《Cogent Food & Agriculture》：Fungal bioprocessing for sustainable food systems: Mechanisms, food safety, and alternative protein production
全球对可持续、营养且环境友好食品系统的需求持续增长，促使真菌生物技术作为传统畜禽基食品生产的替代方案受到更多关注。真菌因生长迅速、代谢多样以及能够利用低成本可再生底物生长而适合该用途，并可用于生产替代蛋白、工业酶和功能性食品配料。真菌生物加工的最新进展，包括固态发酵（solid-state fermentation, SSF）、深层发酵（submerged fermentation, SmF）和精准发酵（precision fermentation），提高了农业工业残余物向富含蛋白生物质及其他高附加值产品的转化。这些方法还促进废弃物增值和基于循环生物经济的食品系统发展。食品安全仍是真菌发酵过程中的关键考量，需要严格控制微生物污染、真菌毒素产生、致敏性和法规符合性，以确保消费者接受度。该综述全面讨论真菌生物加工技术的最新进展、真菌生物转化机制、替代蛋白生产、食品安全考量和未来创新，这些使真菌成为可持续食品系统的重要贡献者。
**1 引言** 全球人口增长、气候变化和资源约束推高优质蛋白需求，传统畜牧生产的环境负担促使替代蛋白发展。真菌因代谢多样、生物量积累快和可利用低成本可再生底物而受到关注；其环境优势受底物、能源和加工方式影响。该综述聚焦真菌生物加工机制、固态与深层发酵、农业工业废弃物增值、替代蛋白、食品安全及精准发酵和合成生物学等创新，并区分技术成熟度。
**2 方法学** 采用叙述性与范围综述方法，检索真菌生物技术、发酵、真菌蛋白、单细胞蛋白（single-cell protein, SCP）、食品安全、真菌毒素、循环生物经济和法规审批等主题；纳入同行评议研究及权威监管报告，排除证据不足的预印本和会议摘要。结果按工艺、产品、营养功能、安全和技术成熟度归纳，不合并不同菌株、底物、规模和分析方法下的定量结果。
**3 真菌生物加工用于可持续替代蛋白生产的机制** 真菌生物加工利用可再生资源和废弃物生产蛋白、酶、生物活性物和功能配料；蛋白生产受酶活、营养摄取、生物量生长和代谢调控，发酵工程可控制营养、氧传递、pH、水分、温度和反应器设计。
**3.1 固态发酵** 固态发酵（SSF）在低游离水固体基质上进行，接近丝状真菌自然生境，支持菌丝生长、酶分泌和生物量形成；其能耗、废水和下游处理负担相对较低。农业残余物是主要底物，优化粒径、水分、接种量、通气和温度可提高蛋白积累；SSF可提高胞外酶和碳水化合物活性酶多样性，并降低抗营养物、改善营养。多数系统仍处实验室或中试规模，放大受传热传质、污染控制和过程控制限制。
**3.2 深层发酵** 深层发酵（SmF）对pH、溶氧、搅拌、通气、温度和营养控制较好，重现性和可放大性较高，常用于真菌蛋白、SCP、酶、有机酸和色素生产。批式与连续发酵、搅拌罐和气升反应器可改善氧传递和形态控制，但能耗、泡沫、剪切和放大问题仍存在；其传质较均匀，但下游需离心或过滤分离生物量。
**3.3 农业工业废弃物增值** 真菌胞外酶可降解纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白和脂质，将农业残余物转化为富含蛋白生物质并减少废弃物。蛋白产率和营养品质随菌种、底物、预处理和发酵条件变化；麦糟、油籽残渣、秸秆和木薯大豆加工残余物已有研究。多数底物仍处实验室规模，工业应用受原料一致性、污染、预处理、下游成本和产品质量稳定性限制。
**3.4 精准发酵** 精准发酵整合合成生物学、代谢工程、系统生物学、CRISPR/Cas基因组编辑、计算建模和人工智能，用于提高蛋白产量、改善氨基酸组成、降低核酸和增强胁迫耐受。其局限包括脱靶效应、非模式真菌编辑困难、代谢负担、AI模型数据依赖、数字孪生传感器维护和放大稳定性；欧盟对基因编辑生物通常按转基因生物框架管理，而美国、加拿大等辖区对未引入外源遗传物质的编辑可能不要求完整转基因审查。
**3.5 真菌生物加工中的新兴技术** 数字过程控制、自动传感器、人工智能和机器学习可实时监测生物量、摄氧率、CO
2释放、营养供给和代谢物，提升发酵稳定性和重现性。数字孪生和自动控制受传感器漂移、模型跨菌株底物反应器迁移、互操作性、网络安全、资本和人才限制，尤其影响中小型生产者。
**4 真菌生物转化与生物质酶促转化机制** 真菌通过胞外水解和氧化酶将复杂碳水化合物、蛋白、脂质和木质素分解为可同化分子，再经糖酵解、戊糖磷酸途径和三羧酸循环支持氨基酸合成、核糖体蛋白合成和细胞壁形成。酶制剂生产菌与生物量或全食品发酵菌的用途和法规要求不同。
**4.1 纤维素酶与半纤维素酶系统** 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶协同水解纤维素，半纤维素酶释放木糖和阿拉伯糖等戊糖。里氏木霉、黑曲霉、米曲霉和粗糙脉孢菌等可高产纤维素酶，但戊糖利用和酶促效率受菌株与底物限制；CRISPR、重组DNA和酶工程可提高活性，但提高酶活不必然等比例提高蛋白产量。
**4.2 蛋白酶与蛋白生物转化** 真菌蛋白酶将复杂蛋白水解为肽和游离氨基酸，适度水解改善溶解性、乳化和生物活性肽释放，过度水解则影响凝胶、质构和风味。曲霉、根霉和毛霉等产酸性或中性蛋白酶；真菌蛋白酶已作为食品加工助剂，特定生物活性肽组分仍多处于研究和中试阶段。
**4.3 脂肪酶与脂质生物转化** 脂肪酶催化甘油三酯水解和酯化，适度作用有利于风味和底物利用，过度水解会增加游离脂肪酸和异味。黑曲霉、米根霉、解脂耶氏酵母和假丝酵母等产脂肪酶，固定化和重组系统提高稳定性，用于乳品、植物基肉和油脂改性。
**4.4 淀粉酶与淀粉转化** 真菌淀粉酶将淀粉水解为麦芽糖、麦芽三糖和葡萄糖，支持生物量快速积累；米曲霉、黑曲霉、米根霉和鲁氏淀粉霉等应用广泛。蛋白积累还依赖氮、氧、矿物质和生长平衡，因此淀粉水解需与其他发酵条件协同优化。
**4.5 木质素降解酶与生物质增值** 白腐真菌分泌漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和多功能过氧化物酶，部分解聚木质素，提高纤维素和半纤维素可及性。木质素去除可拓宽可再生原料范围并提高蛋白富集，但预处理时间、化学和能源投入及过度脱木质素会增加成本。
**4.6 用于替代蛋白生产的集成酶促生物转化** 工业真菌发酵依赖纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和木质素降解酶的协同作用，各酶贡献随菌株和底物而异。集成多酶系统在实验室和中试显示潜力，但商业应用受酶生产成本、分泌效率、底物特异性、过程复杂性、菌株稳定性和放大要求限制；需评估蛋白产率增益能否抵消额外成本。
**5 真菌源替代蛋白：生产技术与营养组成** 真菌生物量具天然纤维状菌丝结构，利于肉替代品的质构、持水和感官；真菌蛋白技术包括真菌蛋白、SCP、精准发酵蛋白、蛋白浓缩物和功能蛋白配料，评价需兼顾产量、功能、可放大性、安全性和经济性。
**5.1 真菌蛋白** 真菌蛋白主要由镰刀菌属的Fusarium venenatum经连续深层发酵生产，是商业成熟的真菌蛋白配料；其干重蛋白约45–55%，含膳食纤维、必需氨基酸、B族维生素和矿物质，细胞壁β-葡聚糖和甲壳素具益生纤维作用，且低饱和脂肪、无胆固醇。精准发酵和代谢工程用于改善氨基酸、降低核酸和感官；其他担子菌菌丝显示高蛋白消化率和鲜味，但培养周期、食品级底物、安全和法规仍是障碍。
**5.2 单细胞蛋白** 单细胞蛋白（SCP）指真菌、酵母、细菌或微藻来源的富蛋白微生物生物量，真菌SCP粗蛋白约35–60%，并含膳食纤维、维生素、矿物质和生物活性多糖。核酸过高是关键技术问题，可通过热处理、内源核糖核酸酶激活、酶水解和发酵优化降低；产量和蛋白含量受菌株与培养条件影响，优化或工程系统报道较高但跨研究比较需谨慎。
**5.3 精准发酵蛋白** 精准发酵利用工程真菌生产特定高功能、高纯度食品蛋白，如乳蛋白、蛋蛋白、胶原、酶和风味化合物，宿主包括黑曲霉、里氏木霉和Komagataella phaffii等。产量受宿主和目标蛋白影响，β-乳球蛋白等重组乳蛋白已进入食品应用，酪蛋白等仍受翻译后修饰、纯化、放大和法规限制。
**5.4 营养组成与功能特性** 真菌蛋白含赖氨酸、亮氨酸和蛋氨酸等必需氨基酸，并具乳化、起泡、持水、持油和凝胶功能；真菌生物量还含β-葡聚糖、甲壳素、甘露蛋白、麦角硫因、酚类、类胡萝卜素和抗氧化代谢物。蛋白质量需综合消化率、氨基酸平衡、生物活性、感官、加工和安全评价，不能仅以蛋白浓度判断。
**5.5 真菌蛋白的商业应用** 真菌蛋白用于汉堡、香肠、鸡块、肉糜、即食餐和高蛋白零食；生产成本仍高，过程强化和木质纤维素副流可降成本。SCP用于烘焙、蛋白饮料、婴儿营养、水产和畜禽饲料；精准发酵蛋白用于无动物乳蛋、胶原和功能配料；美国一般公认安全（Generally Recognized as Safe, GRAS）、欧盟新型食品、英国食品标准局和Codex Alimentarius框架影响上市时间与成本。
**6 真菌蛋白基食品中的功能生物活性成分与营养强化** 真菌蛋白除蛋白外还提供肽、多糖和酚类等生物活性物，其完整蛋白、甲壳素/β-葡聚糖膳食纤维和抗氧化微量营养共存于低土地足迹生物量基质中；发酵条件影响氨基酸、消化率、维生素、抗氧化和功能代谢物积累。
**6.1 氨基酸组成与蛋白质量** 多种食用真菌必需氨基酸较平衡，赖氨酸较高可补充谷物蛋白；体外蛋白消化率常见80–95%，机械破碎、酶解、热处理和发酵优化可提高消化率。不同研究差异受菌种、细胞壁组成和消化率测定方法影响，标准化头对头研究仍少。
**6.2 膳食纤维与功能多糖** 真菌生物量含β-葡聚糖、甲壳素、壳聚糖和甘露蛋白，具免疫调节、胆固醇、血糖和肠道菌群研究价值；血糖、肠道和饱腹临床证据多来自谷物β-葡聚糖，真菌β-葡聚糖直接证据有限。这些多糖可改善肉替代品的持水、凝胶、乳化和质构。
**6.3 维生素、矿物质与微量营养素** 食用真菌可含B族维生素，麦角固醇经紫外照射可转化为维生素D
2；铁、锌、硒、磷、镁、钾、钙和铜常见。发酵培养基添加矿物质可强化生物量，但需控制硒锌等毒性、安全上限和金属味或苦味等感官问题。
**6.4 抗氧化剂与生物活性代谢物** 真菌发酵产生酚类、麦角硫因、谷胱甘肽、类胡萝卜素和生育酚等抗氧化化合物，麦角硫因与氧化应激保护和健康老化相关；氧 availability、营养和温度影响其生成，精准发酵和代谢工程可提高抗氧化物产量。
**6.5 食品加工中的功能特性** 真菌菌丝天然纤维结构可模拟骨骼肌，乳化、起泡、凝胶、持水和持油性能利于肉类似物、乳替代、烘焙、蛋白饮料和零食；与大豆或酵母蛋白相比各有功能优势，发酵还可经肽、氨基酸、核苷酸和挥发性风味物形成鲜味。
**7 真菌生物加工在可持续食品系统中的应用** 真菌生物技术已扩展到生物量转化、酶生产、精准发酵和真菌蛋白生产，用于替代蛋白、功能食品和发酵食品；其营养、消化、感官和资源需求取决于菌株和加工条件，环境效益受底物、预处理、能源、产率和下游干燥影响。
**7.1 真菌发酵用于蛋白强化食品** 谷物、豆类、木薯和农业残余物可作为底物，根霉、米曲霉、脉孢菌和镰刀菌等通过胞外酶降解复杂成分，提高蛋白浓度、消化率和矿物质生物利用度，并降低植酸、单宁、胰蛋白酶抑制剂和氰苷等抗营养物；效果随菌株、底物、水分、时间和加工条件变化。
**7.2 肉类似物与真菌蛋白基食品** 商业形式包括汉堡、香肠、鸡块、肉糜、即食餐、整块或海鲜替代品；F. venenatum连续深层发酵产生天然纤维状微结构，Quorn等已商业化，新进入者推动放大。真菌蛋白可提高纤维、无胆固醇、低饱和脂肪并降低环境负担，但产品感官需按具体配方评价，其他真菌系统仍多在中试或实验室阶段。
**7.3 发酵乳与奶酪应用** 青霉、米曲霉和根毛霉等分泌蛋白酶和脂肪酶，参与奶酪成熟、质构和风味形成；精准发酵重组真菌系统可生产酪蛋白和乳清蛋白，重组β-乳球蛋白在里氏木霉中显示与牛源蛋白相似的乳化性。传统真菌奶酪成熟已商业化，重组乳蛋白仍处开发和中试阶段。
**7.4 发酵植物基食品** 天贝和腐乳等发酵豆制品可降低抗营养物、提高维生素、氨基酸组成和蛋白消化率；曲霉、根霉和酵母发酵谷物可改善淀粉消化和风味。木薯发酵可降氰苷并提高蛋白，但须使用有安全使用历史的食品级菌株，避免产真菌毒素菌株。
**7.5 功能性发酵饮料** 曲霉米曲发酵的amazake等传统饮料中，淀粉酶和蛋白酶释放游离氨基酸、肽和酚类，提高抗氧化活性；酵母和丝状真菌可产生有机酸、维生素、香气和益生代谢物。蛋白强化饮料和重组蛋白饮料仍处研究阶段，结果依赖底物、菌株、发酵条件和配方。
**7.6 产业视角** 连续发酵真菌蛋白是成熟商业平台，传统真菌SCP、废弃物基生物量和多数精准发酵蛋白仍处中试、示范或早期商业阶段。主要障碍包括底物预处理和一致性、氧传递、发酵时间、下游处理、能耗、法规和成本；实验室高产量不等同商业可行性，市场估计因产品定义和市场边界差异较大。
**8 食品安全与法规考量** 食用菌、真菌蛋白、SCP、蛋白配料和精准发酵蛋白的安全谱和法规路径不同；工业真菌生产需控制微生物污染、致敏性、真菌毒素、发酵过程、下游加工和法规符合性，并采用危害分析与关键控制点（Hazard Analysis and Critical Control Points, HACCP）、良好生产规范（Good Manufacturing Practices, GMP）和ISO 22000等体系。
**8.1 真菌毒素控制** 真菌毒素管理需区分预防、监测和检测：预防依赖经验证的食品级菌株、受控原料、卫生加工和环境控制；监测采用微生物和化学 surveillance；检测可用经验证色谱及分子或生物传感器筛查。欧盟Commission Regulation (EU) 2023/915等限量按商品设定，曲霉属是食品和饲料真菌毒素的重要来源。
**8.2 过敏性与消费者安全** 真菌源食品通常耐受良好，但部分个体可发生过敏；F. venenatum真菌蛋白有IgE介导反应报告，60S酸性核糖体蛋白P2与霉菌过敏原交叉反应相关，但相对消费量较少见。此类反应需与真菌蛋白纤维相关胃肠症状及蘑菇孢子过敏区分；蛋白纯化、酶解和热处理可降低致敏潜力。
**8.3 营养安全与质量保证** 真菌蛋白需控制核酸、重金属、残留底物和发酵副产物；单细胞蛋白来源额外膳食核酸摄入通常限制在2 g/day以下，需将RNA从约8–15%降至约2–6%干重。质量保证还监测氨基酸、维生素、矿物质、微生物、水分、水分活度和货架期，采用HPLC、LC–MS、ICP–MS和宏基因组分析。
**8.4 国际监管框架** 美国可采用GRAS框架，欧盟新型食品通常需授权和安全评估，英国由食品标准局/苏格兰食品标准局登记体系管理，Codex Alimentarius提供国际参考而非产品授权。F. venenatum真菌蛋白被确认为不需新型食品授权的传统食品，而Fermotein（Rhizomucor pusillus菌丝体）于2026年成为首个经欧盟新型食品法规授权的真菌蛋白，显示不同辖区上市时间差异。
**8.5 消费者接受与可持续性** 消费者接受受成本、环境可持续性、感官、营养和真菌配料熟悉度影响；欧洲调查显示56%参与者此前不熟悉真菌蛋白，购买意愿主要受预期味道和真菌与霉菌联想影响。真菌蛋白生产通常环境足迹低于传统畜牧，但受底物、能源、发酵系统和下游加工影响。
**9 未来展望** 系统生物学、合成生物学、基因组编辑、代谢工程和精准发酵有望提高真菌蛋白产量、底物利用、氨基酸组成和营养品质，并生产生物活性肽、维生素和抗氧化物。实验室结果向工业应用仍受菌株稳定性、底物可及性、氧和营养传递、污染控制及下游回收限制；需用技术经济分析（techno-economic analysis, TEA）和生命周期评价（life-cycle assessment, LCA）评估生物炼制的经济与环境可行性。研究缺口包括标准化蛋白产率、消化率、环境和经济指标，工程菌工业规模长期验证，大反应器形态–传质关系，以及实验室营养改善与消费者相关产品结果的比较证据。
**10 结论** 真菌生物加工通过SSF、SmF和精准发酵利用可再生生物质和农业工业残余物生产真菌蛋白、生物活性物和功能食品配料；真菌酶系降解木质纤维素并支持生物量和蛋白生产。真菌蛋白和SCP因氨基酸组成、消化率、膳食纤维和较低环境影而成为动物蛋白替代品，CRISPR、合成生物学、人工智能辅助发酵和精准发酵正在改善菌株、蛋白质量和生产效率。更广泛商业化仍需控制食品安全、真菌毒素、法规要求和消费者接受度，并进一步降低成本、提高质量。
