日前，2024中国生物发酵产业技术大会在山东济南举行。围绕生物发酵行业领域的机遇与现状，与会嘉宾分别就加快生物制造过程迭代升级、健康功能微生物产业创新发展、功能性油脂的未来发展趋势和健康食品的设计制造等展开探讨。
发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近200年来的事。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成CO2和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。
在过去的几个世纪，发酵工程经历了以生产食品等生活资料为主的自然发酵过程，转变为以生产生活资料和工业基础资料并重的代谢控制发酵过程。在此过程中，发酵工程经历了天然发酵阶段、纯种发酵阶段、深层发酵阶段等，在菌种选育、过程控制、分离技术等方面有了长足发展。近30年来，生物技术的迅速发展，为新时代发酵工程的发展提供了重要的基础，使得科学家和工程技术人员可以利用发酵工程实现更多的目标，实现对其他行业的支撑作用，如医药行业、食品工业、农业和畜牧业、能源与材料、纺织、造纸与皮革工业、日化行业、环境生态等。进入21世纪，人类的可持续发展与生态环境、资源能源等矛盾日益突出，如何发挥发酵工程的关键作用，也是发酵工程研究人员的一个主要任务。系统生物学、合成生物学、生物信息技术、先进材料科学的发展，也给发酵工程带来了很多革命性的提升。采用先进的生物技术，可以实现好氧发酵转厌氧发酵、发酵食品微生物群落的人工合成、构建自养型微生物发酵工厂、人工合成酶等一系列前所未有的转变，发酵工程可以更好完成未来更为艰巨的挑战。
从过去的啤酒、黄酒，到现在的酸奶、功能性食品，发酵工程在食品制造领域展现的魅力无处不在。如今，在生物技术的助力下，发酵工程正突破重重难关，实现对食品品质与产量的双重提升。
现代发酵工程助力食品工业发展
“一般认为，发酵工程的发展包括以下几个阶段：天然发酵阶段、纯培养发酵阶段、深层发酵技术阶段、现代发酵工程技术阶段，以及新一代发酵工程技术阶段。”江南大学生物工程学院教授周景文介绍。
自古以来，发酵技术就是食品制造的关键环节。大约在9000年前，人类就已经开始利用谷物酿造啤酒，这也成为发酵技术诞生的标志。而在4000年前的龙山文化时期，黄酒酿造技术的出现，进一步提升了人类的食品发酵技术水平。此后，豆酱、醋、豆腐乳、酱油、泡菜等传统食品的生产，也都离不开发酵技术的应用。然而，传统发酵技术大多依赖自然菌群的生长和人们的生活经验，对发酵条件的控制较为粗糙，因此发酵得到的产品品质和产量难以保证。
20世纪80年代后，基因工程技术的出现推进了其他学科的迅速发展，国际和国内发酵工程进入到现代发酵工程阶段。发酵工程根据生产流程，被划分为上游、中游和下游工程3部分。上游工程主要为菌种的选育和改造，以期获得生产性能良好的菌株。中游工程主要为发酵过程控制，通过对发酵过程中各种参数的采集、分析和反馈，获得产品积累的最佳发酵条件。下游工程主要是对产品的分离和纯化，采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，达到指标后制成产品，最终进入消费市场。
现代发酵工艺的组成
菌种选育
20世纪70年代以后，随着基因工程技术和其他支撑学科的融合发展，在基因水平对发酵菌株进行改造成为可能。基于基因工程，可以导入外源基因，生产菌种原来并不生产的物质，如胰岛素等[18]。基于基因工程也可以对菌体本身的基因或者途径进行强化或弱化，改变菌体的物质流和能量流，向着提高产品的通路流动，如对谷氨酸棒状杆菌进行改造，可以获得积累L-谷氨酸、L-赖氨酸、L-苏氨酸的菌株[19]。基于基因工程甚至可以改变菌体的生理性状，使得菌株的耐受性获得改善，产品利于分离，降低中游和下游的操作难度和成本，如α-酮戊二酸耐酸菌种的构建，可以有效提高α-酮戊二酸的积累，降低了中游发酵难度和下游分离成本[20]。现代菌种构建技术结合飞速发展的高通量测序技术、生物信息学技术、高分辨率质谱和核磁技术、同位素标记技术、高分辨率电镜技术等，可以方便快捷对菌种的各项性能进行快速鉴定，进而指导对菌株的理性改造，获得性能更加优异的菌种。
过程控制
发酵反应的重要场所是发酵罐，发酵过程控制主要基于发酵罐进行。发酵罐一般具有管路系统（空气、物料输入输出、温控管路等）、搅拌系统（搅拌桨、搅拌轴和电机等）、检测系统（温度、pH、溶解氧、甲醇体积分数等）、数据分析系统和反馈系统（蠕动泵，加热模块、电机等）等。图3为一个典型的发酵系统示意图。
发酵过程控制系统包括数据采集系统、数据分析系统和反馈操作系统。数据的采集包括温度、pH，溶氧、OD值、转速、压强以及铵离子、金属盐离子、甲醇、葡萄糖、乳酸、谷氨酸、乙醇等含量。加装尾气检测装置后，可以分析尾气中水分、氧气、二氧化碳等浓度。数据分析系统根据获得的数据可以直接用于反馈操作系统，也可以对初级数据进行加工获得次级数据，如比生长速率等，然后再用于反馈操作系统。反馈操作系统根据获得的数据，对发酵条件进行在线调整，如调节温度、转速、流加速度和通气流量等，以维持发酵条件处在最佳状态，提高产物的积累量。多年来，发酵过程控制也逐渐由简单控制向智能控制转变，发展出了诸如模糊控制等复杂的发酵控制策略[21]。
分离技术
对发酵液中产品的分离纯化，占到整个发酵成本的20%以上，并且直接影响产品的质量。将产品从发酵液或者细胞中分离出来，一般包括破碎、离心、过滤、萃取、色谱分离、膜分离、浓缩、结晶、干燥、制剂等步骤。根据不同的产品，会选用不同的分离流程。随着材料科学的不断发展，产品分离越来越依赖于高性能材料，如使用不同的高分子材料制成的半透膜以及色谱填料等。
现代发酵工程采用微生物单一培养的方式，通过优化培养条件来提高产量和品质，为食品生产带来了革命性变革。此外，现代发酵工程还实现了对温度、pH值、营养物质等发酵条件的精确控制，进一步提升了发酵效果。
同时，自动化、连续化发酵设备的应用，大幅降低了人力成本和发酵周期，提高了生产效率。“现代发酵工程技术已经和众多行业深度交叉整合，产生了巨大的社会和经济效益。”周景文说。
相比于传统发酵技术，现代发酵工程技术在食品研发中展现出更广泛的应用前景。例如，利用现代发酵工程技术生产的益生菌酸奶、高纤维面包等功能性食品，丰富了食品种类，满足了人们对健康饮食的需求。现代发酵工程还在食品添加剂、酶制剂等领域发挥着重要作用，为食品工业的发展注入了新活力。
但与此同时，我国传统发酵食品产业仍面临自动化程度低、过程控制受限等问题。天津科技大学校长路福平认为，目前传统发酵食品产业的生产缺乏数字化客观标准和评价技术、以数字化为核心的智能装备，以及接地气的数字化评价表征新体系。传统发酵食品产业未来应以食品风味和人们的健康为导向，以数字化为驱动，搭建高效智造生产4.0平台。
智能、节约和高效是发展关键
发酵工程涵盖了微生物学、生物化学、分子生物学等多个领域。在食品生产中，发酵工程主要应用的生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程等。这些技术的应用，使食品制造过程更加高效环保，产品品质也得到了显著提升。“采用先进的生物技术，可以实现好氧发酵转厌氧发酵、发酵食品微生物群落的人工合成、构建自养型微生物发酵工厂等。”周景文说。
然而，生物技术在食品发酵工程中的应用也面临一些攻关难点。首先，微生物菌种的筛选和优化是一个复杂而耗时的过程，需要借助先进的生物技术和设备来实现。其次，发酵过程中的代谢调控和产物分离纯化也是技术难点，需要对微生物的代谢途径和产物性质有深入了解。最后，食品安全也是生物技术应用在食品发酵工程中不容忽视的重要方面。
新一代发酵工程技术的关键是智能、节约和高效。在周景文看来，中国的发酵工程技术在世界上大多还处于跟跑和伴跑阶段，开发新一代发酵技术是我国实现领跑的契机。通过与其他学科的交叉融合，发酵工程技术的主要研究应该从产品制造和技术改进，拓展到新理论的发现、新方法的发明、新产业的发展等。
近年来，科研人员针对食品发酵工程技术难点进行了大量研究创新。例如通过基因工程技术改良微生物菌种，提高其发酵性能和产物品质；利用代谢工程技术优化微生物的代谢途径，提高产物合成效率；开发新型发酵设备和工艺，实现发酵过程自动化和智能化控制等。
技术应用前景广阔
自从工业革命以来，人类对不可再生化石燃料的大量开发与使用，导致全球污染、气候异常越来越常见，严重威胁了人类的生存。同时，化石燃料资源储备减少，开采难度增加，开采成本提高。因此，环境友好型的新能源越来越成为重点研究领域。
生物发酵将发酵技术和现代生物技术相结合，经过不断发展形成了成熟的产业化发展模式。中国轻工业联合会会长张崇和说，生物发酵是轻工特色产业，是生物制造的基础产业。近年来，生物发酵行业自主创新能力显著增强，装备水平快速提高，节能减排成效显著。生物发酵行业为轻工业高质量发展和国民经济稳增长贡献了积极力量。
他认为，生物发酵产业的产品更加多元化、生产更加现代化、市场更加国际化，正在为满足消费者日益增长的风味、营养、健康和文化需求，发挥着积极且重要的作用。
现代生物技术具有可预测、可再造、可调控等特点，在人造生命、器官再造、生物存储、高能细胞、人机交互等方面发展迅速。新一代发酵工程技术的关键是智能、节约和高效。中国发酵工业技术与国际最先进水平的关系大多数还是跟跑和伴跑，开展新一代发酵技术是实现领跑的契机。通过与其他学科的交叉融合，发酵工程技术的主要研究应该从产品制造和技术改进，拓展到新理论的发现、新方法的发明、新学科的发生、新产业的发展，对中国传统产业升级、新经济形态构建、经济和国防安全保障做出重要贡献。