全球经济发展、人口增长和生活水平提高带来了蛋白质需求的大幅度增加，蛋白质资源紧缺已成为日益严峻的全球性问题。我国作为拥有14亿人口的发展中大国，对蛋白质资源的巨大需求是关乎国计民生和国家战略安全的核心议题。然而，传统依赖农业和畜牧业的蛋白质生产模式面临严峻挑战。一方面，畜牧养殖和大豆种植等传统生产方式占用大量土地、水资源，排放大量二氧化碳等温室气体，加剧了环境压力和气候变化。另一方面，我国蛋白质的持续短缺，导致每年大豆等粮食进口量居高不下，严重威胁我国粮食安全。面对这个现状，以微生物细胞工厂为核心驱动力的新质蛋白生物制造，正展现出前所未有的巨大潜力与发展前景，为实现蛋白质供给的范式革命提供了全新路径。

图1 微生物细胞工厂介导的新质蛋白生物制造

微生物细胞工厂，本质上是利用合成生物学等前沿技术，对酵母、细菌、丝状真菌以及微藻等微生物进行深度设计与精准改造，将其重塑为高效合成目标产物的“活体机器”（图1）。微生物细胞工厂利用淀粉糖等粮食原料，秸秆等农林废弃物甚至CO2等一碳原料来生物制造菌体蛋白、酶蛋白和功能蛋白，代表一种全新的蛋白质生产力，不仅关乎未来食品的变革，更是一场深刻的工业革命，有望为构建可持续的未来社会提供强大的物质基础。该文聚焦当前新质蛋白领域的发展动态，重点分析通过先进生物技术手段优化微生物底盘细胞，从而高效合成符合食品级标准的新型、高质量蛋白质产品的技术路径、产业化与应用前景，以及未来发展面临的挑战和方向。

1 新质蛋白发展背景与意义

（1）全球蛋白质需求的增长与可持续发展挑战 全球蛋白质资源需求猛增的原因是多方面的叠加效应。研究表明，未来几十年全球蛋白质需求量预计将增长50%以上，这对现有蛋白质生产体系提出了严峻挑战。

（2）传统蛋白质生产方法的局限性 传统的畜牧种植业不仅消耗大量的土地、水、能源等资源，而且对生态环境具有破坏性，难以实现可持续发展。随着人口持续增长和“碳中和”目标的约束，传统蛋白质生产模式难以长期维持大规模、可持续的蛋白质供给，迫切需要构建更可持续的蛋白质供给新模式。 

（3）微生物细胞工厂的优势 其核心优势首先体现在生产效率上，微生物具有快速增殖的特性，其世代周期远短于植物细胞，可在数日内完成生产流程。可以利用较为丰富廉价的秸秆、果渣等农业与食品加工废弃物，甚至CO2等工业废气作为碳源，配合氨水、尿素等低成本氮源，有望实现低成本生产，并且可与循环经济更好地结合。同时借助生物反应器可以实现工业化放大，生产条件温和、过程可控，消耗的能源和废物、废气排放远小于传统畜牧业，符合绿色生产的理念。产品纯度更高，避免传统提取工艺中可能遇到的病毒、农药残留等问题，可以在人为创造的环境内持续不断生产，不受季节、气候的影响。

2 新质蛋白微生物细胞工厂的构建策略

微生物细胞工厂作为可再生资源合成新质蛋白的核心平台，其构建依托于系统生物学、合成生物学、发酵工程及人工智能（AI）等多学科技术的协同，通过基因设计、代谢途径与网络、底盘细胞的迭代设计、构建、测试与学习工程循环（图2），提升微生物细胞工厂性能，实现目标蛋白的高效、可控生产。微生物新质蛋白生产主要分为生物质发酵与精密发酵两大技术体系。前者利用微生物细胞工厂繁殖迅速和蛋白质含量高的特性，规模化生产菌体蛋白；后者则通过微生物细胞工厂表达生产酶蛋白和功能蛋白。

图2 新质蛋白微生物细胞工厂创制

3 新质蛋白生物制造：系统设计与优化

新质蛋白的生物制造是合成生物学与生物制造领域的核心挑战，其高效实现依赖于从分子到工艺的全链条一体化设计与系统优化（图3）。在分子水平，通过理性设计与深度学习优化编码序列及表达元件，奠定高效表达的基础；在细胞水平，重构底盘细胞的代谢与调控网络，最大化资源流向目标蛋白合成；在工艺水平，创新发酵与分离纯化策略，实现制造效率与经济性的双重提升。唯有贯通这3个层级的设计与优化，才能突破生物制造的瓶颈，推动新质蛋白的产业化应用。

图3 新质蛋白生物制造系统设计与优化

4 非粮食原料利用与新质蛋白可持续生物制造

碳源是蛋白质合成过程中的主要原料，传统的动物蛋白生产使用玉米、豆粕等粮食作物为原料，占用了大量的土地及水资源；新质蛋白生物制造采用的是非粮可再生碳源，如农业废弃物、工业废气等，切断了传统粮食这一环节，从而达到碳的循环利用。农业废物（秸秆、麸皮等）可以转化为高价值碳源，或用来生产蛋白质。此外，CO_₂作为“终极碳源”展现出显著的颠覆性潜力，借助合成生物学手段改造的微生物（如蓝藻、工程大肠杆菌等），能够高效固定并转化CO_₂，甚至可直接利用工业排放的CO_₂合成蛋白质，为实现碳循环经济提供全新的技术路径。

5 微生物细胞工厂生产的新质蛋白的市场应用前景

微生物细胞工厂生产的新质蛋白凭借高效、可定制和可持续的特性，在食品领域具有广阔的市场前景。利用微生物新质蛋白发展蛋白肉产品，是目前备受关注的方向。通过酵母、细菌或真菌等微生物细胞工厂，可高效生产与动物肉营养成分和风味特性高度相似的蛋白质，甚至能够定制特定氨基酸组成和质构特性。相较于传统植物基蛋白肉，利用微生物新质蛋白开发的蛋白肉不含过敏原，生产过程不受气候影响，且资源利用效率高，环境足迹显著降低。微生物细胞工厂是核心（决定蛋白质转化效率），高效底盘菌株筛选技术可降低成本。威尼斯镰刀菌作为生产菌丝蛋白的核心菌株，凭借独特的生物学特性，高效的代谢能力及适配工业化生产的优势，成为全球新质蛋白领域的标杆菌株。目前，英国、美国、欧盟、中国等多个国家和地区已建立起基于微生物细胞工厂的大规模可持续生产体系，并开发出多种蛋白肉产品，销往全球数十个国家。

此外，微生物细胞工厂还能够定制化生产多种高附加值食品成分，包括高性能食品酶、高甜度低热量的天然甜味蛋白、营养与功能高度一致的乳清蛋白，以及具备抗氧化与抗菌等功能活性肽。这些产品契合清洁标签、健康营养和可持续消费的新兴需求，正在引领未来食品产业的创新方向。

6 未来展望

微生物细胞工厂作为新质蛋白生物制造的核心平台，正引领一场深刻的食品与农业科技革命，展现出颠覆传统农业生产模式的巨大潜力，然而其发展仍面临多重挑战，未来需要在技术创新与产业应用上实现关键突破。

6.1 蛋白质性能设计优化

目前从氨基酸序列精确预测三维结构及理化性质仍极为困难，尤其是对全新设计的蛋白，其折叠稳定性、溶解性及分子互作能力难以预判，严重限制了理性设计的成功率。实际应用往往要求新质蛋白兼具营养、质构、乳化性等多种特性，而将不同功能域整合于单一分子或复合物中，涉及复杂的多肽协调表达与组装，这对现有技术提出了极高的要求。

利用人工智能（尤其是深度学习）模型，可对海量蛋白质序列-结构-功能数据进行训练，实现对新蛋白功能的精准预测和逆向设计，这将大幅缩短设计周期，从“试错”走向“精准创制”。采用模块化设计理念，将不同功能域（如催化结构域、锚定结构域、稳定结构域）进行组合与优化，像搭积木一样构建具有复合功能的新型蛋白，以满足不同食品的具体应用需求。

6.2 底盘细胞性能改造优化

底盘细胞性能是微生物细胞工厂高效合成新质蛋白的核心瓶颈。现有底盘细胞的蛋白质合成能力有限，复杂或大分子外源蛋白易错误折叠形成包涵体，导致活性产物得率低；缺乏精确的翻译后修饰能力（如糖基化、磷酸化等），使真核源蛋白的功能性和安全性不足；还有在工业发酵环境中的胁迫条件（如温度、pH波动）显著影响抗逆性和生产稳定性。

可通过多技术融合对底盘细胞进行系统优化。运用合成生物学策略，通过基因组精简、代谢途径重构及异源修饰系统引入，设计高效合成且具备精准加工能力的新一代底盘细胞。结合自动化平台与人工智能，建立高通量构建和机器学习辅助的筛选与优化体系，实现对蛋白表达、折叠和分泌过程的精准调控。最后，借助适应性实验室进化等技术，选育耐受工业苛刻条件的鲁棒性底盘细胞，提升生产稳定性和经济性。通过这些系统性改造，推动微生物细胞工厂实现从“能合成”到“高效、稳定、可控生产”的跨越。

6.3 非粮原料利用与过程工艺优化放大

传统发酵依赖葡萄糖等粮食基原料，成本高且存在“与人争粮”的伦理争议，而非粮原料（如秸秆水解液、糖蜜、CO₂/甲烷等）虽来源广泛、成本低，但成分复杂且含抑制物，会严重抑制细胞生长和蛋白质合成，且微生物往往缺乏高效利用这些碳源的天然代谢途径，导致转化效率和产率低下。与此同时，工艺放大是另一大瓶颈：实验室成功的微生物细胞工厂，在工业级发酵罐中常因传质传氧不足、混合不均和热移除困难等问题，导致代谢异常、副产物积累和产率大幅下降，严重影响生产稳定性和产品质量。

未来需通过多技术路径协同突破。一方面利用合成生物学重构细胞代谢网络，提升对复杂碳源的利用效率，并结合定向进化选育耐受抑制物的鲁棒菌株；另一方面需开发在线监测与智能控制策略，设计新型生物反应器，并建立机理与数据驱动的放大模型，实现精密调控和平稳放大。最终通过原料创新与工艺升级的深度融合，推动新质蛋白生物制造实现低成本、高效、可持续的工业化生产。

微生物细胞工厂运用合成生物学以及交叉学科的技术手段，创造全新的蛋白质生物制造模式，在具有更强可持续性、更高效益和更强功能性的优点的同时，也为实现粮食安全、碳中和，维护人类健康提供强有力的技术支撑。随着技术的发展和产业生态的不断成熟，微生物细胞工厂将是未来主导的新质蛋白生物制造方式之一，是推动未来食品和生物经济发展的重要力量。在未来的食品科技版图中，升级蛋白质产品新需求，微生物新质蛋白有望成为传统蛋白质来源的有力补充，为消费者提供更多元、更健康、更可持续的选择。而新质蛋白在食品各领域研究的不断深化，正逐步推动现有产业形态的迭代升级；同时，其应用潜力也将深度融入人类社会的可持续发展进程，为解决资源、环境等核心议题提供全新路径。

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=UsPV4INcYzgv4YPBB4KeTeYJx82SVUFiKUmXiiQIBU3GDpjv1LnWTSh5pBdzip9nJ_DM5-mQGauGOgcEpQ02yqLSUodidgvc66ykBBtJo3uIn_8m7YC5KZ5cyHg6qbxXbMFOSm07lFGMAMiUxLej3DZhuOX7wCrZ8yyW3Rbo87m7rBso38Yk_A==&uniplatform=NZKPT&language=CHS