食品及饲料添加剂的生物制造

食品及饲料添加剂的生物制造

徐 岩 穆晓清

（江南大学，无锡 214122）

徐岩，教授，博士生导师，江南大学副校长。长期从事功能定向酿酒微生物及其代谢与微生物酶与分子酶工程方面的研究，方向包括白酒、黄酒、葡萄酒、酶制剂和精细化学品等。

E-mail：yxu@jiangnan.edu.cn

作者简介

穆晓清，江南大学副教授。长期从事发酵工程和生物催化方面的研究，方向包括酶制剂和精细化学品等。

E-mail：xqmu@jiangnan.edu.cn

合理开发和使用添加剂，提高食品或饲料产品的营养性和功能性是现代食品工业和饲料工业发展水平的重要目标。随着科技和经济的飞速发展，添加剂的安全性已经成为当下的重大课题。利用天然产物提取或者生物法制备获得的天然添加剂由于具有更高的产品品质和安全性，成为添加剂绿色制造的趋势和方向。我国食品和饲料添加剂产业通过多年国家产业政策扶持和科技攻关，发展迅猛。对我国食品和饲料添加剂的生物制造的研究现状、 进展及发展趋势进行了客观全面综述，明确今后食品和饲料添加剂开发的趋势和重点。

食品添加剂是 “为改善食品品质和色、香、味以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质”，饲料添加剂则是在饲料生产加工、使用过程中添加的少量或微量物质，对强化基础饲料营养价值、提高动物生产性能、保证动物健康、节省饲料成本、改善畜产品品质等方面有明显的效果。现代食品与饲料添加剂融合了营养学、生理学、生物化学、生物工程学和微生物学等多门学科的最新研究成果，添加剂的生理功能、应用范围和制造方法得到了长足的发展。随着人们环保意识的提高和可持续发展的需要，开发健康安全、价廉有效、环境友好、资源节约、绿色低碳的新型添加剂产品和生产工艺对于促进食品与饲料工业产业升级具有重要意义1。

1 食品及饲料添加剂的生物制造现状

1.1 食用色素的生物制造

食用色素是食品添加剂的重要组成部分，广泛应用于食品工业、医药以及化妆品等方面。中国是世界上食用色素产量和使用量最多的国家。目前，中国批准允许使用约60种食用着色剂，根据色素色调主要可以分为以红曲色素、辣椒红素为代表的红色系，以β-胡萝卜素为代表的黄色系，以靛蓝为代表的蓝色系和以酚类聚合物为代表的黑色系等产品2。

传统红曲色素主要通过红曲霉固态或者液态发酵法生产获得。固态发酵法是食用天然色素工业化应用最早的方法，产品色价高，色素稳定；液态发酵则具有生产周期短、产量高、产品纯度高、节省原料等优势。

发酵法制备黄色系食用色素研究主要集中在类胡萝卜素和黄色素。番茄红素和β-胡萝卜素是类胡萝卜素中研究热点，其发酵常用的生产菌株三孢布拉霉菌已经成功应用到工业化规模生产。国内研究者利用红曲霉生产单一高浓度黄色素，色价达到2000U/mL。

蓝色系食用天然色素中常见的是栀子蓝色素和靛蓝。以栀子黄提取后的废液为原料，建立了β-葡萄糖苷酶发酵和酶促反应分开的两步法制得栀子蓝色素，不仅有效节约原料，同时提高生产利用率。

黑色素由酚类化合物的氧化聚合形成，颜色由深棕色到黑色，广泛存在于动物、植物和微生物中。微生物产生的黑色素主要分为壁（膜）结合黑色素和胞外色素，常被用于农业、化妆品和药品中。常见的产黑色素的微生物包括细菌（链球菌、蜡状芽孢杆菌、嗜麦芽假单胞菌）、霉菌（黑曲霉、链格孢菌、构巢曲霉、米曲霉等）、放线菌（链霉菌）以及真菌（出芽短梗霉）3。

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1.2 食用香料香精的生物制造

香料香精对于提升食品、饮料、酒类、卷烟、日化、医药、饲料以及纺织和皮革等工业产品质量和档次作用极为重要。目前世界上香料品种约6000多种，全球香料香精市场年需求量总计超过200亿美元4。

随着人们对香料香精安全性认识日益深刻，世界各国都建立了其毒理方面的法规。虽然从动植物原料中提取的天然香料能够符合人们安全性的需求，但受原料来源的约束，其开发和应用受到极大限制。人类利用生物加工获得或强化特征风味的历史可以追溯到酒类、酱、醋和奶酪的加工，发酵食品中特定的微生物群落结构决定了食品所特有的香气结构，包括挥发性醇类、酯类、羰基化合物、有机酸、硫化物、氨基酸类等，这也为微生物发酵生产香精香料提供了科学基础。美国和欧洲法律规定，“天然”香料除了由物理方法从动植物原料中提取获得，也可以通过酶或微生物以自然界中分离获得的天然物质为前体加工获得。

传统食品发酵过程中筛选获得的细菌、酵母和霉菌等大多都具有合成芳香化合物的能力。大多数酵母除了能够产生大量醇类化合物外，还具有合成果味酯的能力，如乳酸克鲁维酵母能合成果味、花香味的萜烯类物质，香气掷孢酵母能合成桃子味内酯类化合物；细菌也具有较强的香精香料合成能力，如枯草芽孢杆菌能够全程合成酱香型特征风味化合物吡嗪类化合物；霉菌是传统发酵风味化合物合成的主要贡献者，如产脂肪酶的华根霉能够催化己酸乙酯等脂肪酸酯的合成，哈茨木霉菌株能有效形成具有椰子味的内酯6-戊基-吡喃酮。

随着发酵工程、酶工程、细胞工程、基因工程等发展，利用微生物代谢过程合成或者酶促催化前体物质合成天然香料的研究已成功应用于天然乙偶姻、天然香兰素、天然苯乙醇等。

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1.3 营养强化剂的生物制造

食品营养强化剂与人体健康关系密切，是改善人群微量营养素缺乏的重要手段。目前我国批准使用的营养强化剂有200多种，包括维生素、氨基酸和无机盐三大类。氨基酸类营养强化剂包括以L型色氨酸、络氨酸、赖氨酸、蛋氨酸为代表的天然氨基酸，以γ型氨基丁酸为代表的非蛋白质氨基酸和以左旋肉碱为代表的类氨基酸类化合物。维生素类营养强化剂涵盖了维生素A、维生素B族（B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12）、维生素C等。无机盐类营养强化剂主要包括葡萄糖酸锌、葡萄糖酸钙、柠檬酸钙和乳酸钙等常量或微量元素5。目前，如花生四烯酸、牛磺酸、肌醇、核苷酸、酪蛋白磷酸肽等新型的食品营养强化剂也得到了开发和应用。

维生素C，又名抗坏血酸，是一种抗氧化剂，在人体的氧化还原代谢反应中起调节作用，能够保护身体免于氧化剂的威胁。目前人工合成维生素C的方法有很多，比较成熟的是由中国科学家尹光琳发明的利用酮古龙酸杆菌与蜡状芽孢杆菌的二步发酵法6。维生素B是维生素12产品中价格最为昂贵的品种之一，具有广泛的生理学作用，它参与体内甲基转换及叶酸代谢、促进神经髓鞘中脂蛋白的形成、保持中枢神经和外周髓鞘神经纤维的功能完整、参与广泛的蛋白质及脂肪代谢7。维生素B主要用于医药、饲12料添加剂（约36%）、食品添加剂（约24%）等方面。全球维生素B12主要生产商帝斯曼公司的发酵水平达到250～300U/mL，国内仅为150～200U/mL，存在较大差距。

1.4 甜味剂的生物制造

低热量或无热量、非营养性的高倍甜味剂是甜味添加剂研究的重点内容，由于其甜度高、用料少、成本低等优点，产销量日益增多。新型植物来源的天然糖苷类甜味剂如甜菊糖、甘草甜素和罗汉果苷等发展迅猛，已占甜味剂总量的10%。

甜菊糖是从甜叶菊中提取出的含8种甜味成分的四环二萜类化合物，其甜度高达蔗糖甜度的50～200倍，是国际甜味剂市场上第三大畅销甜味剂产品，国际市场年销售额已超10亿美元，甜菊糖及其衍生物的潜在生物活性正被越来越多的国家、组织所认可，其特殊功能性也正逐渐被开发利用8。酶法改性甜菊糖是去除其后苦涩味的有效途径，主要集中利用呋喃果糖苷酶催化甜菊糖的果糖苷化、利用环糊精葡糖基转移酶催化甜菊糖的葡萄糖苷化、利用葡萄糖苷酶催化甜菊糖的葡萄糖苷化以及利用半乳糖苷酶催化甜菊糖的半乳糖苷化。随着对酶促转糖基机理的研究深入，有望能够实现从分子层面上对甜菊糖的定向设计改造，从而得到更多功能性甜菊糖衍生物。

作为改性功能性甜味剂的糖醇含有两个以上羟基，具有甜度低、热值低、口感好、稳定性强、水溶性高、适宜人群广等特点，越来越受到消费者的欢迎9。常见的糖醇包括甘露醇、木糖醇、赤藓糖醇等。其中木糖醇作为甜味剂，其甜度与蔗糖相当，糖尿病人在食用含有木糖醇的食品后不会有明显的血糖变化，所以木糖醇可以辅助糖尿病的治疗。在自然界中，能够产生木糖醇的微生物有细菌、霉菌及酵母菌等。细菌和霉菌产木糖醇效率不高，而酵母菌转化木糖生产木糖醇的性能优越，尤其是假丝酵母属、德巴利氏酵母属、管囊酵母属等。为了提高木糖醇的产量、缩短生产周期，固定化细胞技术、基因工程技术、数学模型模拟和优化等新技术在木糖醇发酵生产中得以应用。赤藓糖醇是一种四碳糖醇，甜度约为蔗糖的60%～70%，作为一种新型的功能性甜味剂广泛应用于食品、医药、化工及化妆品等领域。能生产赤藓糖醇的菌株主要有假丝酵母属、球拟酵母属、毛孢子菌属、三角酵母属、毕赤酵母属、丛梗孢酵母属、短梗酵母属等。

1.5 防腐剂的生物制造

添加防腐剂是延长产品保质期，防止产品腐败变质的重要方法。尽管目前化学防腐剂如苯甲酸钠、山梨酸钾等依然在我国防腐剂市场上占有很大份额，随着生活水平的提高和保健意识的增强，人们对食品安全的关注度越来越高，天然、绿色、安全的天然防腐剂将占据更大的市场，并逐渐取代传统的化学防腐剂。

根据来源，天然防腐剂主要包括植物源食品防腐剂（如果胶分解物、大黄、黄菩、大青叶等中草药、香辛料等）、动物源食品防腐剂（如壳聚糖、鱼精蛋白质、蜂胶等）、微生物源食品防腐剂（如溶菌酶、乳酸链球菌素等）10。其中由微生物发酵制得的天然防腐剂，具有安全无毒、抗菌性强、适用性广、性能稳定和易于工业化生产等无可比拟的优势，成为重点研发对象并广泛应用于食品、医药等领域。

微生物来源的生物防腐剂是由微生物代谢产生的抗菌物质，主要包括有机酸、多肽或前体肽等，通过细胞膜通透性变化和能量产生系统破坏抑制微生物的生长。目前已被批准并在全球广泛应用的微生物防腐剂有乳酸链球菌肽、曲酸和纳他霉素等。乳酸链球菌肽是经乳酸链球菌发酵产生的一种由34个氨基酸残基组成的小肽，对主要食品腐败菌（梭菌和芽孢杆菌等）具有较强的抗菌活性，在食品防腐中具有重要价值。曲酸是由米曲霉、黄曲霉、白色曲霉等多种霉菌发酵获得的弱酸性化合物，广泛应用于肉食的护色、防止熏制品中致癌物的形成以及果蔬保鲜、生食品杀菌防腐等。纳他霉素是纳他尔链霉菌产生的一种具有活性的环状四烯化合物，它能有效抑制和杀死酵母、霉菌及其他丝状真菌。

聚赖氨酸是最近发现的一种新型的生物防腐剂，由25～30个赖氨酸残基聚合而成，具有强烈的抑菌能力，可以作为防腐剂用于食品的保鲜。目前聚赖氨酸已在日本工业化生产，一般采用葡萄糖为原料使用链霉菌发酵法生产。此外，链霉菌产生的几丁质酶对真菌具有一定的抑制作用，球孢链霉菌产生的溶菌酶可特异性地溶解金黄色葡萄球菌和其他食品污染菌。由链霉菌产生的泰乐菌素对革兰阳性菌具有广谱的抑制作用，对一些孢子也有杀灭作用。

1.6 酸度调节剂的生物制造

酸味剂主要有柠檬酸、酒石酸、苹果酸、乳酸、磷酸等，主要应用于食品饮料加工中，通过酸味的调节得到口味适宜的制品。

柠檬酸是生物体主要代谢产物之一，在自然界存在于柠檬、柑橘、梅子等果实中，广泛应用于食品、医药和化学工业11。目前，柠檬酸全世界年消耗量已超过160万吨，70%用于食品行业，中国是全球最大的柠檬酸生产国。液体深层发酵法生产柠檬酸发酵时不生成孢子，全部菌体细胞用于代谢柠檬酸，发酵速度高，是主要的生产模式。

L-乳酸广泛应用于食品、医药、日化和工业等各个领域。近年来，随着石化资源的不断紧缺，众多化学合成的高分子材料的生产受到了限制12。乳酸的生产主要有生物发酵法和化学合成法。化学合成法因其原料具有毒性，且只能生产D、L混合型乳酸，所以应用受到限制。生物发酵法则具有底物成本低、生产温度温和、能耗低且可以用于生产高光学纯度单一构型的乳酸等优点。近年来，全球每年大约有90%的L-乳酸是通过生物发酵法获得的。

L-苹果酸是生物体代谢过程中产生的重要有机酸，具有许多生物功能和生物活性，尤其在能量代谢方面对保护人类健康起着重要的作用13。近年来，其全球需求量快速增加，保持年均10%左右的高速度增长。目前，世界苹果酸主要生产国有美国、加拿大、日本等，世界总产量约为10万吨/年。化学合成的苹果酸为DL型，虽成本低廉，但不易吸收，有一定的毒性，不适于食品工业应用。酶转化法生产L-苹果酸存在富马酸原料价格高、生产污染大、产品中杂酸含量偏高等缺点。而原料来源丰富、产品成本低廉、杂酸含量低、食用安全性高的微生物发酵法被认为是最有前途的方法。

1.7 酶制剂的生物制造

食品与饮料用酶是工业酶制剂中最大的、唯一每年超过10亿美元的市场，并且每年仍以8%左右的速度持续增长。MarketsandMarkets公司预计到2021年，全球食品酶制剂的总产值将达到29.4亿美元。目前，国内外大规模工业化生产和应用的食品酶制剂种类主要有淀粉酶、糖化酶、葡萄糖异构酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、乳糖酶、葡聚糖酶、纤维素酶、木聚糖酶以及磷脂酶等14。

酶制剂在粮食与油脂等的改性、面制品品质改善以及油脂压榨等方面的作用是其在食品工业应用的研究热点。木聚糖酶不仅能够提高馒头的比容和高径比、增加白度，还能够延缓馒头的老化；葡萄糖氧化酶、脂肪氧合酶和谷氨酰胺转胺酶有助于面条面筋蛋白之间交联形成蛋白质网络结构使生产出来的面条更筋道； α-淀粉酶、木聚糖酶、脂肪酶或葡萄糖氧化酶能够起到改善面团的加工特性和稳定性、改善面包瓤的组织结构和增大面包比容的效果；麦芽糖淀粉酶可以防止淀粉因和面筋之间的相互反应而产生的老化作用；天冬酰胺酶能够减少饼干在烘烤过程中丙酰胺的生成量，提高饼干的安全性；油脂改性是目前脂肪酶应用和研究的热点。

饲料用酶是工业酶制剂中增长速度最快的市场。饲用酶制剂是一种以酶为主要功能因子的饲料添加剂，是经基因工程技术筛选出的细菌或真菌菌株的发酵产物。饲用酶制剂一直是饲料添加剂领域最引人关注的研究热点之一15。饲用复合酶、饲用植酸酶和饲用木聚糖酶是饲料添加剂中常用的酶制剂，预计到2020年全球饲用酶年市场总值将达到13.7亿美元。酶制剂作为一种新型高效饲料添加剂，不仅对于开辟新的饲料资源和降低饲料生产成本具有重要作用，也可以有效提高动物生产性能、减少养殖排泄物的污染，为饲料工业和养殖业高效、节粮、环保的可持续发展提供了保障和可能性。

1.8 增稠剂、乳化剂的生物制造

食品增稠剂是指具有水溶性，在一定条件下能充分水化形成黏稠或胶冻液的大分子物质，又称食品胶。常用的食品增稠剂主要有明胶、瓜尔豆胶、角叉胶、果胶、阿拉伯胶、黄原胶、卡拉胶、刺槐豆胶、羧甲基化纤维素、藻酸盐和琼脂等16。增稠剂的主要作用在于提高食品的稳定均一性。如在肉制品中添加卡拉胶、黄原胶，可提高肉制品的口感，增加肉制品的结着性和持水性；在面制品中添加瓜尔豆胶、羧甲基化纤维素钠，可提高面制品的韧性和爽滑度，改善表面光洁度和口感；在果冻中添加海藻酸钠、卡拉胶，可提高胶凝效果，色泽透明。

随着对微生物多糖研究的深入，微生物多糖作为凝胶剂、成膜剂、保鲜剂和乳化剂等，逐步替代食品和医药行业传统食用的高等植物和海藻胶。近年来，多种微生物多糖，如葡聚糖、黄原胶、结冷胶都已经实现了商业化生物加工。黄原胶是世界上第一个大规模生产的细菌杂多糖，广泛用于石油开采、食品、化妆品、医药、纺织、陶瓷等多个行业。目前黄原胶全球产量超过10万吨/年，我国已成为世界上最大黄原胶生产国，其中45%用于食品加工17。黄原胶由野油菜黄单胞杆菌经有氧发酵分离纯化获得，生物反应器和温度、搅拌速度、溶氧等发酵因子对其产量具有较大的影响。结冷胶是一种多功能凝胶剂，由少动鞘氨醇单胞菌发酵生产的18。它是一个具有四糖重复单位的阴离子细胞外多糖，因其独特的性质而广泛应用于食品、制药、生物等多个领域中。美国食品与药物管理局（FDA）于1992年批准结冷胶作为稳定剂和黏结剂在食品中使用。目前结冷胶的生产方法主要由微生物发酵法生产，国内外众多学者在结冷胶的生产菌种及发酵工艺条件等方面做了大量研究，目的是为了提高菌株的生产能力，降低生产成本。

2 我国食品及饲料添加剂生物制造产业的展望

随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，安全、营养、多功能、生态的食品及饲料添加剂可持续生产不仅是人民健康生活的重要保障，同时也是带动和促进相关食品与饲料工业发展的战略基础。

源自动物、植物、微生物的原料经提取加工获得的天然食品添加剂，如天然抗氧化剂茶多酚、天然甜味剂甘草提取物、天然色素番茄红素、天然香料香兰素等受到国际市场的普遍青睐。同时，一些化学合成的食品添加剂如合成色素奶油黄等已被明令禁止使用，这都为天然、安全的食品添加剂的发展留下了巨大空间。

目前，我国食品及饲料添加剂制造产业主要存在以下几个问题。①产业科技创新不足，缺乏知识产权保护和质量管理体系建设，产品大多集中在低端产品，附加值低，国际竞争能力弱，是生产大国而非强国；②行业产业链完整度弱，可持续性生产能力差，少有清洁生产和循环经济示范；③部分产业集中度和进入门槛低，产业配套能力（如果自动化装备）低，缺乏龙头企业的引领和示范，无法形成规模效益。

食品及饲料添加剂制造产业的生物制造已经成为产业发展的趋势，我国食品及饲料添加剂制造产业，需要整个产业群层面的科技与管理创新体系的支持。从国家发展战略的高度，重视和强化基础应用科研和成果的产业化转移，资金和产业政策导向支持是食品及饲料添加剂制造产业发展的基础；基于产学研平台，加强校企合作，针对食品及饲料添加剂生物制造研究的热点和难点进行攻关，实现生物法替代，基于生物多样性和原创性研究和改造新型天然多功能食品添加剂；以产品品质和生产成本为核心，开发环境友好的绿色制造途径，运用基因工程、细胞固定化技术、诱变育种等生物技术手段，降低生产成本和能量消耗，提高效率，达到增产增收。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.05.004