综述：微生物组工程在提升食品安全与质量中的作用

本文聚焦微生物组工程（Microbiome engineering），探讨其在改善食品安全与质量方面的应用。阐述了微生物组在食品系统中的作用、相关技术，以及面临的监管、伦理等问题，强调其潜力巨大，需多学科协作以推动发展。

　　

微生物组工程在提升食品安全与质量中的作用

引言

食品安全是全球面临的重大挑战，食源性疾病频发、食品变质及化学添加剂使用带来诸多风险。微生物组工程为解决这些问题提供了新途径，它通过精准调控微生物群落，有望提升食品安全性、质量和可持续性，不过在发展过程中需要应对科学、技术、伦理等多方面挑战。

食品系统中的微生物组

不同食品基质中的微生物组具有多样性，在食品发酵、风味形成和保存方面发挥着重要作用。

• 多样性和在不同食品基质中的作用：如乳酸菌（LAB）在乳制品发酵中可降低 pH 值，抑制病原体生长，还能改善风味和质地，且具有益生菌特性；肉类微生物组中的乳酸菌等可发酵肉类防止变质，但也存在病原体风险；植物性食物微生物组多样，参与发酵和风味形成，也与食物腐败有关。
• 对发酵、风味发展和保存的贡献：发酵过程中，微生物将糖类等有机物转化，不同食品发酵涉及不同微生物。例如，乳制品发酵中 LAB 发酵乳糖产生乳酸，促进蛋白质凝固和保存；肉类发酵中微生物参与颜色形成和风味改善；植物性食物发酵可提高消化性和营养生物利用度。

微生物组在食品腐败和致病中的作用

微生物组既参与食品有益过程，也与食品腐败和食源性疾病相关。

• 关键腐败生物和病原体：像单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、大肠杆菌 O157（Escherichia coli O157）等是重要的病原体和腐败生物，会导致食品质量下降和引发健康问题。
• 腐败和食源性疾病的机制：病原体和腐败生物通过代谢途径产生代谢物和毒素，影响食品安全和质量。如假单胞菌（Pseudomonas）可分解蛋白质和脂肪，导致食品异味和变质；酵母菌和霉菌可发酵糖类产生不良风味和毒素。
• 重大疫情和腐败事件案例研究：1993 年美国大肠杆菌 O157 爆发、2008 年加拿大单核细胞增生李斯特菌污染事件等，都凸显了微生物污染的危害，强调了加强微生物控制和食品安全监管的重要性。

微生物组工程的前沿技术

微生物组工程借助多种前沿技术，为改善食品质量和安全提供了有力手段。

• CRISPR-Cas9、TALENs 和其他基因编辑工具：CRISPR-Cas9 具有高精度、高效率和多功能性，可用于工程有益微生物，增强其在发酵过程中的性能或灭活致病基因；TALENs 虽设计复杂，但准确性高，适用于特定精确编辑场景。这些技术还可用于工程微生物群落，优化代谢输出。
• 工程微生物群落以获得所需特性：合成生物学在微生物群落工程中发挥关键作用，可修改代谢途径，使乳酸菌等产生额外生物活性化合物，提高发酵食品的营养价值；还可设计微生物群落产生天然防腐剂，延长食品保质期。此外，操纵群体感应途径可调控发酵过程。
• 成功案例和当前研究：通过基因工程和合成生物学，已成功构建具有增强益生菌和抗逆性的乳酸菌菌株，改善了发酵植物性食品的营养和感官特性。目前研究还聚焦于开发新型益生菌和利用天然微生物替代食源性病原体。

宏基因组学和代谢组学

宏基因组学和代谢组学为研究食品系统中的微生物组提供了深入见解。

• 微生物组分析的先进技术：宏基因组学可直接分析环境中的微生物群落，发现新微生物和揭示生态相互作用；代谢组学则关注微生物代谢产物，两者结合可全面了解微生物群落的功能。
• 在识别和操纵微生物群落中的应用：宏基因组学可实时监测食品系统中的微生物群落，代谢组学可识别关键代谢物，两者结合有助于工程合成微生物群落，提高食品质量和安全性。
• 近期研究的见解：宏基因组学可探究发酵和风味形成的微生物相互作用，代谢组学可识别乳制品腐败的关键代谢物，为优化发酵过程和延长食品保质期提供依据。

益生菌、益生元和合生元

这些成分在微生物组工程中对改善肠道健康和食品质量具有重要意义。

• 工程益生菌以实现特定功能：通过遗传工程，可增强益生菌产生抗菌肽、合成维生素等功能，还可利用合成生物学创建具有新功能的 “设计益生菌”，开发具有特定健康功效的功能性食品。
• 益生元在塑造有益微生物组中的作用：益生元是可选择性滋养肠道有益细菌的食物成分，添加益生元可促进益生菌生长，改善肠道健康。目前的研究重点是开发新型益生元，靶向特定细菌群体或代谢途径。
• 合生元配方的创新：合生元结合了益生菌和益生元的优点，可提高益生菌在肠道中的定植和效果。目前的创新包括优化合生元成分的兼容性和开发针对特定健康问题的靶向合生元。

改善食品质量和延长保质期

微生物组工程在提升食品质量和延长保质期方面展现出巨大潜力。

• 生物强化和营养增强：通过对微生物的精准修饰，可提高食品的营养价值，如使发酵乳制品中产生更多必需微量营养素，提高作物对微量营养素的吸收和转化效率。
• 工程改善感官品质（味道、质地）：通过微生物组编辑，可优化发酵过程中的微生物组成，减少不良风味产生，增加有益风味化合物合成，还可通过工程微生物产生胞外多糖改善食品质地。
• 近期进展的证据：研究表明，微生物组工程可提高植物性饮食中铁的生物可及性，改善葡萄酒风味，生产出具有良好感官特性和营养背景的食品。

微生物组干预延长保质期

微生物组工程为延长食品保质期提供了创新策略。

• 抑制腐败生物的策略：在乳制品等食品中，微生物组工程可通过引入有益微生物竞争资源、产生抗菌物质等方式抑制腐败生物生长，如工程乳酸菌产生抗菌肽抑制肉类腐败细菌，利用生物保护培养物延长发酵蔬菜保质期。
• 延长新鲜度和减少浪费的案例研究：改良乳酸菌培养物可延长肉类产品保质期，减少腐败；微生物组工程可延长牛奶和奶酪保质期，降低食品浪费，提高经济效益。
• 经济和环境效益：延长食品保质期可减少食品腐败，降低生产和零售成本，减少消费者购物次数，降低食品浪费和杂货费用；同时减少食品垃圾填埋产生的甲烷排放，降低对化学防腐剂的依赖，有利于环境保护。

监管、伦理和社会考虑

微生物组工程在发展过程中需要考虑多方面因素。

• 监管框架和指南：不同地区对微生物组工程的监管框架不同，如美国 FDA 的 GRAS 框架、欧盟的相关法规等，但目前的监管框架在应对基因编辑微生物等方面存在不足，需要制定更完善的指南。
• 监管审批过程中的挑战：微生物组工程产品面临监管审批难题，包括缺乏针对性规则、需要大量数据证明安全性和有效性、微生物群落复杂性增加风险评估难度以及对转基因生物释放环境风险的担忧。
• 消费者对工程微生物组的认知和接受度：消费者对微生物组工程的接受度受感知风险和利益影响，若能证明健康益处和信息透明，消费者通常更愿意接受。同时，微生物组工程还涉及伦理问题，如对生物多样性和人类健康的潜在影响，以及可能存在的利益分配不均问题。

新兴技术和创新

多种新兴技术为微生物组工程带来新机遇。

• 即将到来的潜在突破：开发先进的宏基因组学和代谢组学检测方法，可深入了解微生物组组成和功能；改进基因编辑工具，可创建具有更好性能的微生物；微生物组研究与机器学习和人工智能融合，可加速新产品开发。
• 与其他食品技术的整合：微生物组工程与区块链技术结合可提高食品可追溯性和透明度；与食品包装技术结合可开发智能包装系统，监测微生物活动。
• 微生物组工程的多学科方法：跨学科合作将推动微生物组工程发展，如将微生物组研究与食品加工技术结合，优化益生菌和益生元应用，提升食品感官和健康促进特性。

识别和解决研究差距

微生物组工程仍存在一些研究不足的领域，需要各方合作解决。

• 缺乏充分研究的关键领域：需要深入研究定制微生物组对人类健康和环境的长期影响，建立标准化评估方法判断微生物组创新的安全性和有效性，探究微生物组工程的社会经济影响。
• 学术界、产业界和政府之间的合作努力：学术界、产业界和政府应共同合作，通过建立合作研究项目和公私伙伴关系，加速微生物组工程技术的创新和发展，推动国际合作，分享知识和技能。

结论

微生物组工程对改善食品安全和质量具有革命性影响，结合先进技术可显著提升食品的保存、营养和感官特性。未来需通过长期研究填补知识空白，标准化技术和分析社会经济影响，加强政府、企业和学术界合作，以充分发挥微生物组工程的潜力，推动食品行业发展。