微生物發(fā)酵讓自然界很多生物種類突破“種植”和“養(yǎng)殖”的界限，包括地域、氣候、水質、運輸?shù)葪l件，為各種食品、化工、生物原料打開了新的大門。從酵母發(fā)酵生產(chǎn)微生物蛋白、氨基酸等營養(yǎng)元素，到無乳糖乳以及素食肉等食品，微生物發(fā)酵讓很多不可能成為可能。在當下天然、清潔標簽盛行的趨勢下，發(fā)酵以安全、天然、純凈的方式滿足了消費者和生產(chǎn)商的訴求，于此同時越來越多的消費者已經(jīng)意識到由發(fā)酵產(chǎn)生的某些活性成分具有明顯的健康益處，尤其是在以功能性為宣稱的產(chǎn)品市場上，發(fā)酵為市場的顯著增長帶去了源源不斷的動力。

       γ-氨基丁酸（GABA）

       γ-氨基丁酸又稱為GABA，是廣泛存在于動植物體中的一種非蛋白組成氨基酸，是機體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)遞質。大量研究表明，GABA能補充人體抑制性神經(jīng)遞質，發(fā)揮鎮(zhèn)靜神經(jīng)、抗焦慮、促進睡眠、降低血壓的作用。日本研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)組織中GABA降低與癲癇病、Huntington疾病、老年癡呆等神經(jīng)衰敗癥形成有關。近年的研究表明，GABA對防止皮膚老化、消除氨毒、改善脂質代謝、幫助減肥具有生理功效。

       GABA生產(chǎn)方法主要有化學合成和生物合成法。但前者制備的GABA在工藝中使用危險溶劑，因此不能用于食品，也不能認為是一種天然的食品添加劑。相比之下，生物合成是一種既安全又成本低廉的方法。早期的生物合成GABA以大腸桿菌為發(fā)酵菌，若應用于食品開發(fā)，大腸桿菌顯然存在安全性問題。隨著綠色食品的開發(fā)，一些含有谷氨酸脫羧酶的酵母菌、曲霉、乳酸菌等已逐漸取代大腸桿菌，在GABA類功能食品、保健食品中得到商業(yè)化應用。2009年原國家衛(wèi)生部發(fā)布的第12號公告將GABA列入新資源食品目錄中，允許其作為新資源食品。

       甜菊糖

       甜菊糖是天然存在于甜葉菊葉片中的一類糖苷類化合物，其甜度是蔗糖的250-450倍，熱量卻僅為蔗糖的1/300,攝入后不被人體吸收，也不產(chǎn)生熱量，是糖尿病和肥胖患者的理想選擇，因此，甜菊糖也被認為是代糖市場的一種新型功能性甜味劑。但天然甜菊糖苷中的M苷（即Reb M）和D苷（Reb D）在葉片中含量極低，這無疑會增大提取過程的難度和成本，限制其更廣泛的應用。

       近兩年，通過發(fā)酵方式成為甜菊糖苷進一步商業(yè)化的解決方案。在該領域，美國SweeGen公司的Reb M 95%甜菊糖苷就是通過基因酵母生物合成。其特點是采用了專有酵母含有的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉移酶等其它多種酶對葡萄糖進行多梯次反應，進而合成高純度的Reb M。2018年，嘉吉(Cargill)宣布通過面包酵母發(fā)酵獲得了大量的EverSweetTM, 實現(xiàn)了Reb M和Reb D可持續(xù)的商業(yè)化生產(chǎn)模式。在同年芝加哥舉辦的IFT18國際食品技術協(xié)會上，荷蘭帝斯曼（Royal DSM）在其非人工甜味劑品牌Avansya下推出Reb M，這是一款由酵母發(fā)酵產(chǎn)生的零卡甜菊糖苷，聲稱擁有純凈的味道。

       燕窩酸（SA）

       燕窩酸又名唾液酸，因在傳統(tǒng)美食燕窩中含量高達10%，故名燕窩酸。作為一種神經(jīng)氨酸，其廣泛存在于動物組織和微生物中，幫助組成細胞膜蛋白結構，也是母乳低聚糖的重要組分之一?？茖W研究表明，燕窩酸能有效促進神經(jīng)、上皮和免疫細胞的發(fā)育和功能修復，幫助提高免疫力、促進智力發(fā)育，同時滋補養(yǎng)顏、延緩衰老。

       作為一種新興的功能性成分，燕窩酸在嬰幼食品、保健食品、滋補食品以及化妝品領域廣受青睞。雖然很多食品中都含有燕窩酸，但是含量卻極低。中國科學院聯(lián)合嘉必優(yōu)（武漢）生物科技采用大腸桿菌發(fā)酵，生產(chǎn)了一種安全優(yōu)質、性質穩(wěn)定、純度精良的燕窩酸新食品原料，為燕窩酸更廣泛的市場應用提供了商業(yè)價值。

       大 麻二酚（CBD）

       千百年來，大 麻的藥用特性已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應用，這歸功于其功能性成分大 麻素——四氫大 麻酚（THC）和大 麻二酚（CBD）。在一些國家，某些大 麻素配方已被批準作為處方藥來治療一系列人類疾病，但是大 麻素的研究和藥用一直受到大 麻的法律程序的阻礙。在已知的幾十種大 麻素中，幾乎所有的大 麻素含量都很低，而且它們的結構復雜，限制了大量的化學合成。

       為改變這一點，科學家試圖建立一種生物合成方法，利用幾種途徑基因的雜亂性來產(chǎn)生大 麻素類似物。最近發(fā)表在《Nature》的一項由美國加州大學伯克利分校的科學家開展的研究，成功利用基因工程改造菌發(fā)酵制備THC 和CBD。據(jù)悉，研究團隊先從大 麻植物中提取THC和CBD目的基因，然后將它們導入到釀酒細胞中，酵母經(jīng)過在含有所需的營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基中生長時，就會產(chǎn)生大 麻素類似物。根據(jù)研究，采用生物合成方法不僅降低了生產(chǎn)成本，而且減少了大 麻種植帶來的高環(huán)境足跡效應。

       β-胡蘿卜素

       β-胡蘿卜素作為類胡蘿卜素的一種，不僅在食品著色方面應用廣泛，基于類胡蘿卜素普遍的抗氧化作用，β-胡蘿卜素作為抗氧化劑在醫(yī)藥保健、化妝品、嬰幼配方食品等領域也十分受歡迎。研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素除可以用于維生素缺乏以外，在提高機體免疫力、促進眼睛健康、預防癌癥、對抗心血管疾病、延緩衰老等方面也潛力巨大。在天然、清潔標簽的驅動下，市場對β-胡蘿卜素的需求早已轉向天然來源。

       受原料含量、氣候、產(chǎn)地、運輸、提取工藝復雜等條件限制，植物提取已不能滿足時下需求激增的消費者市場，而發(fā)酵為天然β-胡蘿卜素開辟了新的途徑。采用培養(yǎng)真菌、酵母菌代謝積累β-胡蘿卜素，不僅不受環(huán)境條件限制，而且低成本、高安全性、強著色力的優(yōu)勢受到國內(nèi)外追捧。目前，最常用的β-胡蘿卜素生產(chǎn)菌株有克拉克須霉菌、三孢布拉霉菌和紅酵母。國內(nèi)發(fā)酵法供應企業(yè)主要有武漢星辰、嘉必優(yōu)、湖北世力達等。

       蝦青素

       與β-胡蘿卜素一樣，蝦青素也是類胡蘿卜素的一種，但其抗氧化性卻是β-胡蘿卜素的10倍，維生素E的550倍，因此蝦青素被包裝為保健食品在市場發(fā)售。產(chǎn)品聲稱主要涉及抗衰、保護眼睛、防輻射、防癌、預防心血管疾病等。

       目前，蝦青素生產(chǎn)方法包括合成、提取和發(fā)酵法。其中發(fā)酵法主要通過藻類和酵母生產(chǎn)，如培養(yǎng)雨生紅球藻、裸藻以及法夫酵母、深紅酵母、粘紅酵母。近期，由以色列生物技術初創(chuàng)公司NextFerm推出了一款酵母源蝦青素，與藻類來源蝦青素相比，其采用“集群發(fā)酵工藝技術”，因而產(chǎn)量更高，且沒有蝦青素本來不悅的氣味和低利用率限制，在微型結構上也略微不同，有利于幫助機體快速吸收，提高生物利用度，可廣泛應用于食品、飲料、糖果以及各種預混料中。

       膠原蛋白肽

       與膠原蛋白相比，膠原蛋白肽是膠原蛋白水解后分子量更小的肽類混合物，因此在生物利用度、抗氧化、增強免疫、延緩衰老、促進骨骼形成等方面就有更強的生物活性。由于膠原蛋白肽的特殊功能，膠原蛋白肽已廣泛應用于食品、醫(yī)藥、個護、生物合成等領域。

       膠原蛋白肽的獲取一般采用酶解豬皮、魚皮、牛骨、海參等動物組織，而某些微生物生長過程中自身會分泌一些酶系，在人工培養(yǎng)條件下若能控制好培養(yǎng)條件，則可以利用微生物自身的酶解發(fā)酵作用制備膠原蛋白肽，整個過程操作簡單且天然安全。

       目前市場中已有一些膠原蛋白肽以發(fā)酵為賣點，以美容護理領域最為突出。比如，2018年國內(nèi)非?；鸨腂365發(fā)酵膠原蛋白肽，以野生鱈魚魚皮為原料，通過專利菌株二次生物發(fā)酵制得平均分子量≤1000道爾頓的發(fā)酵膠原蛋白肽，與傳統(tǒng)2000-5000道爾頓的膠原蛋白肽相比，吸收力提升200%以上，且無任何代謝負擔。再如天津尚美化妝品公司推出的酵母發(fā)酵產(chǎn)物膠原蛋白肽，聲稱不僅能提供營養(yǎng)性能，而且作為皮膚介質具有保濕、提亮膚色、美白淡斑、防曬保護等作用。

       透明質酸（HA）

       在日本享有“白金”之稱的透明質酸，是世界公認的理想天然保濕因子，也是目前高檔化妝品、發(fā)用制品中用量的品種。日本早在20世界90年代就用于美容食品中，以增加人體內(nèi)HA的合成，提高皮膚HA含量，令皮膚保持水潤光澤富有彈性。利用微生物法發(fā)酵透明質酸的優(yōu)點早已被得到證實，如生產(chǎn)規(guī)模不受動物原料限制、發(fā)酵液中透明質酸以游離態(tài)存在，易于分離純化、成本低，易于規(guī)模化生產(chǎn)、無動物源致病危險因素等。目前，發(fā)酵法生產(chǎn)透明質酸已是工業(yè)化生產(chǎn)的主流，且主要以鏈球菌、乳酸球菌為生產(chǎn)用菌。國內(nèi)具有一定生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)主要有山東福瑞達、華熙生物、上海昊海等，且產(chǎn)品暢銷海內(nèi)外。