南京农业大学食品科技学院李伟课题组在《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》发表最新综述成果
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南京农业大学食品科技学院李伟课题组在《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》发表最新综述成果近日，南京农业大学李伟教授（通讯作者）课题组联合云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所林涛副研究员在食品科学领域国际著名综述期刊《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》（IF=8.8，中科院2区Top期刊）上发表题为“From fermentation to function: a critical review of lactic acid bacteria redesign for functional foods and precision nutrition”的综述性论文。该综述系统梳理并整合了乳酸菌（LAB）从传统发酵微生物向功能定向设计与精准营养工具转型的研究进展，重点从“食品品质提升—健康功能实现—合成生物学重塑—精准营养应用”四个层面，系统阐明了LAB在现代功能食品体系中的结构调控机制、代谢网络基础与工程改造路径。文章突破了传统“发酵改善品质”的单一功能视角，提出LAB正在由“经验驱动型发酵菌”向“数据驱动型功能底盘菌”转变，并强调未来应构建“多组学—AI预测—精准营养干预”一体化框架，为功能食品创新与个性化营养设计提供理论支撑与技术路线。近年来，乳酸菌研究已从传统发酵保藏与风味形成，逐步进入以基因组学、代谢工程与人工智能为支撑的功能重塑阶段。然而，现有研究多聚焦于单一应用场景（如益生功能或食品品质改良），缺乏对LAB资源系统整合与未来发展路径的整体梳理。本综述以“From fermentation to function”为主线，系统回顾了LAB在食品品质提升、健康促进、天然生物保藏及高值生物制造中的功能机制，并进一步分析了CRISPR基因编辑、合成生物学调控系统、微流控高通量筛选以及AI预测模型在LAB定向改造中的应用进展。文章同时指出，在全球监管差异、基因工程伦理争议、规模化技术瓶颈及消费者接受度等多重因素影响下，LAB精准功能化仍面临复杂挑战。基于此，作者提出未来应构建标准化功能数据库、多组学整合平台及AI驱动的精准营养设计工具，以实现可持续、可监管且消费者友好的创新路径。（1）功能升级视角：从发酵角色到功能底盘菌的战略转型。
文章指出，LAB已不再局限于“酸化—抑菌—增香”的传统发酵功能，而是在分子层面通过EPS、后生元、短链脂肪酸及功能肽等多种代谢产物，协同改善食品质构、调控免疫、调节脂质代谢与肠道屏障功能。综述系统梳理了其在抗氧化、降胆固醇、抗炎、改善代谢综合征及调节脑肠轴等方面的机制证据，并强调功能效应具有显著“菌株特异性”，为精准筛选与定向设计奠定基础。
（2）品质机制解析：从代谢活动到结构重塑。
文章深入解析了LAB通过酸化调控蛋白等电点聚集、EPS-蛋白互作、酶促降解与风味前体释放等机制改善食品质构与感官品质的分子路径，并系统整理了其在乳制品、发酵面制品、植物基替代食品中的应用进展。尤其强调在植物基体系中，LAB可通过多菌协同发酵改善“豆腥味”、增强凝胶网络结构，展现跨基质适应潜力。
（3）生物保藏与天然替代：多机制协同抑菌体系
综述总结了LAB作为生物保藏剂的多重抗菌机制，包括有机酸调控、细菌素作用、挥发性代谢物生成及EPS形成屏障等。文章进一步提出，未来应构建“食品-菌株-代谢物”动态模型，综合考虑加工、包装与储存条件对抗菌效率的影响，实现精准生物保藏设计。
（4）工程重塑与技术前沿：合成生物学与AI驱动设计
文章系统介绍了CRISPR-Cas编辑系统、NICE诱导表达系统、应激响应表达系统等LAB表达平台，并探讨微流控高通量筛选与AI预测模型在菌株功能定向改造中的应用潜力。作者提出，LAB未来可作为“可编程微生物底盘”，用于生产高附加值生物分子、构建精准营养响应型发酵系统，甚至实现个体化微生态干预。
（5）精准营养框架：从群体健康到个体定制
未来LAB研究应结合宿主微生物组特征与代谢表型，实现“菌株—功能—人群”三位一体匹配。通过整合多组学数据与机器学习模型，可建立从菌株筛选到功能预测的系统化路径，为个性化功能食品设计提供数据支撑。图1 乳酸菌资源发现与利用的时间线（参考自O’Toole 等人（2017）和 Barbosa 等人（2022）的研究）。图2 乳酸菌资源深度利用示意图。(A)乳酸菌可用于生产乳酸，作为聚乳酸（PLA）的前体。通过将PLA基pH响应薄膜与壳聚糖和茜素结合，可开发新型食品包装材料（参考Wu等人（2022））。(B) 乳酸菌的蛋白水解系统在乳制品发酵中发挥关键作用，不仅影响最终产品的感官特性与质地，还具有潜在的免疫调节效应（参考Zou等人（2024））。(C) 乳酸菌常用的表达系统包括：(i) NICE（乳酸链霉素调控表达）系统，涉及组氨酸激酶（NisK）、胞内响应调节因子（NisR）及乳酸链霉素诱导型启动子（PnisA）； (ii) 木糖诱导表达系统（XIES），由木糖（诱导剂）、XylR（调控蛋白）、葡萄糖（抑制剂）及P_xylT启动子共同调控；(iii) pZn系统，响应锌限制条件，包含锌响应调节因子ZitR和P_Zn启动子；(iv)P170系统，由P170启动子驱动，在酸性条件（pH<6.0）下激活； (v) 胁迫诱导表达系统（SICE），其中环境胁迫因子（如低pH值、高盐浓度或热休克）激活GroESL启动子，从而表达目标蛋白（参考Mugwanda等人（2023））。(D) 乳酸杆菌基因组测序与分析推动了专用数据库的建立，进而支持功能性代谢物或生物分子的定向生产（参考Baek等人（2023））。
图3 基于CRISPR-Cas系统的乳酸菌细胞工厂示意图。(A) 乳酸菌基因工程中CRISPR-Cas应用概述：(ⅰ) Cas9介导的基因组编辑通过Cas9核酸酶引导的靶向DNA切割实现。该过程依赖于识别特定DNA序列——即靶位点相邻的原间隔区相邻基序（PAM）；(ⅱ) 基因组工程中的双切口策略，利用配对Cas9核酸酶实现精准双重切割； (ⅲ) 转录调控：采用无催化活性的“失活”Cas9变体（dCas9），其可结合DNA但不具备切割能力。该系统可实现CRISPR激活（CRISPRa）或CRISPR干扰（CRISPRi），主要通过转录抑制调节基因表达；(ⅳ)基于CRISPR的基因组位点可视化技术；（ⅴ）CRISPR介导的负向筛选策略（参考Mugwanda等人（2023）及Cui和Qu（2024））。(B)鉴定并表征乳酸菌株中的代表性CRISPR-Cas系统，旨在促进精准靶向的基因修饰（参考Cui和Qu（2024））。(C)乳酸菌衍生“智能细胞工厂”在食品与益生菌产业的前瞻性应用（Xin等人，2025；Cui和Qu，2024）。图4 连接多组学分析、人工智能辅助乳酸菌设计及递送系统的功能性食品与精准营养开发概念框架。通过整合基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学，结合人工智能辅助建模与CRISPR/合成生物学技术，可精准改造乳酸菌菌株以增强其功能性。对工程化或筛选乳酸菌的功能调控涵盖外多糖（EPS）、后生元、胆盐水解酶（BSH）及短链脂肪酸（SCFAs）的产生，以及其对肠道屏障完整性与免疫反应的调节效应。通过食品级递送系统——如水凝胶、共包封颗粒和微胶囊，这些菌株实现了更优的稳定性和控释特性。这些递送策略通过脂质/葡萄糖调节和抗炎活性，进一步与功能性食品（如酸奶、饮料、烘焙食品）及个性化营养方案相衔接。最终，人工智能-组学反馈系统整合实验与工业数据持续优化预测模型，从而实现新一代乳酸菌设计与靶向功能优化。图5 食品级乳酸菌资源的开发与利用未来研究方向（参考并改编自Oña等人（2025）；Wang等人（2025）；Yuan等人（2025））。乳酸菌的研究与应用正从“传统发酵功能优化”迈向“可编程功能设计与精准营养调控”的新阶段。未来LAB的开发不应仅停留在单一代谢产物或单菌株功能验证层面，而应基于系统生物学与工程化思维，构建“基因组—代谢网络—食品结构—宿主响应”多层级整合框架。特别是在功能食品与精准营养背景下，LAB将不再只是发酵过程的参与者，而是可被定向设计、可预测调控、可场景适配的功能底盘菌。
未来研究需更加关注真实食品体系中的复杂互作关系，包括LAB与食品基质的界面行为、多菌协同代谢网络以及宿主微生态环境对功能表达的调节效应。同时，应加强多组学整合分析与人工智能建模，在菌株筛选、代谢路径优化及功能预测方面实现从“事后验证”向“前瞻设计”的转变。尤其是在个体化健康管理框架下，如何将菌株工程化改造、食品结构设计与人群微生物组特征相结合，建立可量化、可调控的功能响应模型，将成为推动下一代功能食品与精准营养干预的关键突破方向。https://doi.org/10.1080/10408398.2026.2631641
李伟，博士，南京农业大学食品科技学院学院教授、博士研究生导师、副院长、哈佛大学医学院/波士顿儿童医院访问学者（2016-2017）。研究方向为食品微生物与生物技术、食品加工与安全。兼任国家奶业科技创新联盟绿色低碳加工专家委员会副主任、中国食品科学技术学会第三届青年工作委员会委员、中国食品科学技术学会益生菌分会理事、国家食药同源产业科技创新联盟理事、江苏省食品安全风险评估专家委员会委员、江苏省营养学会理事、南京微生物学会理事长。现主持及完成国家和省部级以上项目20余项，其中国家自然科学基金项目5项。已在国内外学术期刊发表科研论文155篇，其中以第一/通讯作者在Advances in Colloid and Interface Science、Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety、Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers等国际生命科学和食品主流期刊上发表SCI收录论文118篇。获江苏省青蓝工程中青年学术带头人、江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师、江苏省双创人才“双创博士”及中国食品工业协会科学技术奖一等奖、江苏省高等教育教学成果奖二等奖等荣誉称号。
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