综述：高产率微生物合成胞外糖蛋白：代谢工程、发酵策略及食品应用前景的进展

《Food Research International》：High-yield microbial synthesis of ectoine: advances in metabolic engineering, fermentation strategies, and food application prospects

　　•本文以结构化的叙述性综述形式，系统阐述了胞外酸的生物合成、代谢工程、发酵技术及其在食品领域的应用。•通过微生物底盘的高产策略，已实现胞外酸浓度达164.6克/升的优异产量。•胞外酸可作为食品体系中的质量稳定剂和功能性成分。•文章还提出了10项未来研究方向，旨在解决当前胞外酸生产过程中的工业瓶颈问题。

引言
胞外酸（(S)-2-甲基-1,4,5,6-四氢嘧啶-4-羧酸）是一种源自天冬氨酸代谢途径的环状氨基酸衍生物，属于广泛存在于嗜盐微生物中的典型相容溶质。1985年，Galinski等人首次从盐生红硫细菌中分离并鉴定出这种物质（Galinski等人，1985；Inbar等人，1993；Inbar与Lapidot，1988）。为了适应高盐环境（如海洋、盐湖以及腌制食品等高盐体系），嗜盐微生物主要依靠两种渗透压调节机制：一是细胞内积累无机离子（Oren等人，2002；Roberts，2004）；二是合成有机相容溶质，如胞外酸。凭借其低分子量、高水溶性以及在生理pH条件下电中性的物理化学特性，胞外酸能够有效调节渗透压平衡，同时维持正常的细胞代谢功能（Gunde-Cimerman等人，2018；Putu Parwata等人，2018）。此外，它还充当“化学伴侣”，通过优先排斥机制稳定蛋白质、核酸及生物膜的结构，从而为细胞提供抵御高温、干燥、冷冻和氧化应激等多种胁迫的保护作用（Chen、Qiao等人，2024；Kadam等人，2024；Prabhu等人，2004）。在超高渗应力模型中，胞外酸能显著提升人类角膜上皮细胞的存活率与增殖能力。它还能调节细胞信号通路（Abdullahi，2024；Bhardwaj等人，2025；Sepehri等人，2025），并影响免疫微环境（Ali等人，2025），从而为细胞提供全方位的保护，抵御各类应力引发的损伤（图1）。

上述多方面的生物保护特性，为胞外酸在多个跨学科领域中的应用奠定了基础（图2）。在医药领域，胞外酸在治疗特应性皮炎、过敏性鼻炎（Abdullahi，2024；Bhardwaj等人，2025；Sepehri等人，2025）、肺部炎症（Abdullahi，2024；Bhardwaj等人，2025；Sepehri等人，2025），以及与蛋白质错误折叠相关的神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）方面展现出巨大潜力（Abdullahi，2024；Bhardwaj等人，2025；Sepehri等人，2025）。而在食品行业，由于胞外酸具备在环境应力及加工过程中保护功能蛋白和益生菌的能力，因此有望作为功能性食品的质量稳定剂使用（Czech等人，2018；Kunte等人，2014）。然而，胞外酸的实际应用效果在很大程度上受真实食品基质中复杂多相的微观环境影响，这类环境相比简单的实验室溶液存在更为复杂的物理化学挑战。迄今为止，针对其在不同食品体系中的作用效果的系统性、深入研究仍然较为有限。为填补这一知识空白，第5节将对胞外酸在乳制品、饮料、烘焙产品及发酵制品等食品相关体系中的作用机制、技术局限进行全面评估，其中所依据的证据将来自完整的食品基质，而非从简化的生化、医药或微生物保存模型中推导出的结果。

目前，胞外酸在食品、化妆品及医药领域的研发与工业应用前景日益广阔。在政策层面，欧盟和美国已建立了相对完善的食品安全评估体系；中国也通过《化妆品注册备案条例》（2022年）和《支持化妆品原料创新的规定》（2025年）对胞外酸的市场准入进行了进一步规范，推动了其在符合法规要求条件下的合法应用。

不过，胞外酸的工业化生产仍面临诸多瓶颈。利用天然嗜盐菌株进行发酵时，通常需要使用高盐培养基（10%–20% NaCl），这不仅会加速设备腐蚀，增加运营和维护成本，还会给后续的分离纯化工作带来极大困难。同时，天然菌株的代谢网络缺乏系统优化，导致合成效率较低，其产量和经济可行性难以满足不断增长的市场需求。为突破这些瓶颈，研究人员近年来开始采用代谢工程和合成生物学方法。他们以大肠杆菌和谷氨酸棒状杆菌等模式微生物作为宿主，成功构建了多种高产胞外酸菌株，并在发酵工艺及下游纯化技术方面取得了显著进展。

基于上述背景以及胞外酸研究与应用中存在的当前挑战，我们开展了系统的文献检索，旨在找出有关胞外酸生产、食品应用及相关安全问题的相关研究。检索范围涵盖从1985年胞外酸首次被分离出来到2026年4月的时期，相关文章来自Web of Science Core Collection、PubMed和Scopus等主要电子数据库。检索策略采用了与胞外酸相关的核心术语，如“胞外酸”、“5-羟基胞外酸”和“四氢嘧啶”，并结合与食品应用、安全性（“食品应用”、“食品添加剂”、“功能性食品”、“食品保鲜”和“食品安全”）、生物合成与代谢工程（“生物合成”、“代谢工程”、“合成生物学”、“细胞工厂”和“菌株构建”）以及发酵与下游加工（“发酵”、“分批喂养”、“生物工艺优化”、“高产”和“下游纯化”）相关的主题术语。通过布尔运算符将这些核心术语和主题术语相结合，并根据不同数据库的要求运用相应的查询语法，以确保在不同数据库中都能获得一致的检索结果。经过这样的结构化文献检索及后续的相关性筛选，最终有103篇相关研究被选中并纳入本综述。

基于此，本结构化叙述性综述旨在总结并深入探讨胞外酸研究领域的最新进展，重点关注其在食品应用方面的潜力、相关安全问题、生物合成途径、调控机制、微生物生产平台、代谢工程策略、发酵优化以及下游纯化技术。此外，本文还分析了胞外酸生产与应用过程中存在的技术局限与实际挑战，同时介绍了人工智能驱动的菌株设计及动态代谢调控等下一代解决方案。总体而言，本综述旨在对当前胞外酸高效、低成本且可持续的生物制造与应用方面的进展与前景进行系统梳理。

章节摘录
胞外酸的生物合成
胞外酸的合成始于以天冬氨酸为基础的氨基酸代谢途径，这一过程由ectABC操纵子编码的三种关键酶催化（Chen等人，2020；Galinski等人，1985；Wang等人，2025）（图3）。首先，l-天冬氨酸通过天冬氨酸核心代谢途径转化为l-天冬氨酸-β-半醛，其中天冬氨酸激酶（Ask/LysC）和天冬氨酸半醛脱氢酶（Asd）是形成该前体的关键酶。而前体l-天冬氨酸-β-半醛主要……

胞外酸的生物生产
为推动胞外酸的工业化生产，近年来研究重点转向利用代谢工程等方法对微生物进行系统改造，以构建高产胞外酸菌株。目前的工程策略大致可分为两类：第一类是以天然能合成胞外酸的嗜盐细菌（如长形盐单胞菌和表皮短杆菌）作为宿主微生物（Onraedt等人，2008；……）

发酵工艺的优化
除了在菌株层面进行代谢工程改造外，对发酵工艺参数进行系统优化也是提高胞外酸浓度、产量及整体生产效率的另一重要途径（Liu、Shuai等人，2024；Yu、Chen等人，2025）。具体而言，包括碳源和氮源的选择与供给策略、渗透压调控、温度和pH值的精确控制、溶解氧管理以及动态投料策略……

胞外酸在食品领域的应用前景、综合评价与安全考量
尽管胞外酸作为相容溶质和应力保护剂已得到广泛研究，但与其在食品应用相关的证据却存在差异。在本综述中，现有证据被分为四类：（i）在完整食品基质中的直接观察或干预结果；（ii）源自食品但经过简化的生化系统研究；（iii）药品或模型蛋白制剂的研究；（iv）没有完整食品基质的微生物保存模型研究。只有第一类……

胞外酸的分离与纯化
由于胞外酸属于相容溶质，其下游回收的效率直接决定了工业生物生产的经济效益和产品质量。不过，下游处理过程会受到产物在细胞内的分布情况及其释放方式的影响，因为胞外酸可能储存在细胞内，也可能积聚在细胞外，或者因渗透压下降而从细胞中释放出来。在天然的嗜盐微生物中，胞外酸主要作为细胞内的相容溶质存在，并在……条件下积累。

总结与展望
凭借其渗透保护及生物分子稳定功能，胞外酸在食品质量稳定、化妆品及医药领域具有广泛应用潜力。近年来，越来越多的研究和工业界对其表现出浓厚兴趣。这种日益增长的关注度凸显出开发更高效、更具成本效益的生物制造技术的必要性。本结构化叙述性综述回顾了胞外酸的研究历程，从其生物合成途径的阐明开始，直至……

作者贡献声明
Entong Zhu：撰写原始稿件、开展研究、争取资金支持、构思研究思路。Zixuan Tao：撰写原始稿件、开展研究、构思研究思路。Yuetong Fu：负责文本审阅与编辑、数据可视化、软件操作。Yang Liu：负责文本审阅与编辑、数据可视化、软件操作。Xin Wang：负责方法设计、开展研究。Zeyu Yan：负责方法设计、开展研究。Yang Sun：负责文本审阅与编辑、项目监督、争取资金支持、构思研究思路。Ling Jiang：负责文本审阅与编辑、利益冲突声明。

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了新疆维吾尔自治区区域协同创新专项基金（2025E01060）、国家自然科学基金（32541093）、江苏省合成生物学基础研究中心（BK20233003）、江苏省重大创新平台计划（BM20250017）、江苏省先进生物制造协同创新中心（XTC2205）以及江苏省自然科学基金（BK20230314）的支持。

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