合成生物学行业：2023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究，拓展食物边界，合成生物推动新食品加速创新

拓展食物边界 合成生物推动新食品加速创新 2023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究 03导语 05Chapter1技术驱动下的新食品 合成生物学成为推动新食品发展的关键技术 16Chapter2新食品全球政策环境全球政策利好进一步加强 21Chapter3替代蛋白：未来食品的重要构成市场拐点取决于成本竞争力和消费者偏好 29Chapter4食品添加：食品工业边界拓展 低成本替代天然提取、高附加值新型产品开发 40Chapter5微藻：极具潜能的植物基新食品经济性和环境友好的细胞工厂 47展望 48版权说明 自1953年沃森和克里克解密DNA双螺旋结构后，人类进入到了基因时代；1976年基因测序方法问世；2000年人类基因图谱绘制完成，对基因组的研究进一步深入，从此开启合成生物学的新纪元。生物学的研究已经由定性描述发展为定量描述，直至今天的生命 创造。 合成生物学旨在通过设计和构建人工的生物系统，在基因组学、代谢组学、生物信息学等基础生物学认知之上，对生物系统进行标准化、解耦和抽提。合成生物学的研究和操作对象可以是某一个基因、代谢通路、细胞、多细胞乃至生物个体，也可以是利用生物学原理的体系如分子芯片、生物传感器等。识别和定义生物学元件使之标准化为确定的输入输出关系，将其在复杂的生物学功能中解耦为简单的要素，再抽提要素建立关系使之构建为可调用的模块化部件，最终通过各类部件实现目标功能。借助工程化思维，可以构建基因电路、基因组人工合成、理性设计细胞网络。 在应用层面，合成生物学作为一种生物制造生产方式，随着技术的发展，其产业已覆盖医药制造、化工生产、创新能源、新材料、食品、农业等多个行业，在食品领域也不断取得引人注目的研究成果，如血红蛋白、母乳中关键成分2’-岩藻糖基乳糖，以及乳铁蛋白的合成等。 2021年12月29日农业农村部印发《“十四五”全国农业农村科技发展规划》，明确“突破合成生物技术，构建高效细胞工厂和人工合成生物体系”，发展未来食品制造的“合成蛋奶油、功能重组蛋白等营养型食品的培养和制造技术”。2022年5月10日国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，是中国首部生物经济五年规划，确定了生物 经济发展的具体任务，明确提出“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，降低传统养殖业带来的环境资源压力。”2022年10月16日，党的二十大报告中提出“树立大食物观”、“构建多元化食物供给体系”，推动包括生物技术在内的战略性新兴产业发展，构建新的增长引擎。 “大食物观”拓展了传统的食物边界，“新食品”应运而生。从生命活动角度看，能量是生物体运转的保障，食物即能量的来源，要从耕地资源生产食物，转变为全方位、多途径开发食物资源，向植物、动物、微生物等要热量要蛋白。创新蛋白来源、食品原料和食品工业配料，开发用于食品生产的细胞工厂，以科技手段赋能食品产业，拓展食品边界，运用新技术将更多的生产场景引入食品领域，成为“新食品”的关键推动力。 以合成生物学为技术革新的源头，带动一系列产业变革。以构建细胞工厂为主要思路，涉及基因工程、代谢工程、蛋白质工程等一系列生物技术，是生物食品产业中最前沿与最活跃的领域。配合下游发酵技术、分离纯化技术等科学方法，是把理论研究发现转化为实际产品、生产过程和系统服务的全面产业，创造新的生产模式和经济形态。 本报告选取合成生物技术在新食品中应用的典型场景，重点关注替代蛋白、食品添加剂与食品原料的创新；同时，微藻作为新兴的植物基食品，亦可作为合成生物的底盘细胞，本报告也将关注其应用与发展潜力。 Chapter1 技术驱动下的新食品 ——合成生物学成为推动新食品发展的关键技术 合成生物学：构建高效表达的细胞工厂 •分子水平理性构建细胞 •合成生物为食品生产带来新方法 精密发酵：生产放大的必经之路 •原料与设备，决定生产成本的两个关键项 •发酵革新，向理性设计迈进 分离纯化：高效率获得目标产物技术与商业化成熟度 •食品成为全球合成生物市场重要增长极 •市场、政策双推动，新食品赛道走向下半场 •价值链各环节极具潜力的研发方向 1900年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的诞生，1953年DNA分子双螺旋结构模型的建立标志着对生命的研究进入基因时代，2000年具有“逻辑线路”的基因元件在大肠杆菌细胞中被构建，生命科学的发展从此进入合成生物学时代，一场跨越百年的生物学革命，带领人类迅速由“观测和描述”进入“创造”阶段。即使人类对生命的本质认识还远远不够，仍然抵挡不住生命科学的工程化进程，合成生物学为生命科学研究提供了可定量、可计算、可预测的全新方法论，为人类社会发展的重大问题提供了全新的生物学解决方案。 2004年《麻省理工科技评论》将合成生物学评为当年十大突破性技术之一，下表梳理了2000-2022年合成生物学研究代表性进展。 关键技术 时间 概述 生物开关和振荡模型 2000年 利用生物基因元件在大肠杆菌中构建逻辑（门）线路，将工程科学的研究理念引入生命科学领域 青蒿素前体生物合成 2003年 在大肠杆菌底盘细胞中，采用异源基因元件，成功合成青蒿素前体，展示了合成生物技术提升代谢工程能力的巨大应用前景 氨基酸代谢生物燃料 2008年 通过改变大肠杆菌氨基酸生物合成途径，生产出生物原料异丁醇 原核生物基因组合成 2010年 第一个完全由合成基因组构成的丝状支原体原核生物 CRISPR-Cas9 2012年 利用CRISPR-Cas9技术对目标DNA剪切，从而达到基因编辑的目的，成为基因编辑手段的里程碑 真核生物染色体合成 2014年 首次组装起真核生物合成染色体，并在酵母细胞内正常发挥功能 人工合成最小细菌 2016年 构建出只有473个基因的原核生物 大麻素合成 2019年 首次在酵母菌中合成大麻素及其相关衍生物 CO2人工合成淀粉 2021年 首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成 表1丨2000-2022年合成生物学研究代表性进展（来源：公开资料、DeepTech） 合成生物学在分子水平上对生命系统开展了重新设计和改造，形成了三大技术领域的分支，分别是“基因电路”、“基因组人工合成”、“理性设计细胞工厂”。 合成生物学实现了理论方法和应用实践螺旋上升的态势，基因电路的研究建立模块化工具库，特别是基因编辑技术的突破，空前加快了细胞代谢网络调控，工程应用的提升扩大了合成生物学的研究领域；面对生命科学的复杂问题，积极引进AI等数字化技术，建立结构化和抽象化的科研，提升研究效率，赋能产业化。 •构建细胞控制系统，使细胞进入多种稳定状态 •模拟生物发育过程信号进而调控细胞 •积累模块化基因元件 •生物开关、逻辑门、振荡模型等突破性技术 基因电路 01 •构建更小的生物基因组 •建立高度可控和可预测的生物细胞 •取得了原核生物基因组合成、真核生物染色体合成等成果 基因组人工合成 02 •改造和转移一系列基因，理性设计人工生物体系 •代谢网络调控，实现天然产物的从头合成 •代表成果有青蒿素前体生物合成、氨基酸代谢生物燃料、大麻素合成、CO2人工合成淀粉等 理性设计细胞工厂 03 图1丨合成生物三大技术领域（来源：公开资料、DeepTech） 科学家通过调整代谢通路中各种基因元件的表达，通过“设计-构建-测试-学习”循环的工程方法，构建高效细胞工厂。以理性设计细胞网络为手段，降低副产物，减少抑制物，提升生产效率，其产业已覆盖医药制造、化工生产、创新能源、新材料、食品、农业等多个行业。 在食品领域，合成生物学为研发赋能，为大规模食品生产建立新方法，开发多种功能的替代蛋白、合成天然稀有产物、提供微生物油脂、生产食品添加剂和食品原料，研发风味、质构、形态可控的食品产品，实现更安全、更营养和更可持续的食品获得方式。 值得注意的是，用作食品领域的底盘细胞需要较为谨慎的选择，尽管欧美等其他国家对大肠杆菌等非食品级的细胞所表达的产物接受程度较高，但选择食品安全级底盘细胞仍然非常有必要，如酵母菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等都是比较好的选择，对此类底盘细胞的合成生物学开发尚需加速成熟。 类别 释义 应用举例 •细胞培养肉 替代蛋白 以食品技术替代动物蛋白来源 •微生物发酵蛋白：酵母蛋白•人造奶：乳清蛋白、酪蛋白•肌红蛋白•鱼肉•甜味剂：赤藓糖醇、甜菊糖苷、阿洛酮糖•甜味蛋白：索马甜、巴西甜蛋白 食品添加剂 改善食品品质的化学合成或天然物质 •营养强化剂：母乳寡糖•色素：β-胡萝卜素、花青素•维生素：维生素E•香精香料：香兰素•其他：抗氧化剂、防腐剂 新食品原料 无传统食用习惯的新研制食品原料 透明质酸、拟微球藻、莱茵衣藻 功能食品原料 营养或调节生理活动的食品成分 人参皂苷、胶原蛋白、四氢嘧啶、麦角硫因 表2丨合成生物细胞工厂在食品领域应用（来源：公开资料、DeepTech） 发酵，即借助微生物的生命活动，来获得微生物菌体、直接代谢产物或刺激代谢产物的过程。中国有着悠久的发酵历史，如酸奶、酒类、泡菜、酱油等都是传统的发酵食品。随着近代工业的发展，氨基酸工业（谷氨酸钠为代表）、有机酸工业（柠檬酸为代表）、酶制剂工业（淀粉酶为代表）、淀粉糖工业和酵母工业等，形成了中国相当规模的发酵工业体系。 中国作为发酵产业的生产大国，在维生素、抗生素、氨基酸等领域始终处于国际产量前列，但仍然存在着较大的产业升级空间，截至2021年核心菌种自主率不足20%，其中氨基酸的菌种自主率不足5%，大量核心技术和精密设备依赖于进口，产业数字化进程缓慢等都是面临的巨大挑战。 精密发酵作为发酵领域的一个分支，以微生物为细胞工厂，通过发酵获得高纯度目标产物。精密发酵并非新鲜事物，在中国有着较成熟的产业基础，如利用基因工程改造微生物来生产人类胰岛素、生长激素、酶，以及维生素和部分营养补充剂等。相较于传统发酵，精密发酵作为最“年轻”的发酵技术之一，承担着合成生物学下游生产的巨大任务。 研发 •概念验证 •细胞工厂构建 •从0到1产品开发 小试 •提高发酵产率 •确定最佳工艺路线 •工业原料替代化学试剂 产业化 •技术参数稳定 •重资产、高投入 •提供大量标准化产品 图2丨精密发酵从研发到产业化路径（来源：DeepTech） 中试 •验证和使用方法 •确定经济技术指标 •提供少量产品 精密发酵另一个重要领域是培养基的研发，由于细胞工厂的底盘细胞和目标产物不同，需设计针对性的培养基。在成熟的发酵产业链中，各参与企业的竞争，实质上是对工艺、成本、稳定性和规模的控制，培养基与发酵菌种的适配，简化工艺流程，提升整个生物反应效率，降低成本，提升产品批次间的稳定性，才能真正实施于大规模生产。 在生产过程中，培养基总成本占有较大比重，按菌种和产物的不同，成本可达38%-72%，有机碳源通常是发酵成本中的主要组成。在培养基成分上选择天然物料，优先考虑农业生物质废料作为原料，可以实现成本可控、环境友好，如以木质纤维素替代蔗糖、淀粉等碳源；除生物质外，甘油和C1（CO、CO2、甲烷和甲酸盐等）资源作为碳源也受到了广泛关注。 发酵原料 碳源氮源 生长因子诱导剂杂质 替代蛋白食品添加剂新食品原料功能食品原料 目标产物 精密发酵 在培养基中避免或减少使用昂贵的生长因子和诱导剂有利于进一步降低成本。由于工业级培养基存在较多的抑制剂和不可发酵组分等杂质，需要深入解析底盘细胞的耐受机制并针对性改造。 发酵设备全球产能仍然有限，用于精密发酵的发酵设备仅占3%，占比低的原因是由技术和市场双重决定的，一方面精密发酵要求工艺设备的溶氧、pH、温度、进排气控制的精度高；另一方面由于产物附加值比较高，往往生产规模较小。同时，中国工艺设备自主率仍然比较低，发酵产线的建造和调试依赖进口。 图3丨精密发酵原料、产物（来源：DeepTech） 发酵过程微生物的生长状态尚未完全解析，与合成生物学对细胞的理性设计不同，目前对发酵的工艺控制仍以经验为主，尚未有数学模型能完全预测生物