引言
香料化合物是决定食品、化妆品及消费品感官品质的挥发性分子（Goff and Klee, 2006; Thong et al., 2024）。在自然界中，这些次级代谢物主要由植物合成，以发挥关键的生态功能，包括吸引传粉者、抵御植食动物以及环境胁迫下的植物间信号传递（Li et al., 2025c; Lim et al., 2017; Zhang et al., 2023a）。在工业应用中，这些分子特定的化学架构和立体化学直接决定了它们与人类嗅觉受体的结合亲和力，从而确立了其独特的感官特征（Dallay et al., 2024; Yazaki et al., 2017）。在过去十年中，受严格的食品安全法规和消费者对清洁标签产品日益增长的需求推动，全球市场经历了显著转变（Funk and Ash, 2020）。消费者对人工添加剂日益持怀疑态度，促使行业将关注点转向天然香料化合物。
传统上，这些香料化合物通过直接植物提取或化学合成获得，两者均存在显著的制造局限性。植物提取受限于这些次级代谢物在天然组织中微量存在的特性。这种生物学约束导致提取率极低、生产成本高昂以及对农业用地的广泛需求。此外，农业供应链极易受季节性气候波动、土壤贫化和地区不稳定的影响，使得维持稳定的工业供应变得困难（Cheng et al., 2025; Freitas et al., 2022）。另一方面，化学合成虽然具有高度可扩展性和标准化生产优势，但严重依赖不可再生的石油基前体和重金属催化剂（Duhan et al., 2023; Nan et al., 2023; Zhao et al., 2021a）。传统化学方法在实现复杂手性香料所需的精确立体选择性方面也面临关键的技术障碍（Cao et al., 2025; Chan et al., 2019）。外消旋混合物的生成需要昂贵的下游纯化步骤，而有毒溶剂处理的环境负担使其越来越难以符合现代环境法规和可持续发展目标。
为应对这些重大局限性，由系统代谢工程和酶生物催化驱动的生物合成提供了一种可扩展且可持续的替代方案。通过在微生物细胞工厂中重建植物生物合成途径或利用生物催化体系，研究人员可将可再生原料转化为高价值香料分子，不受农业和地理条件的限制（图1）（Kim et al., 2025; Ko et al., 2020; Liu et al., 2025c）。然而，将这些生物制造过程从实验室规模的概念验证转变为盈利的工业生产，需要全面的系统优化（Jones et al., 2024; Liu et al., 2025a; Yeoh et al., 2021）。该领域的成功依赖于构建稳健的生产平台，使其能够有效地将细胞资源导向目标合成。这包括微调代谢通量以防止中间体积累（Qin et al., 2022; Wang et al., 2025a, Wang et al., 2025b, Wang et al., 2025c, Wang et al., 2025d, Wang et al., 2025e），工程化改造酶以提高催化效率（You et al., 2024; Zhang et al., 2024），以及开发整合的产品回收系统以减轻挥发性产品的细胞毒性（Ali et al., 2026; Kohlmann et al., 2011; Wackett, 2014）等。最终，建立经济可行性需要采取整体化的过程工程方法，确保生物生产的各项指标能够与传统石化路线竞争。
在本综述中，我们系统总结了天然香料化合物生物合成和系统工程方面的最新进展。首先，我们界定了这些挥发性分子的分类，并阐明了结构-气味关系（SOR）的原理，以确立目标选择的理性基础。其次，根据其天然生物学来源，我们将这些香料分为四大类：萜类、苯丙素类和苯类、脂肪酸衍生物和氨基酸衍生物。对于每一类，我们系统地概述了其独特的感官特征和核心生物合成网络。为系统指导天然香料化合物的生物合成，我们详细介绍了三个递进层级——酶水平、代谢水平和细胞水平——上的先进工程策略。最后，我们从合成瓶颈、工艺放大和合理配方设计等关键维度客观评估了现有挑战和未来前景，最终为这些高价值天然香料化合物的可持续生物生产提供新见解。
Yongkang Jiang|Chengwei Lu|Qing Yang|Yihao Geng|Yaping Xue|Shuping Zou|Yuguo Zheng
