绿色技术：功能营养品微生物制造

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NUTRITION

人们对日常的健康日益关注，对于疾病逐渐从被动治疗转变为主动预防，以膳食补充剂为主要形式的功能性营养化学品越来越受到大众的青睐。

什么是营养化学品？

根据 1994 年美国食品药品监督管理局(FDA)公布的《膳食补充剂健康与教育法》(DSHEA)，膳食补充剂被定义为：

具有特定保健功能或者以补充维生素、矿物质为目的的营养化学品，即适于特定人群食用，补充膳食供给的不足，预防营养缺乏和降低发生某些慢性退行性疾病的风险，但不以治疗疾病为目的，服用较长时间才显功效，并且对人体不产生任何急性、亚急性或慢性危害的功能性营养化学品。通常是一类含有一种或多种膳食成分(包括维生素、矿物质、氨基酸、草药和其他植物提取物)，或以上成分的浓缩物、代谢物、提取物的片剂、胶囊及液体等形式的产品。

营养化学品的发展可分为三个阶段：

1

第一代营养化学品主要是各类强化食品，这类产品未经任何试验检验，是根据各类营养素或强化的营养素的功能推断该食品的营养功能。

2

第二代营养化学品的推出必须经过动物和人体试验，证明其具有某项生理机能。

3

第三代营养化学品的推出除了需要用动物和人体试验来证明某项功能，还需要知道其具有该功效的有效成分的结构及含量。

功能营养品是具有调节人体生理功能、适于特定人群食用的一类化学品。微生物经工程改造后可以合成功能营养品，以微生物细胞工厂为核心的绿色微生物制造技术正在迅猛发展。

营养化学品的种类及功能

功能性营养化学品主要分为传统型和新型两类，传统型主要为氨基酸、核苷酸以及维生素；新型高效的功能性营养化学品主要有植物来源(植物性药材、水果、蔬菜)天然提取物和动物来源(水生生物)的分离物。

01

药用植物来源营养化学品

果蔬来源营养化学品

02

03

水生生物来源营养化学品

图 营养化学品功能分布图

营养化学品的应用现状

目前销售的主要营养化学品仍然是传统型维生素和矿物质，如维生素 B 复合物、维生素 A、维生素 C、钙和铁。其他受欢迎的新型营养化学品包括用于抗氧化防衰老的辅酶 Q10 、用于治疗骨关节炎的葡萄糖胺和软骨素、用于降低胆固醇的大豆磷脂等。

随着营养化学品市场需求剧增，对动植物源性化学品原料的需求量也会相应增加，特别是部分珍稀野生动植物(如紫杉醇、深海鱼等)，长此以往，势必会打破物种多样性平衡。如何在把控食品安全前提下，保障原料充足，维持营养化学品日常刚需，是营养化学品制造商亟待解决的问题之一。

图 中老年消费者试图通过营养化学品改善病症调查结果

资料来源：《2019～2020 中国食品消费趋势及产品创新白皮书》，

http://www.foodaily.com/market/show.php?itemid=19715[2019-06-17]

天然动植物的功能性营养化学品成分普遍含量都比较低，提取成本较高；化学合成法有机溶剂的大量使用存在环境污染问题。以绿色微生物制造工艺技术为代表的现代工业生物技术体系正在迅猛发展，对于提高人民生活水平与质量、减少从植物提取造成的耕地浪费和缓解化学合成造成的环境污染问题，都具有重要的战略意义。

营养化学品的微生物制造

微生物制造技术是以微生物可再生资源为原料生产能源、化工产品和功能性营养化学品的新型工业模式，被认为是创造新的化学品工业的最有发展前景的道路。微生物制造的本质是生物化学转化，即利用微生物技术手段来完成从底物到产品的生物加工过程。然而，自然界中任何一种微生物酶系统的种类、生物活性、转化效率都是有限的，无法直接满足工业生产的条件。要将微生物改造成高效的工业微生物菌株，需要借助代谢基因组学、系统微生物学、合成生物学等技术手段，解析微生物的基因、蛋白质、调控网络与代谢过程的本质。在分子、细胞的生态系统尺度上，多水平、多层次地认识和改造微生物，经过人工控制的重组和优化，重新分配微生物细胞代谢的物质流和能量流，从而充分利用微生物广泛的物质分解转化与化学合成能力，高效地制造具有功能性的化学品。

目前，国内虽已有相关功能性营养化学品生物合成的教材或专著，但比较零散或只介绍单一功能性营养品，没有一本系统介绍微生物制造营养化学品相关技术的著作。鉴于近二十年来微生物发酵技术的迅猛发展，作者希望系统总结重要营养化学品微生物合成技术，为相关科研人员或对此方面感兴趣的学者提供参考。

《功能营养品微生物制造技术》第 1 章首先结合合成生物学知识对 4 种常见的工程宿主菌大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、枯草芽孢杆菌及酿酒酵母的背景进行介绍，随后在第 2～7 章中重点介绍寡糖、多糖、短链有机酸、天然色素、维生素及脂肪酸 6 类重要营养化学品的分类、功能、微生物制造现状及展望。以系统生物学和合成生物学为技术手段，通过阐明功能营养化学品合成代谢与调控网络、精准构建及调控细胞工厂，实现高价值功能性营养化学品的高效生物制造，有望为健康产业提供有价值信息，全面促进人类健康发展。

《功能营养品微生物制造技术》

刘龙，陈坚，堵国成 等 著

北京：科学出版社，2020.12

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-066817-2

责任编辑：贾 超，侯亚微

内容简介

《功能营养品微生物制造技术》对大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、枯草芽孢杆菌及酿酒酵母等模式微生物进行了介绍，并详细阐述了寡糖、多糖、短链有机酸、天然色素、维生素和脂肪酸等功能营养品的分类、功能、微生物制造现状及展望。

本书可作为营养学、微生物学、发酵工程等专业的参考书，亦对研究人员利用微生物细胞生产功能营养品具有一定参考价值。

本书目录

目录
第1章 绪论 1
1.1 营养化学品的种类、功能及应用 1
1.1.1 营养化学品的概念 1
1.1.2 营养化学品的种类及功能 2
1.1.3 营养化学品的应用现状 5
1.2 微生物制造技术与合成生物学 7
1.2.1 工程宿主菌：大肠杆菌(Escherichia coli) 8
1.2.2 工程宿主菌：谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum) 9
1.2.3 工程宿主菌：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 10
1.2.4 工程宿主菌：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 11
1.3 营养化学品的微生物制造 13
1.3.1 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中氨基葡萄糖的合成途径 13
1.3.2 系列母乳寡糖的生物制造 15
1.3.3 维生素K2的生物制造 18
1.3.4 磷脂酰丝氨酸的生物制造 20
1.4　结束语 22
参考文献 22
第2章 寡糖的微生物制造技术 29
2.1 寡糖的种类、功能及应用 29
2.1.1 氨基寡糖 29
2.1.2 果糖寡糖 30
2.1.3 母乳寡糖 32
2.1.4 木糖寡糖 33
2.1.5 褐藻酸寡糖 33
2.1.6 葡萄糖寡糖 34
2.1.7 其他类型的寡糖 34
2.2 氨基葡萄糖的微生物合成技术 34
2.2.1 氨基葡萄糖及其衍生物 34
2.2.2 氨基葡萄糖及其衍生物合成方法 35
2.2.3 氨基葡萄糖及其衍生物微生物发酵法 37
2.3 低聚乳果糖的微生物制造技术 46
2.3.1 益生元的概念引入 46
2.3.2 酶法合成低聚乳果糖的研究现状 47
2.3.3 低聚乳果糖的物理化学性质 48
2.3.4 酶法合成低聚乳果糖过程 49
2.3.5 副产物葡萄糖的抑制作用 51
2.3.6 产物低聚乳果糖的降解 52
2.3.7 酶催化合成低聚乳果糖 52
2.3.8 全细胞催化合成低聚乳果糖 54
2.3.9 固定化酶合成低聚乳果糖 54
2.3.10 低聚乳果糖的分离纯化及其定性定量 55
2.3.11 低聚乳果糖的功能研究 55
2.3.12 体外研究 56
2.3.13 动物体内研究 56
2.3.14 人的体内研究 57
2.3.15 低聚乳果糖的潜在应用及展望 57
2.4 母乳寡糖的微生物制造技术 58
2.4.1 母乳寡糖的介绍 59
2.4.2 母乳寡糖的结构和主要成分 62
2.4.3 母乳寡糖合成技术 64
2.4.4 母乳寡糖微生物制造的前沿进展 66
参考文献 68
第3章 多糖的微生物制造技术 70
3.1 多糖的种类、功能及应用 70
3.1.1 多糖的概念 70
3.1.2 多糖的种类 70
3.1.3 多糖的功能 76
3.1.4 多糖的应用 83
3.2 透明质酸的微生物合成技术 86
3.2.1 透明质酸的概念 86
3.2.2 透明质酸的理化性质 87
3.2.3 透明质酸的制备方法 88
3.2.4 透明质酸的合成工艺 88
3.3 唾液酸的微生物制造技术 91
3.3.1 唾液酸的概念 91
3.3.2 聚唾液酸的概念 92
3.3.3 唾液酸的生产 92
3.3.4 制备唾液酸的试验步骤 93
3.3.5 产物的测定 95
3.4 可得然胶的微生物制造技术 96
3.4.1 可得然胶的概念 96
3.4.2 可得然胶的理化性质 97
3.4.3 可得然胶合成方法 97
3.4.4 可得然胶的生产工艺 98
3.4.5 合成过程的优化 99
参考文献 101
第4章 短链有机酸的微生物制造技术 106
4.1 短链有机酸的种类、功能及应用 106
4.1.1 丙酸的功能及应用 106
4.1.2 丙酮酸的功能及应用 107
4.1.3 3-羟基丙酸的功能及应用 108
4.1.4 苹果酸的功能及应用 109
4.1.5 富马酸的功能及应用 109
4.1.6 琥珀酸的功能及应用 109
4.1.7 丁酸的功能及应用 109
4.1.8 衣康酸的功能及应用 110
4.1.9 木糖酸的功能及应用 110
4.1.10 α-酮戊二酸的功能及应用 110
4.1.11 柠檬酸的功能及应用 110
4.1.12 葡萄糖酸的功能及应用 111
4.1.13 己二酸的功能及应用 111
4.2 重要酮酸的微生物制造技术 112
4.2.1 丙酮酸的微生物制造技术 112
4.2.2 α-酮戊二酸的微生物制造技术 115
4.3 重要C4有机酸的微生物制造技术 116
4.3.1 琥珀酸的微生物制造技术 117
4.3.2 富马酸的微生物制造技术 118
4.3.3 苹果酸的微生物制造技术 119
4.3.4 丁酸的微生物制造技术 120
4.4 重要C5有机酸的微生物制造技术 120
4.4.1 衣康酸的微生物制造技术 120
4.4.2 木糖酸的微生物制造技术 121
4.5 重要C6有机酸的微生物制造技术 121
4.5.1 柠檬酸微生物制造技术 121
4.5.2 葡萄糖酸微生物制造技术 124
4.5.3 己二酸微生物制造技术 124
参考文献 125
第5章 天然色素的微生物制造技术 133
5.1 天然色素的种类、功能及应用 134
5.1.1 食用天然色素的种类 134
5.1.2 天然色素的功能 136
5.1.3 食用天然色素的应用 137
5.2 类胡萝卜素的微生物制造技术 140
5.3 番茄红素的微生物制造技术 143
5.3.1 番茄红素的生物合成途径 144
5.3.2 番茄红素的代谢调节 144
5.4 花青素的微生物制造技术 145
5.4.1 植物酶的异源表达 147
5.4.2 辅助因子/底物供应的调控 147
5.4.3 特异性转运体的构建 148
5.4.4 生产条件的优化 148
参考文献 149
第6章 维生素的微生物制造技术 151
6.1 维生素的种类、功能及应用 151
6.1.1 水溶性维生素的种类、功能及应用 151
6.1.2 脂溶性维生素的种类、功能及应用 153
6.2 水溶性维生素的微生物制造技术 155
6.2.1 维生素C的微生物制造技术 155
6.2.2 维生素B1的微生物合成技术 157
6.2.3 维生素B12的微生物合成技术 157
6.3 脂溶性维生素的微生物制造技术 159
6.3.1 维生素A的微生物合成技术 159
6.3.2 维生素D的微生物合成技术 160
6.3.3 维生素E的微生物合成技术 162
6.3.4 维生素K的微生物合成技术 162
6.4 结束语 163
参考文献 163
第7章 脂肪酸的微生物制造技术 171
7.1 脂肪酸的种类、功能及应用 171
7.1.1 概述 171
7.1.2 脂肪酸功能及应用 173
7.2 二十碳五烯酸的微生物制造 179
7.2.1 EPA的概念及性质 179
7.2.2 EPA的生理活性功能 179
7.2.3 EPA的应用 180
7.2.4 EPA的生产及提取技术 181
7.2.5 微生物发酵生产 181
7.3 γ-亚麻酸的微生物制造 185
7.3.1 γ-亚麻酸的概念及性质 185
7.3.2 γ-亚麻酸的生理活性功能 185
7.3.3 γ-亚麻酸的应用 187
7.3.4 γ-亚麻酸的自然资源 187
7.3.5 微生物发酵产GLA的研究现状 189
7.3.6 微生物发酵生产GLA工艺 190
7.4 二十二碳六烯酸的制造技术 192
7.4.1 二十二碳六烯酸的概念及理化性质 192
7.4.2 DHA的主要生理功能 193
7.4.3 DHA的应用 194
7.4.4 DHA的来源 195
7.4.5 DHA的微生物合成 196
7.4.6 裂殖壶菌发酵生产DHA 196
参考文献 198
专有名词注释表 200
索引 205

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（本文编辑： 王芳）

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