要元素。一方面，先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)，能夠用于微生物分類、性質(zhì)及功能預(yù)測(cè)和理解微生物與食品體系的相互作用關(guān)系[2,4]。另一方面，集成了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的先進(jìn)模型及算法是智能過程控制裝備的靈魂。智能化控制系統(tǒng)和高效分離系統(tǒng)的搭建還要依靠高能傳感器和根據(jù)食品物料特性設(shè)計(jì)的分離單元操作等[5]。

從傳統(tǒng)發(fā)酵食品到未來食品，從食品的組分到食品的品質(zhì)安全，從食品添加劑到酶制劑和益生菌，傳統(tǒng)食品技術(shù)向新一代食品發(fā)酵技術(shù)的變革使得發(fā)酵食品的營(yíng)養(yǎng)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(xiàn)代社會(huì)人們多元化、高品質(zhì)的健康飲食需求；生物工程在未來食品開發(fā)領(lǐng)域的探索也將緩解由世界人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的食品資源緊張和環(huán)保壓力劇增等問題，與現(xiàn)代食品產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展理念相融合。

本文首先對(duì)近十幾年來食品發(fā)酵工程技術(shù)的重大變革進(jìn)行了討論，并重點(diǎn)介紹了利用合成生物學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞工廠和智能制造兩方面的技術(shù)進(jìn)展。隨后介紹了現(xiàn)代食品發(fā)酵工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，包括改善傳統(tǒng)發(fā)酵食品品質(zhì)、生產(chǎn)功能成分、開發(fā)未來食品等。并對(duì)新時(shí)代食品發(fā)酵工程的現(xiàn)有挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)與展望，以期為食品發(fā)酵工程的技術(shù)革新和工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 食品發(fā)酵工程的技術(shù)進(jìn)展

1.1 技術(shù)發(fā)展推動(dòng)食品發(fā)酵過程多層面重構(gòu)

傳統(tǒng)發(fā)酵一般直接采用當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)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(fā)酵過程完全依靠經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)發(fā)酵對(duì)于當(dāng)?shù)氐奶胤N微生物群落和發(fā)酵所需的自然環(huán)境高度依賴，發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)受氣候影響大，品質(zhì)不均，因此難以在其他地區(qū)實(shí)現(xiàn)重復(fù)生產(chǎn)。由于對(duì)原材料的品質(zhì)和發(fā)酵過程的管控不足，有的傳統(tǒng)發(fā)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(chǎn)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(fā)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(huì)產(chǎn)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(qiáng)傳統(tǒng)食品發(fā)酵流程的可控性、可持續(xù)性以及產(chǎn)品的安全性、營(yíng)養(yǎng)性，借助現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)與工程裝備的革新發(fā)展，食品發(fā)酵的研究方法和發(fā)酵流程實(shí)現(xiàn)了多環(huán)節(jié)的優(yōu)化重構(gòu)（圖1），其中包括：原始菌群的分離鑒定、人工合成菌群、發(fā)酵食品中微生物代謝特性及功能解析、發(fā)酵過程的預(yù)測(cè)、發(fā)酵裝備智能化。

圖1 食品發(fā)酵研究手段與生產(chǎn)方式的多層面重構(gòu)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(fā)酵過程的支柱，人工合成菌群要以天然原始菌群為基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的微生物富集培養(yǎng)分離方法周期較長(zhǎng)且操作復(fù)雜、難以得到純種菌種。隨著技術(shù)的發(fā)展，流式細(xì)胞、免疫磁性顆粒分離、毛細(xì)管電泳、場(chǎng)流分離、高效液相色譜等技術(shù)被應(yīng)用在發(fā)酵食品中的微生物分離分析，極大地提升了發(fā)酵食品中微生物的分離效率及效果[6]。在傳統(tǒng)流程中，菌種被分離出之后，對(duì)可培養(yǎng)的微生物通過顯微觀察、生化實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行鑒定篩選，但培養(yǎng)條件要求苛刻的不可培養(yǎng)微生物無法獲得[9]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，很多新的方法被用于發(fā)酵食品微生物的多樣性分析，如宏基因組測(cè)序、擴(kuò)增子測(cè)序、熒光定量PCR、限制性片段/末端限制性片段/擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析等。這些技術(shù)不僅可以用于確定原始菌群的種類、數(shù)量，還適用于檢測(cè)微生物隨發(fā)酵進(jìn)程的豐度變化情況[9-10]。

1.1.2 人工合成菌群 現(xiàn)代食品發(fā)酵所使用的菌群應(yīng)具有性能好、可培養(yǎng)、重復(fù)性高等特點(diǎn)，因此需要構(gòu)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(duì)發(fā)酵食品中已鑒定的原始菌群進(jìn)行改造、替換、組合或者刪減，也可以通過合成生物學(xué)手段引入新的菌種。

1.1.3 發(fā)酵食品中微生物代謝特性及功能解析 與傳統(tǒng)研究中簡(jiǎn)單地研究微生物受溫度、pH、溶氧等發(fā)酵條件的影響相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程引入了生物系統(tǒng)工程的全局理念，不僅解析微生物之間、微生物與環(huán)境的相互作用，還需確定不同微生物對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)的影響。多組學(xué)技術(shù)的興起有助于微生物代謝途徑及產(chǎn)物生成規(guī)律的探索[2]。一旦通過代謝組學(xué)方法確定了相關(guān)及中間代謝物，就可以推測(cè)參與發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和風(fēng)味形成的微生物種類，以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的定向調(diào)控，減少有害物質(zhì)和雜菌的產(chǎn)生，提升產(chǎn)品風(fēng)味，提高產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

1.1.4 發(fā)酵過程的預(yù)測(cè) 通過對(duì)不同條件下的發(fā)酵階段進(jìn)行多組學(xué)測(cè)定，可以獲得許多特設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)（ad-hoc database），結(jié)合高級(jí)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等手段，可對(duì)微生物群落的時(shí)空行為進(jìn)行描述，并對(duì)發(fā)酵食品品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。發(fā)酵過程的預(yù)測(cè)，不僅能夠省略試錯(cuò)摸索階段直接提高發(fā)酵工藝效率，還能保證發(fā)酵食品的安全性和質(zhì)量。

1.1.5 發(fā)酵裝備智能化 近年來，數(shù)字化設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜食品體系以及多環(huán)交互的食品加工過程。在智能化食品發(fā)酵裝備的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，圖像采集、傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能機(jī)器人、智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及智能設(shè)備的利用，使得在線監(jiān)測(cè)和調(diào)控成為可能——不僅能夠精準(zhǔn)控制發(fā)酵條件，保證發(fā)酵程度，還提高了食品原料的自動(dòng)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(xué)設(shè)計(jì)與細(xì)胞工廠構(gòu)建

1.2.1 食品合成生物技術(shù)的內(nèi)涵 21 世紀(jì)初，工程化思想與現(xiàn)代分子生物學(xué)、遺傳工程、系統(tǒng)生物學(xué)等多學(xué)科的融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物體進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，即合成生物學(xué)技術(shù)[11]。食品合成生物學(xué)是在傳統(tǒng)食品制造技術(shù)基礎(chǔ)上，利用合成生物學(xué)技術(shù)，對(duì)食品微生物的基因組進(jìn)行設(shè)計(jì)、編輯和組裝，構(gòu)建具有合成特定食品組分能力的細(xì)胞工廠，通過現(xiàn)代生物技術(shù)，生產(chǎn)人類所需的食品、食品組分和營(yíng)養(yǎng)化學(xué)品[12]。

食品合成生物技術(shù)的出現(xiàn)，使得食品發(fā)酵途徑從“服從”食品微生物對(duì)食品的“改造”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜Z化”甚至“創(chuàng)造”微生物對(duì)食品進(jìn)行特定的工作。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，需要“自上而下”的目標(biāo)導(dǎo)向策略和“自下而上”的工程搭建策略同時(shí)發(fā)展[13]。首先，“自上而下”的目標(biāo)導(dǎo)向指的是以生產(chǎn)具有某種特性的發(fā)酵食品或具有某種生理功能的食品組分為目標(biāo)，鑒定參與目標(biāo)物形成的底盤微生物及其代謝或合成途徑，進(jìn)而對(duì)這些途徑進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)建。鑒定參與產(chǎn)物生物合成的基因可以利用一些存儲(chǔ)已知代謝反應(yīng)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，如KEGG、MetaCyc 和BRENDA。組學(xué)技術(shù)和計(jì)算生物學(xué)為候選基因的挖掘以及合成途徑的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)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(jìn)行“自下而上”的工程“搭建”。進(jìn)行搭建的基礎(chǔ)一是易于改造及適宜食品組分生產(chǎn)的底盤微生物，二是可用于建立通用模塊的標(biāo)準(zhǔn)化生物元件。

1.2.2 底盤微生物 食品發(fā)酵底盤微生物的選擇可以依據(jù)以下幾點(diǎn)：第一，已知該微生物本身善于或經(jīng)過插入酶基因即可生產(chǎn)某種產(chǎn)物，如谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）適宜于氨基酸的生產(chǎn)，解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）適宜于脂質(zhì)化合物（如脂肪酸）的生產(chǎn)；第二，該微生物易于被合成生物學(xué)工具改造，如最廣泛應(yīng)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(guó)家對(duì)于大腸桿菌等非食品安全級(jí)宿主發(fā)酵生產(chǎn)的一些產(chǎn)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(tài)度[14]，但食品發(fā)酵生產(chǎn)中使用食品安全級(jí)別的宿主（如具有GRAS 認(rèn)證或國(guó)標(biāo)GB2760 認(rèn)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(yè)中成熟應(yīng)用的底盤微生物，應(yīng)用于這些食品安全型菌株的合成生物學(xué)工具仍需加速開發(fā)；第四，由于工業(yè)化食品發(fā)酵多為大規(guī)模生產(chǎn)，并且很多食材本身的價(jià)格并不高，因此需綜合考慮原料成本和發(fā)酵流程，選取能夠利用廉價(jià)底物且快速生長(zhǎng)的底盤微生物；此外，酶的表達(dá)能力、產(chǎn)物的外排水平和耐受力等也是需要考量的指標(biāo)。

1.2.3 生物元件及模塊優(yōu)化 合成生物學(xué)的基本元件庫(kù)中除了基因編碼序列、啟動(dòng)子、終止子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、調(diào)控小RNA 分子等基礎(chǔ)元件外，還包括基因間序列元件、DNA 位點(diǎn)標(biāo)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(fā)展的高保真、長(zhǎng)片段、高通量、低成本DNA 生物合成技術(shù)大大提高了“生物磚”的制備效率。標(biāo)準(zhǔn)化裝配的“生物磚”需具備一定的標(biāo)準(zhǔn)接口，如特定的酶切位點(diǎn)，這樣生物組件之間就能以標(biāo)準(zhǔn)的方式連接組合，通過簡(jiǎn)單的手段，被裝配為復(fù)雜系統(tǒng)，以獲得工程化的細(xì)胞工廠。

根據(jù)合成生物學(xué)中構(gòu)建高效細(xì)胞工廠時(shí)通 用 的 設(shè) 計(jì) - 構(gòu) 建 - 測(cè) 試 - 學(xué) 習(xí) 循 環(huán)（design-build-test-learn cycle, DBTL cycle，圖 3）思維的指導(dǎo)[16]，在理性設(shè)計(jì)并構(gòu)建出食品分子的合成途徑之后，需要靶向測(cè)試目標(biāo)產(chǎn)物在底盤細(xì)胞中的合成效率，然后精確調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“從有到優(yōu)”的突破。在此循環(huán)中，可利用CRISPR-Cas系統(tǒng)對(duì)基因組進(jìn)行重建，利用蛋白質(zhì)工程改善關(guān)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(diào)控代謝通量，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)及優(yōu)化，這些新興技術(shù)都將促進(jìn)高效細(xì)胞工廠的構(gòu)建，提升重要食品功能產(chǎn)品的合成效率。

圖3 合成生物學(xué)中的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)循環(huán)Fig.3 The design-build-test-learn(DBTL)cycle in synthetic biology

1.2.4 合成生物學(xué)應(yīng)用于食品發(fā)酵的重大意義 合成生物學(xué)的興起對(duì)于食品發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生了多方面的深遠(yuǎn)影響。在原料方面，廉價(jià)的原料可以通過細(xì)胞工廠的加工轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的目標(biāo)產(chǎn)品，底物范圍更加多樣，可以實(shí)現(xiàn)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(xué)能夠改變傳統(tǒng)的發(fā)酵食品生產(chǎn)方式，通過使用程序化的單克隆細(xì)胞工廠、工程化的微生物聯(lián)合體或無細(xì)胞生物合成平臺(tái)來改進(jìn)食品生產(chǎn)，有可能在提高資源轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，擺脫傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)的弊端[3]。在產(chǎn)物方面，合成生物學(xué)可以通過創(chuàng)建半合成微生物群落來控制微生物的組成和生產(chǎn)能力，以重新設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品生產(chǎn)，從而生產(chǎn)新穎的產(chǎn)品或避免合成有毒的副產(chǎn)品[8]。除了用于改善傳統(tǒng)發(fā)酵食品和傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)物如氨基酸、有機(jī)酸的制造方式之外，合成生物學(xué)還為功能性食品配料和功能營(yíng)養(yǎng)因子的生物制造提供了關(guān)鍵技術(shù)和方法支撐。

圖2 食品發(fā)酵生產(chǎn)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(fā)酵的智能化進(jìn)程

目前，我國(guó)是食品發(fā)酵領(lǐng)域的制造大國(guó)，但非制造強(qiáng)國(guó)。與先進(jìn)跨國(guó)企業(yè)相比，生產(chǎn)鏈條智能化程度不足是限制我國(guó)食品發(fā)酵行業(yè)向中高端邁進(jìn)、建設(shè)成為制造強(qiáng)國(guó)亟需解決的問題。本小節(jié)將從信息技術(shù)、過程控制、分離工程三個(gè)層面介紹近年來食品發(fā)酵工程的智能化進(jìn)程。

圖4 食品發(fā)酵多環(huán)節(jié)的智能化進(jìn)程Fig.4 The intellectualization progress of food fermentation in multiple sectors

1.3.1 信息技術(shù)加強(qiáng)微生物分析 信息技術(shù)是驅(qū)動(dòng)微生物細(xì)胞工廠創(chuàng)制及智能發(fā)酵技術(shù)創(chuàng)新的重要推動(dòng)力，是貫穿智能制造的“靈魂”所在。先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算模擬等，是理解發(fā)酵微生物生態(tài)系統(tǒng)的前沿解決方案：包括將微生物分類、挖掘微生物群落的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)、預(yù)測(cè)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(shù)能夠?qū)⑻卣骶W(wǎng)絡(luò)信息與部分已知的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法查找潛在的關(guān)聯(lián)，獲取特定時(shí)空、發(fā)酵環(huán)境及生態(tài)群落環(huán)境下的微生物行為[2]，為從天然微生物中篩選出工業(yè)菌種及工業(yè)菌種的改造提供依據(jù)。研究表明，發(fā)酵食品的攝入對(duì)腸道菌群的結(jié)構(gòu)有著微妙而持久的影響[17]。因此除了發(fā)酵微生物，數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于分析預(yù)測(cè)發(fā)酵食品對(duì)于腸道微生物的影響研究中[18]。

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

1.3.2 智能過程工程 ①食品發(fā)酵過程中目標(biāo)物質(zhì)的在線監(jiān)控。隨著自動(dòng)生產(chǎn)線的大規(guī)模應(yīng)用，智能食品發(fā)酵過程的重點(diǎn)已從生產(chǎn)流程上的自動(dòng)加工、分揀、灌裝等轉(zhuǎn)移到了食品發(fā)酵過程中目標(biāo)物質(zhì)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)及控制。針對(duì)食品物料體系成分復(fù)雜、目標(biāo)物質(zhì)含量波動(dòng)范圍大、固體/半固體物料分布不均等特點(diǎn)，需利用多種聲、光、電及傳感手段，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)建立定量分析模型，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)的非接觸、無損、快速、精準(zhǔn)檢測(cè)。比如為了控制紅茶的產(chǎn)品質(zhì)量，Zhu等[20]開發(fā)了一種檢測(cè)紅茶發(fā)酵程度的快速方法，用測(cè)量電感（L）、電容（C）和電阻（R）的LCR儀確定發(fā)酵過程中茶葉的11 個(gè)電特性參數(shù)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將電參數(shù)作為紅茶發(fā)酵程度的指標(biāo)。同樣為了自動(dòng)監(jiān)測(cè)紅茶發(fā)酵過程，Jin 等[21]結(jié)合傅里葉變換近紅外光譜（FT-NIR）和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)（CVS），實(shí)現(xiàn)了紅茶發(fā)酵度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。Bowler 等[22]利用超聲波測(cè)量結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)啤酒發(fā)酵過程中的酒精濃度，使啤酒發(fā)酵的監(jiān)控手段由傳統(tǒng)的定期采樣和離線分析轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€實(shí)時(shí)監(jiān)控。除了利用聲、光、電信號(hào)外，電子鼻和電子舌等在線傳感器也是對(duì)食品發(fā)酵進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估的有效手段，且檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉，具有廣泛的應(yīng)用前景[23]。

②以生物反應(yīng)器為發(fā)酵場(chǎng)所的過程優(yōu)化。許多功能食品組分、食品添加劑及食品酶制劑都以發(fā)酵罐為代表的生物反應(yīng)器作為主要發(fā)酵場(chǎng)所。近年來發(fā)展出了許多發(fā)酵過程多尺度優(yōu)化控制的新策略，包括多尺度理論與裝備、細(xì)胞宏觀代謝在線檢測(cè)傳感技術(shù)以及生理代謝參數(shù)相關(guān)分析等[24]。要對(duì)工業(yè)規(guī)模生物反應(yīng)器中的發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化，往往需要先在微小型反應(yīng)器中模擬，進(jìn)行發(fā)酵過程的縮放（scale-down），在縮放模擬反應(yīng)器中，可以利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬大規(guī)模反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞所經(jīng)歷的流場(chǎng)環(huán)境，即細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡，用于深入了解工業(yè)規(guī)模發(fā)酵過程中流體動(dòng)力學(xué)和代謝動(dòng)力學(xué)之間的相互作用。結(jié)合過程縮放實(shí)驗(yàn)所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠更有效地實(shí)現(xiàn)高效理性放大（scale-up）。

應(yīng)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(xì)胞在波動(dòng)環(huán)境中的生理代謝調(diào)控和產(chǎn)物合成動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制是活體細(xì)胞代謝過程中的核心問題，因此應(yīng)結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)揭示深層次的代謝調(diào)控機(jī)理，并在生物制造過程中，建立細(xì)胞生理代謝特性的在線檢測(cè)系統(tǒng)，用以感知細(xì)胞代謝過程。在線活細(xì)胞傳感儀、在線顯微細(xì)胞傳感儀可在線測(cè)定活細(xì)胞濃度、觀察細(xì)胞形態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理代謝變化監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流加反饋；在線過程質(zhì)譜儀可對(duì)尾氣組分在線精確分析，獲得呼吸代謝生理參數(shù)，指導(dǎo)發(fā)酵過程控制策略[25]。在獲得海量的過程參數(shù)變化信息后，應(yīng)利用深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等算法對(duì)過程大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、診斷與精確控制。建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，架構(gòu)現(xiàn)代化企業(yè)工廠與終端移動(dòng)設(shè)備之間的信息化橋梁，也是實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、在線監(jiān)控的技術(shù)需求。

1.3.3 智能分離工程 在使用細(xì)胞工廠發(fā)酵生產(chǎn)食品組分或添加劑時(shí)，產(chǎn)品的分離純化是發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的重要步驟，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，且占到整個(gè)發(fā)酵成本的20%以上[10]。區(qū)別于其他化工分離過程，食品分離工程必須根據(jù)食品物料的特性和食品衛(wèi)生安全要求，設(shè)計(jì)和調(diào)控分離設(shè)備和系統(tǒng)過程；需要精準(zhǔn)的流程設(shè)計(jì)和過程預(yù)測(cè)，以確保在實(shí)現(xiàn)分離提取目的的同時(shí)，最大程度地保留食品的營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味等食品品質(zhì)特質(zhì)。近年來，食品分離工程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)快速發(fā)展，在眾多食品分離方法中，以膜分離和色譜分離的技術(shù)及工程研究最為集中。在膜分離實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，研究主要集中于新膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[26]、膜材料合成與改性[27]、膜技術(shù)與其他分離技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用[28]、過程控制與優(yōu)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(lián)形式、膜的合成與改性、分離機(jī)理研究和膜污染控制是其基礎(chǔ)部分[26]。在此之上，基于流場(chǎng)[29]和分子模擬[30]的數(shù)值計(jì)算工作也被特別關(guān)注，來提升和輔助新膜的設(shè)計(jì)。膜分離技術(shù)常與其他分離技術(shù)（如色譜、結(jié)晶）聯(lián)用來進(jìn)一步提升分離效率。在色譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，研究主要集中于新固定相的研究與合成[31]、分析檢測(cè)技術(shù)串聯(lián)[32]、多柱色譜模式及其過程控制優(yōu)化[33]、分離機(jī)理拓展研究[34]。數(shù)學(xué)建模可以更進(jìn)一步地解釋實(shí)驗(yàn)科學(xué)中觀測(cè)到的現(xiàn)象，是未來實(shí)現(xiàn)食品分離自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)。目前關(guān)于數(shù)學(xué)模型的研究主要集中于模型校正[35]、模型選擇[36]和模型預(yù)測(cè)[37]，其中以上每一部分的工作都涉及模型的數(shù)值求解，可以輔助實(shí)驗(yàn)科學(xué)進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。

2 食品發(fā)酵工程的應(yīng)用進(jìn)展

現(xiàn)代發(fā)酵工程不僅能夠改善食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，賦予食品獨(dú)特的感官品質(zhì)和更長(zhǎng)的保質(zhì)期，同時(shí)還能夠用于生產(chǎn)各種食品功能成分甚至未來食品，以下將對(duì)現(xiàn)代食品發(fā)酵工程的主要幾大類產(chǎn)物進(jìn)行介紹。

2.1 改善傳統(tǒng)發(fā)酵食品的品質(zhì)和安全性

一些傳統(tǒng)發(fā)酵食品在品質(zhì)和安全性上仍需提升，生物技術(shù)即為傳統(tǒng)發(fā)酵食品升級(jí)換代的最有力工具。如在過去的25 年中，優(yōu)質(zhì)起泡酒的生產(chǎn)在很大程度上得益于生物技術(shù)的發(fā)展。在起泡酒的陳化過程中，酵母會(huì)發(fā)生自溶，從而釋放出許多細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)成分，這些物質(zhì)對(duì)起泡酒的質(zhì)量和風(fēng)味形成十分關(guān)鍵。Garofalo 等[38]通過對(duì)葡萄表面的天然酵母進(jìn)行完整多相表征，并檢測(cè)發(fā)酵過程中揮發(fā)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(fā)酵和二次發(fā)酵的發(fā)酵劑選擇及工藝控制提出建議。酶處理和對(duì)篩選出的酵母進(jìn)行固定化處理也對(duì)起泡酒的品質(zhì)起到了明顯的提升作用[38]。

圖5 現(xiàn)代食品發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生2A 級(jí)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(zhì)瓜氨酸自發(fā)反應(yīng)生成的，而瓜氨酸是由精氨酸經(jīng)過三個(gè)酶促步驟合成的。因此，為了減少精氨酸向瓜氨酸的轉(zhuǎn)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(fā)酵過程中添加該菌株在保持良好風(fēng)味的同時(shí)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(fā)合成，Wu 等[8]通過在釀酒酵母中過表達(dá)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(chuàng)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(fā)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(chǎn)功能食品和食品功能成分

功能食品因其調(diào)節(jié)人體生理功能的作用而廣受關(guān)注，其傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要是從植物或動(dòng)物組織中提取。近年來，發(fā)酵也成為生產(chǎn)功能食品的重要手段，酵素就是目前市場(chǎng)上廣受歡迎的發(fā)酵型功能食品。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界食用植物酵素產(chǎn)量高達(dá)百萬噸，銷售額達(dá)30 億美元[40]，已成為發(fā)酵食品行業(yè)的熱點(diǎn)之一。 T/CBFIA 08003-2017《食用植物酵素》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(fā)酵制得的含有特定生物活性成分可食用產(chǎn)品。植物酵素中含有多種活性成分，如酶類、花青素、有機(jī)酸、黃酮、多酚、氨基酸等[41]。酵素的發(fā)酵可分為自然發(fā)酵和人工接種發(fā)酵兩種。酵母菌、乳酸菌和醋酸菌為自然發(fā)酵中的常見微生物，但為了在發(fā)酵過程中快速行成優(yōu)良的微生物生態(tài)，抑制其他雜菌繁殖，促進(jìn)發(fā)酵代謝過程中特定活性物質(zhì)和風(fēng)味產(chǎn)物的產(chǎn)生，人工接種篩選過的優(yōu)異菌種（常用的有乳酸菌類、酵母菌及其復(fù)配菌）近年來在酵素生產(chǎn)中越來越普遍[42]。

除了發(fā)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(shí)現(xiàn)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(guān)注，人乳寡糖是母乳中含量第三高的營(yíng)養(yǎng)成分，作為益生元在嬰兒腸道中促進(jìn)有益菌群的生長(zhǎng)，對(duì)嬰兒的生長(zhǎng)發(fā)育具有非常重要的作用，在嬰兒配方食品、膳食補(bǔ)充劑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(shí)，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(chǎn)人乳寡糖也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

2.3 生產(chǎn)食品添加劑和酶制劑

氨基酸、淀粉糖、有機(jī)酸、糖醇、酶制劑等發(fā)酵產(chǎn)品都是重要的食品添加劑。目前，我國(guó)大部分的氨基酸產(chǎn)品都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并逐步使用生物合成替代化學(xué)合成，并實(shí)現(xiàn)了水解提取法。我國(guó)的有機(jī)酸行業(yè)通過使用自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)、連續(xù)色譜分離等高新技術(shù)，各項(xiàng)生產(chǎn)工藝參數(shù)得到優(yōu)化，以檸檬酸為例，我國(guó)檸檬酸行業(yè)的平均產(chǎn)酸率由2015 年的15.86%提高到了2020 年的17.58%，產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%以上[50]。糖和糖醇產(chǎn)品方面，通過開展技術(shù)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(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)內(nèi)涵，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品在我國(guó)陸續(xù)研發(fā)投產(chǎn)。同時(shí)，食品酶制劑已經(jīng)普遍應(yīng)用于提高食品原料利用效率、改進(jìn)食品風(fēng)味和安全性等。近年來，傳統(tǒng)的動(dòng)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(jié)構(gòu)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)的發(fā)展，酶分子的理性設(shè)計(jì)成為酶工程領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容以及獲取高效酶的有效手段，為食品合成生物學(xué)提供了重要工具。

2.4 創(chuàng)制未來食品

2.5 開發(fā)新型益生食品

很多傳統(tǒng)發(fā)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(fā)酵食品是益生菌進(jìn)入人體的優(yōu)良載體。近年來，傳統(tǒng)的益生食品也向著規(guī)?；?、多元化、定制化的方向發(fā)展。以發(fā)酵乳制品為例，2018 年，我國(guó)乳制品市場(chǎng)中發(fā)酵乳銷售額首次超過牛乳，消費(fèi)規(guī)模占國(guó)內(nèi)益生菌整體市場(chǎng)的78.4%，益生菌發(fā)酵乳產(chǎn)品已形成千億元的龐大市場(chǎng)[56]。除了被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用的傳統(tǒng)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(shí)增進(jìn)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(huán)境外，還對(duì)血壓、血糖、過敏、視力等方面發(fā)揮作用。我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)適用于中國(guó)腸道環(huán)境的新型益生菌種及益生食品[58]。除發(fā)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(fā)酵飲品等技術(shù)逐漸得到了推廣和應(yīng)用[59]。

3 食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 全球范圍食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

隨著生物技術(shù)的進(jìn)步及合成生物學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，食品發(fā)酵工程在近十年發(fā)生了革命性的進(jìn)步，發(fā)酵產(chǎn)品從種類、品質(zhì)、產(chǎn)量到功能都得到了顯著的提升，但現(xiàn)代食品發(fā)酵工程高速發(fā)展的同時(shí)也應(yīng)考慮可能的自然和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

2019 年發(fā)表在《科學(xué)》期刊的綜述文章提出：人體內(nèi)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(duì)人體內(nèi)尤其是腸道內(nèi)的微生物生態(tài)系統(tǒng)造成了難以預(yù)測(cè)的、甚至包括一些難以逆轉(zhuǎn)的變化，這些變化可能對(duì)生活在工業(yè)化社會(huì)中人們的健康產(chǎn)生不利影響[60]。傳統(tǒng)的發(fā)酵食品原本是人們安全地接觸微生物的方法，以補(bǔ)償在嚴(yán)格控制的食品工業(yè)化加工后微生物的損失[18]，但由于食品發(fā)酵過程的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)發(fā)酵食品微生物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的“非功能性”微生物丟失。這不僅會(huì)影響發(fā)酵食品風(fēng)味的塑造，長(zhǎng)久來看，更會(huì)對(duì)人類腸道微生物系統(tǒng)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(shí)，包容性地保留食品固有的微生物多樣性是食品發(fā)酵發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。

從社會(huì)角度考慮，現(xiàn)代食品發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展還需考慮到一些發(fā)展中國(guó)家的現(xiàn)實(shí)狀況。在一些國(guó)家，傳統(tǒng)食品發(fā)酵生產(chǎn)為當(dāng)?shù)靥峁┝撕芏嗑蜆I(yè)機(jī)會(huì)，是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟(jì)來源。一旦這些產(chǎn)品被合成生物學(xué)大規(guī)模發(fā)酵出的產(chǎn)品所替代，將極大地危害到傳統(tǒng)生產(chǎn)者的利益[61]。

在一些發(fā)展相對(duì)滯后的地區(qū)，發(fā)酵食品是當(dāng)?shù)厝酥匾臓I(yíng)養(yǎng)來源，且食品的發(fā)酵即使在冷鏈保藏條件下也無法長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。因此，如何利用發(fā)酵過程降低食物中的抗?fàn)I養(yǎng)因子成分以提高發(fā)酵食品的生物利用度，以及如何在衛(wèi)生狀況差、無過程控制的條件下保證發(fā)酵食品的安全性，都是全球范圍內(nèi)需要面臨的挑戰(zhàn)[2]。

此外，人造肉等新型的未來食品還面臨著監(jiān)管、政策制度和市場(chǎng)接受度等一系列挑戰(zhàn)。由于擁有生物制品及食品雙重身份，市場(chǎng)需為未來食品“量身打造”監(jiān)管政策及管理方法，只有安全監(jiān)管與政策完善才有利于新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。另外，大眾仍對(duì)“人造食品”存在安全性方面的擔(dān)憂，如何增強(qiáng)公眾對(duì)新食品新成分的接受度也是食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展進(jìn)程中必須面臨的挑戰(zhàn)。

3.2 中國(guó)食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

我國(guó)是發(fā)酵工業(yè)大國(guó)，檸檬酸、谷氨酸和維生素C 等多種大宗發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量均列世界第一。近年來，我國(guó)發(fā)酵工程技術(shù)水平和生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量都在持續(xù)增長(zhǎng)。但我國(guó)的食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

3.2.1 菌種的研發(fā)和保護(hù)不足 我國(guó)高水平工業(yè)菌種的研發(fā)能力不強(qiáng)，缺乏龍頭企業(yè)和科研院所的攻關(guān)合作，且知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，導(dǎo)致我國(guó)微生物菌種核心專利在全球的占比較低，嚴(yán)重受制于國(guó)外企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)封鎖。

3.2.2 生產(chǎn)鏈條智能化程度低 智能制造是未來制造業(yè)的核心趨勢(shì)，我國(guó)食品發(fā)酵生產(chǎn)鏈條的智能化程度仍然較低，關(guān)鍵裝備和技術(shù)分析軟件依賴進(jìn)口。

3.2.3 高端產(chǎn)品占比低 我國(guó)的生物發(fā)酵產(chǎn)品仍以大宗常規(guī)產(chǎn)品為主，高純度高附加值的精深加工產(chǎn)品仍然大多依靠進(jìn)口，下游生產(chǎn)鏈的分離純化技術(shù)是“卡脖子”的難題。如何優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高集成化、連續(xù)化分離純化技術(shù)裝備水平、增大高端產(chǎn)品比重，是我國(guó)發(fā)酵行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展亟待解決的問題。

3.2.4 產(chǎn)學(xué)研融合不夠深入 雖然我國(guó)已建立了眾多的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，用以整合資源，支撐技術(shù)創(chuàng)新，但科研院所的研究?jī)?nèi)容與企業(yè)需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求仍存在嚴(yán)重的脫節(jié)現(xiàn)象，實(shí)際的應(yīng)用轉(zhuǎn)化率較低。另外擁有創(chuàng)新能力和專業(yè)視野的技術(shù)和管理人才儲(chǔ)備不足。

3.2.5 市場(chǎng)準(zhǔn)入難、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)修訂滯后 由于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)修訂制度落后，審批周期長(zhǎng)，很多在國(guó)際上經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐已證明其安全性和必要性的產(chǎn)品，在我國(guó)卻難以進(jìn)入市場(chǎng)。我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系不適用于生物技術(shù)新產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，一定程度上阻礙了行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

3.2.6 節(jié)能減排壓力大 隨著綠色制造方針的貫徹落實(shí)，我國(guó)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的要求越來越嚴(yán)格。由于發(fā)酵行業(yè)對(duì)原料、能源和水資源的依賴程度較高，因此企業(yè)在提高資源利用率、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和增大環(huán)保投入等方面的壓力增大。

4 展望

食品發(fā)酵工程的未來發(fā)展方向?qū)⒁允称泛铣缮飳W(xué)為科學(xué)基礎(chǔ)，各類組學(xué)作為關(guān)鍵技術(shù)，智能化裝備作為生產(chǎn)載體，對(duì)資源進(jìn)行綠色利用，提升發(fā)酵加工效率，提高食品品質(zhì)和安全性，并最終實(shí)現(xiàn)食品營(yíng)養(yǎng)的精準(zhǔn)化和個(gè)性化供給。重點(diǎn)發(fā)展基于大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)的新模式、新裝備，用于傳統(tǒng)食品生產(chǎn)過程的多尺度優(yōu)化，打造綠色食品發(fā)酵新流程。未來將通過挖掘、篩選和改造傳統(tǒng)發(fā)酵菌種或靶向性地打造新型細(xì)胞工廠來優(yōu)化工程菌株。通過融合借鑒傳統(tǒng)發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)并構(gòu)建能夠感知食品發(fā)酵過程中目標(biāo)分子且適用于固體或半固體狀態(tài)食品發(fā)酵過程的高性能傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物積累和發(fā)酵菌株代謝特性參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)；并通過整合智能化過程控制技術(shù)和下游的智能分離純化技術(shù)，形成集成了智能傳感、發(fā)酵過程數(shù)據(jù)智能分析與診斷、精準(zhǔn)控制與分離的生物反應(yīng)器。構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、柔性精準(zhǔn)的智慧工廠，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)食品發(fā)酵工程的現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；椭悄芑镄?。