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(zhì)、運(yùn)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(yíng)養(yǎng)元素，到無(wú)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(dāng)下天然、清潔標(biāo)簽盛行的趨勢(shì)下，發(fā)酵以安全、天然、純凈的方式滿足了消費(fèi)者和生產(chǎn)商的訴求，于此同時(shí)越來(lái)越多的消費(fèi)者已經(jīng)意識(shí)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(chǎng)上，發(fā)酵為市場(chǎng)的顯著增長(zhǎng)帶去了源源不斷的動(dòng)力。

       γ-氨基丁酸（GABA）

       γ-氨基丁酸又稱為GABA，是廣泛存在于動(dòng)植物體中的一種非蛋白組成氨基酸，是機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。大量研究表明，GABA能補(bǔ)充人體抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，發(fā)揮鎮(zhèn)靜神經(jīng)、抗焦慮、促進(jìn)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(guān)。近年的研究表明，GABA對(duì)防止皮膚老化、消除氨毒、改善脂質(zhì)代謝、幫助減肥具有生理功效。

       GABA生產(chǎn)方法主要有化學(xué)合成和生物合成法。但前者制備的GABA在工藝中使用危險(xiǎn)溶劑，因此不能用于食品，也不能認(rèn)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(yīng)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(yīng)用。2009年原國(guó)家衛(wèi)生部發(fā)布的第12號(hào)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(rèn)為是代糖市場(chǎng)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(wú)疑會(huì)增大提取過(guò)程的難度和成本，限制其更廣泛的應(yīng)用。

       近兩年，通過(guò)發(fā)酵方式成為甜菊糖苷進(jìn)一步商業(yè)化的解決方案。在該領(lǐng)域，美國(guó)SweeGen公司的Reb M 95%甜菊糖苷就是通過(guò)基因酵母生物合成。其特點(diǎn)是采用了專有酵母含有的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶等其它多種酶對(duì)葡萄糖進(jìn)行多梯次反應(yīng)，進(jìn)而合成高純度的Reb M。2018年，嘉吉(Cargill)宣布通過(guò)面包酵母發(fā)酵獲得了大量的EverSweetTM, 實(shí)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(guó)際食品技術(shù)協(xié)會(huì)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(dá)10%，故名燕窩酸。作為一種神經(jīng)氨酸，其廣泛存在于動(dòng)物組織和微生物中，幫助組成細(xì)胞膜蛋白結(jié)構(gòu)，也是母乳低聚糖的重要組分之一?？茖W(xué)研究表明，燕窩酸能有效促進(jìn)神經(jīng)、上皮和免疫細(xì)胞的發(fā)育和功能修復(fù)，幫助提高免疫力、促進(jìn)智力發(fā)育，同時(shí)滋補(bǔ)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(bǔ)食品以及化妝品領(lǐng)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(guó)科學(xué)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(zhì)、性質(zhì)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(chǎng)應(yīng)用提供了商業(yè)價(jià)值。

       大 麻二酚（CBD）

       千百年來(lái)，大 麻的藥用特性已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)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(guó)家，某些大 麻素配方已被批準(zhǔn)作為處方藥來(lái)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了大量的化學(xué)合成。

       為改變這一點(diǎn)，科學(xué)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(lái)產(chǎn)生大 麻素類似物。最近發(fā)表在《Nature》的一項(xiàng)由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)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(tuán)隊(duì)先從大 麻植物中提取THC和CBD目的基因，然后將它們導(dǎo)入到釀酒細(xì)胞中，酵母經(jīng)過(guò)在含有所需的營(yíng)養(yǎng)成分的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)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(lái)的高環(huán)境足跡效應(yīng)。

       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(yīng)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(lǐng)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(jī)體免疫力、促進(jìn)眼睛健康、預(yù)防癌癥、對(duì)抗心血管疾病、延緩衰老等方面也潛力巨大。在天然、清潔標(biāo)簽的驅(qū)動(dòng)下，市場(chǎng)對(duì)β-胡蘿卜素的需求早已轉(zhuǎn)向天然來(lái)源。

       受原料含量、氣候、產(chǎn)地、運(yùn)輸、提取工藝復(fù)雜等條件限制，植物提取已不能滿足時(shí)下需求激增的消費(fèi)者市場(chǎng)，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(qiáng)著色力的優(yōu)勢(shì)受到國(guó)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(guó)內(nèi)發(fā)酵法供應(yīng)企業(yè)主要有武漢星辰、嘉必優(yōu)、湖北世力達(dá)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(chǎng)發(fā)售。產(chǎn)品聲稱主要涉及抗衰、保護(hù)眼睛、防輻射、防癌、預(yù)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(guò)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(shù)初創(chuàng)公司NextFerm推出了一款酵母源蝦青素，與藻類來(lái)源蝦青素相比，其采用“集群發(fā)酵工藝技術(shù)”，因而產(chǎn)量更高，且沒有蝦青素本來(lái)不悅的氣味和低利用率限制，在微型結(jié)構(gòu)上也略微不同，有利于幫助機(jī)體快速吸收，提高生物利用度，可廣泛應(yīng)用于食品、飲料、糖果以及各種預(yù)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(qiáng)免疫、延緩衰老、促進(jìn)骨骼形成等方面就有更強(qiáng)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(yīng)用于食品、醫(yī)藥、個(gè)護(hù)、生物合成等領(lǐng)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(dòng)物組織，而某些微生物生長(zhǎng)過(guò)程中自身會(huì)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(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單且天然安全。

       目前市場(chǎng)中已有一些膠原蛋白肽以發(fā)酵為賣點(diǎn)，以美容護(hù)理領(lǐng)域最為突出。比如，2018年國(guó)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(guò)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(wú)任何代謝負(fù)擔(dān)。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(yíng)養(yǎng)性能，而且作為皮膚介質(zhì)具有保濕、提亮膚色、美白淡斑、防曬保護(hù)等作用。

       透明質(zhì)酸（HA）

       在日本享有“白金”之稱的透明質(zhì)酸，是世界公認(rèn)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(rùn)光澤富有彈性。利用微生物法發(fā)酵透明質(zhì)酸的優(yōu)點(diǎn)早已被得到證實(shí)，如生產(chǎn)規(guī)模不受動(dòng)物原料限制、發(fā)酵液中透明質(zhì)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(wú)動(dòng)物源致病危險(xiǎn)因素等。目前，發(fā)酵法生產(chǎn)透明質(zhì)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(guó)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(dá)、華熙生物、上海昊海等，且產(chǎn)品暢銷海內(nèi)外。