编者按:本文为“2026生物制造大赛系列科普文章”。大赛由工业和信息化部中小企业发展促进中心联合有关地方工业和信息化主管部门举办,设置前沿技术、应用创新两大赛道,重点聚焦新型基因编辑与细胞工厂构建、酶工程、AI驱动的生物系统设计与数字化生物工艺平台、绿色生物制造技术、食品及日化功能原料、生物基材料与绿色农业、生物制造关键设备及试剂国产化、生命健康(全球健康)等方向。赛事自5月启动,经过项目征集、初审遴选、北京和上海复赛,最终将在天津举行全国决赛,持续发掘具有技术创新性和产业化潜力的优秀项目。

大赛官网:https://www.chinasme.cn/bioCompetition/home

生物制造是一场从传统走向未来的伟大变革。传统生物制造依赖于自然发酵,如酿酒和制醋,利用微生物的天然代谢能力生产产品。然而,随着科技的进步,生物制造进入了一个全新的阶段。从20世纪初的抗生素发酵到合成生物学的崛起,生物制造不断突破边界,实现了从实验室到工业生产的飞跃。

如今,生物制造正迈向更高效、更绿色的未来。基因编辑、代谢工程和合成生物学等技术的融合,让微生物成为定制化的“细胞工厂”,生产出从药物到生物燃料的各种高附加值产品。未来,生物制造有望在应对全球性挑战中发挥更大作用,助力可持续发展,创造一个更加健康、绿色的世界。

传统生物制造:揭秘自然的酿造密码

想象一下,如果每个微生物都是微型工人,它们体内的代谢系统就是精密的流水线——这正是生物制造的核心理念。现代生物制造是指利用生命体机能,通过工业加工与转化流程,为人类社会生产必需品的一种制造模式。这种新型制造模式借助生物自身的生命活动,结合工业化技术手段,将天然原料转化为人类所需的各类产品。从抗生素到生物燃料,从环保材料到人造蛋白,现代生物制造已悄然渗透进人类生活的方方面面。

你可能想不到,这种高科技生产方式的雏形,竟藏在古人的日常生活里。早在数千年前,先民们虽不了解微生物的存在,却已在实践中运用它们的“工作能力”:用酵母菌酿造美酒,借霉菌制作酱油,凭乳酸菌腌制泡菜。这些看似平常的发酵技艺,正是人类认知生物转化能力的启蒙课——就像孩童无意间触碰了科技大门的门环,为后世打开了一个崭新的制造维度。

发酵的奇迹: 从“发现”到“发明”

最早的生物制造可以追溯到人类对自然环境中微生物的无意识利用时期,这是人类对自然环境中微生物功能认知的萌芽阶段。酿酒是具有代表性的传统生物制造过程,这一过程实际上是一个“发现”而非“发明”。

考古证据显示,人类与微生物的酿造协作,早在新石器时代之前就已悄然开启。在河南舞阳贾湖遗址出土的陶罐中,检测到的酒石酸结晶——这是目前已知最早的酿酒实证,证明7000年前先民已掌握利用天然微生物转化果糖的智慧。但这项技术的源头还要追溯到更久远的自然馈赠。在湿润的树洞里,熟透的野果表皮自带的酵母菌会开启神奇的发酵程序。这种现象被徐珂在《清稗类钞》中记载的“猿酒”传说印证,书中提到,山中猿猴将野果藏于树洞或石穴中,果实在自然条件下发酵成酒,称为“猿酒”或“猴儿酒”。这种自然发酵的果酒,本质上是由环境微生物构建的“天然生物反应器”。

图1   猿猴酿酒

人类最初接触这类“天然琼浆”纯属偶然,但当先民发现发酵后的液体具有独特风味和特殊功效后,便开启了主动培育微生物的探索。河南舞阳县的贾湖遗址种陶片沉淀物中发现的酒石酸(葡萄酒中特有的酸)和单宁酸,证实了我国早在7000年前就已开始酿造葡萄酒。通过观察温度、湿度对发酵效果的影响,逐步从依赖野生菌群过渡到人工控制发酵环境——陶罐内壁的酿酒残渍显示,贾湖人可能已懂得用密封陶器创造厌氧环境,这正是引导酵母菌高效工作的关键技术。

图2   贾湖遗址陶罐中含有酒类特有有机酸的沉淀物

这场持续数千年的微生物驯化史,本质上是对自然界生化反应的解码过程。从随机利用到定向培育,人类在不知不觉中完成了从被动接受自然馈赠到主动操控生命工厂的伟大跨越。

【案例解析:自然酿造的奥秘】

古人酿造葡萄酒时,会将葡萄捣碎装入容器,依靠果皮自带的天然微生物完成发酵。这些微生物包括两类主力军:酵母菌负责将葡萄中的糖转化为酒精,乳酸菌则通过代谢调节酸度。它们以果汁中的葡萄糖、果糖为食,在协同作用下产生三大类物质:

①首先是酒精和芳香醇。酿酒酵母主导的酒精发酵生成乙醇,同时产生带有玫瑰香气的苯乙醇;

②其次是酯类物质,如菠萝味的乙酸乙酯、苹果香的己酸乙酯,这些“香味分子”由酵母代谢特定前体物质形成;

③最后是酸类成分,包括赋予清爽酸味的酒石酸,以及经乳酸菌转化后更柔和的苹果酸。

传统葡萄酒酿造从本质上来说,是自然界中微生物直接利用原料底物合成特定代谢物的过程,原料底物直接来自果肉中的小分子糖类物质,无需“前处理”或“预处理”,在自然环境中最容易实现。因此,葡萄酒是已知最古老的发酵饮料。

啤酒酿造:跨越五千年的谷物魔法

人类酿造啤酒的历史可追溯至四千年前,考古学家在美索不达米亚平原发现刻有献祭用啤酒制作图的苏美尔泥板,苏美尔人不仅大量饮用啤酒,而且把这种饮料广泛用于宗教祭祀。然而,鲜为人知的是,在东方黄河流域,中国先民几乎同期掌握了相似的酿造技艺,一种被称作"醴"的古老饮品,正是中华文明对世界啤酒史的重要贡献。

图3    苏美尔泥板记录了苏美尔人的“啤酒配方”

啤酒诞生的关键,在于破解谷物的"能量密码"。大麦、小麦等谷物富含淀粉,但这些谷物大分子物质无法直接被酵母转化为酒精。因此,啤酒酿制的复杂之处也在于原料的“预处理”。远古先民观察到潮湿谷物发芽后会产生甜味——这实际上是谷物自身产生的淀粉酶将淀粉分解为可发酵的糖分。于是,一项人为的“生物工程”就此诞生:通过控制谷物发芽(制麦)获得天然水解酶,再经糖化处理将淀粉转化为麦芽糖。这是人类利用酶催化水解、利用生物质原料的最早尝试。

图4    发芽的小麦

中国古代文献《释名》记载的“醴酒”,正是这种古法酿造的代表。与苏美尔啤酒相似,醴酒采用“一宿而成”的短时发酵工艺,其淡雅口感源于发酵时间短、酒精度低的特点。考古证据显示,早在五千年前的仰韶文化时期,中国先民已掌握用黍米制作醴酒的技术,其酿造周期、原料处理方式与两河流域的古啤酒高度相似。

图5   仰韶文化晚期中国先民用黍米制作醴——甘肃省博物馆

这种原始酿造技术蕴含着惊人的科学智慧:谷物发芽时产生的α-淀粉酶和β-淀粉酶,能将淀粉链精准切割成麦芽糖分子;酵母菌则将这些糖分转化为酒精,同时产生微量酯类物质赋予酒体特殊香气。虽然古人不懂酶促反应原理,却通过经验总结出“制麦-糖化-发酵”的标准流程,这与现代啤酒生产的三大核心步骤完全吻合。

从两河流域的啤酒工坊到仰韶文化的陶瓮醴酒,这些穿越时空的发酵智慧,共同构成了人类早期生物技术的辉煌篇章,并传承至今。2021年某啤酒集团复原推出的“醴”酒,不仅重现了古代配方,更通过陶瓮发酵、草木灰调节酸碱度等传统工艺,再现了层次丰富的古酒风味。这项尝试不仅证明了中国古啤酒技术的成熟度,更揭示了东西方古文明在发酵科技上的惊人默契——当苏美尔人用芦苇管饮用啤酒时,商代的贵族们也在举杯畅饮属于东方的“液体面包”。

图6   现代复刻的“醴”酒

黄酒酿造:从霉变到美酒

黄酒是我国独有的古酒,也是世界三大古酒之一。在河南贾湖遗址的陶罐里,考古学家发现了距今至少7000年前的米酒残渍,揭示了中国先民可能是世界上最早掌握谷物酿酒技术的族群。这种以黍米为原料的古老饮品,经过数千年演化,最终发展成为独具东方智慧的黄酒酿造体系。

图7   仰韶村遗址第四次考古发掘发现在尖底瓶残留物中谷物发酵酒

新石器时代的先民发现,露天储存的谷物受潮霉变后竟会渗出甜味液体。这种自然现象启发了最早的酿酒尝试:当谷物中的淀粉被霉菌分解为糖分,野生酵母便会将其转化为酒精。贾湖先民使用的陶瓮,既是最早的生物反应器——陶器孔隙中栖息的微生物群落,构成了天然的发酵系统。

为提高酿酒效率,商周时期的工匠发明了革命性的“酒曲”。他们将发霉谷物制成砖块状培养基,通过控制温湿度,筛选出能高效分解淀粉的米曲霉、产酒精的酵母菌等微生物复合体。这种“活体酶制剂”可同时完成淀粉糖化1和酒精发酵2,比欧洲沿用数千年的麦芽糖化法更为高效。宋代《北山酒经》记载的制曲工艺,已包含现代微生物纯培养技术的雏形。黄酒从早期米酒到成熟黄酒的发展走了上千年的时间,前秦时代的黄酒可以统称为米酒,直到宋元时代黄酒才趋于成熟,元代黄酒酿造工艺已臻完善,并得到普及。

图8    法国学者卡尔梅特

1892年,法国学者卡尔梅特从中国酒曲中分离出糖化力超强的米曲霉,由此开创了西方酶制剂工业。后来人们把这种用霉菌糖化的方法称为“淀粉酶法”(amylomyces process),又称“淀粉发酵法”(amyloprocess)。这种用霉菌糖化、用酵母菌发酵制酒的方法,奠定了现代酒精工业的基础,同时也给现代发酵工业和酶制剂工业的形成带来了深远的影响。

葡萄酒、啤酒和黄酒是世界三大古老酿造酒。从发酵机制来看,葡萄酒最为简单,利用葡萄中的糖分,由野生酵母自然发酵而成,是典型的“菌系”驱动过程。啤酒则更复杂,其生产需要谷物水解,依赖发芽植物产生的“酶系”将淀粉转化为糖,随后通过酵母发酵,整个过程涉及“酶系”(水解模块)和“菌系”(发酵模块),是现代生物制造“模块化“发酵的雏形。黄酒最为精密,其发酵过程由环境中的曲霉、根霉等微生物群接力完成,从谷物的水解到乙醇和风味物质的形成,完全依赖多种微生物的协作,是人类最早利用自然菌群进行复杂发酵的典型案例。三者的差异反映了人类对微生物利用的深度与工艺的进步。

白酒酿造:微生物的完美协奏曲

随着古代工匠对自然发酵过程认识的逐渐深入,结合蒸馏器具的发明,白酒也就孕育而生。白酒也叫烧酒,是中国独有的一种蒸馏酒。白酒的主体是水和酒精,占到整体的98%,而剩余的2%成分是数千种风味物质,它们的组成和比例决定了白酒的风格和品质。相对于其他酒而言,中国传统白酒酿造过程最为复杂,绝大多数白酒采用固态开放式的自然发酵、固态蒸馏,生产过程中涉及的“菌系”最为复杂,参与的“酶系”最为众多,可以说是最早的微生物菌群集成加工制造过程。整个过程中,微生物的种类、数量及其代谢产物直接决定了白酒的品质与特色。

图9    制曲流程图

图 10   白酒制酒过程流程示意图(以清香型白酒为例)

饮料酒是人类对自然生物制造(发酵)过程的认识、理解、掌握与运用的产物。当先民发现霉变谷物遇水产酒时,便开启了最早的生物技术实践:从被动接受自然发酵,到主动培养酒曲调控菌群;从依赖野生酵母,到选育高效酿酒菌株。在漫长的历史发展中,不同文明通过观察和实践,逐步揭示了微生物在发酵中的作用机制,并将其应用于饮料酒的制作。无论是利用酵母菌发酵葡萄制成葡萄酒,或是通过霉菌、乳酸菌等多种微生物共同作用制成大曲白酒,人类都巧妙地将自然界的生物化学反应转化为独特的工艺(见表1)。这种对发酵过程的深刻理解,不仅丰富了人类的饮食文化,也体现了人与自然和谐共生的智慧。

表1  葡萄酒、啤酒、黄酒和白酒酿造特征汇总

调料酿造:食品发酵的智慧

传统生物制造源于人类对食物自然发酵现象的观察与认识。水果会发酵出酒精,谷物能转化为芳醇的酒液,这些神奇的变化背后是微生物的作用。通过长期实践,人类逐渐掌握了控制工艺的技巧,如调整温度、酸度等环境条件,以实现对功能微生物的特异性富集。

不同原料提供了不同的碳源,为各种微生物搭建了舞台。小麦、大豆、玉米等食材通过科学调控,创造出适合目标菌种繁殖的环境。正是这种对自然规律的深刻理解与巧妙运用,人类才能将普通食材转化为酱油、醋等美味佳肴。这不仅丰富了饮食文化,也体现了人与自然和谐共生的智慧。

在传统生物制造中,人类早已无意识地利用功能微生物,但并未真正认识到这些微生物是发酵的核心驱动力。因此,生产模式长期依赖人工,停留在小作坊式的阶段。

这一局面直到1857年才发生改变。法国科学家巴斯德通过实验证据表明,所有发酵过程都是由特定微生物引起的。这一发现不仅揭示了自然发酵的本质,也为现代生物发酵工业奠定了基础。随后,像葡萄酒酵母、啤酒酵母以及黄酒中的河内根霉等关键功能微生物相继被鉴定和利用,为工业化生产开辟了新的可能性。

近年来,宏组学技术的发展犹如一把“显微镜”,让人们得以深入解析传统发酵食品背后的微生物世界。从“靠天吃饭”的黑箱生产,逐渐转向依赖核心功能微生物的“灰箱”制造。科学家们从数千种微生物中筛选出关键菌株,通过现代生物技术揭示其生长代谢特征,并理性组合成微生物组,共同完成复杂的发酵过程。这不仅提升了生产效率,还优化了产品品质、安全性和健康属性。

更重要的是,在解析传统发酵机制的过程中,人们还发现了微生物之间的协同作用,如“接力发酵3”和“群体感应4”。这些机制为构建高效人工生态体系提供了新的思路,尤其是在规模化生产领域展现出巨大潜力。如今,现代发酵工业正在从单一菌株的应用迈向更加复杂的菌群协作体系,为生物制造开辟了更广阔的前景。

【专业术语词库】

1. 糖化:是指高分子淀粉分解成小分子单糖(葡萄糖)、双糖或寡糖的过程。

2.发酵:是指微生物或细胞在代谢途径或者胞内酶的作用下,将生物质、有机物等,在有氧或无氧条件下代谢合成目标产物的过程。发酵产品一般为细胞的代谢产物或次级代谢产。

3.接力发酵:是指将底物转化为产物的过程分为不同模块,有不同微生物负责不同模块的物质转化,最终相互配合完成整个发酵过程。比如VC两步发酵生产法,第一步是利用微生物发酵生产谷胱甘肽,第二步是通过另一种微生物利用谷胱甘肽转化成维生素C。相对于工业发酵而言,传统生物制造的接力发酵没有非常明确的界限,往往是不同微生物各司其职,共同来完成酿制的过程。

4. 群体感应:一种微生物群体行为调控机制,微生物可以分泌一种或多种自诱导剂,通过感应这些自诱导剂来判断菌群密度和周围环境变化,进而相应启动一系列基因的表达,以调节菌体的群体行为。

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