本期介紹內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學張和平教授發(fā)表在《中國食品學報》第23卷第6期特約專欄（2022中國食品科技十大進展）上的文章《基于人工智能的益生乳酸菌精準篩選及產(chǎn)業(yè)化關鍵技術》。

隨著益生乳酸菌的健康益處被廣泛認可，益生菌產(chǎn)業(yè)迎來了繁榮的黃金時期。盡管如此，我國益生菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯緩，不僅缺乏自主知識產(chǎn)權的益生菌菌株，而且篩選及產(chǎn)業(yè)化技術滯后。目前，我國主要依賴于傳統(tǒng)的純培養(yǎng)技術篩選乳酸菌，這種方法耗時、耗力，且準確率有待提高。近年來，高通量測序和人工智能技術的興起，為益生乳酸菌的篩選開啟了新篇章。研究人員基于基因組大數(shù)據(jù)和人工智能，開發(fā)了乳酸菌精準篩選技術，顯著提高了篩選速度和準確率，也推動了益生乳酸菌的產(chǎn)業(yè)化進程。本文綜述基于人工智能的益生乳酸菌精準篩選及產(chǎn)業(yè)化技術，并進一步探討我國益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

乳酸菌是益生菌家族的重要成員，廣泛分布于土壤、水體、植被以及人類和動物的腸道等環(huán)境中。目前，我國仍使用傳統(tǒng)的純培養(yǎng)技術從自然界分離和篩選具有益生潛力的乳酸菌，再通過高密度發(fā)酵等技術將其商品化。然而，這種方法策略面臨兩大問題：一是篩選過程耗時耗力，投入成本高；二是高密度發(fā)酵和產(chǎn)業(yè)化技術相對滯后。這兩個問題嚴重阻礙了我國益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

隨著基因組學、轉錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等高通量技術的快速發(fā)展，乳酸菌遺傳、代謝、生長和衰亡機制，以及益生功能相關基因被深入研究。利用這些基因組數(shù)據(jù)和人工智能技術，建立更精準的益生乳酸菌篩選技術，將極大地推動益生乳酸菌資源的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。

1 基于人工智能的益生乳酸菌精準篩選技術

近年來，得益于測序技術的快速迭代和測序成本的大幅降低，大量乳酸菌基因組序列數(shù)據(jù)被上傳并存儲在公共數(shù)據(jù)平臺中。目前，美國國家生物技術信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）數(shù)據(jù)庫已公開約6000個乳桿菌和雙歧桿菌的基因組序列。同時，一些科研機構還在不斷地收集和建立更大規(guī)模的乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫。這些豐富的基因組數(shù)據(jù)為乳酸菌科學研究帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。通過利用生物信息學和人工智能技術，研究人員在這海量的基因組數(shù)據(jù)中對乳酸菌基因組結構、代謝通路和潛在的功能基因進行全面、深入的分析和挖掘。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研究團隊開發(fā)了一種基于機器學習算法和基因組大數(shù)據(jù)的益生乳酸菌篩選和預測平臺。他們對多個益生菌菌株的基因組數(shù)據(jù)集進行k-mer分析，發(fā)現(xiàn)了益生乳酸菌基因組的寡核苷酸組成和特性，并成功建立了益生乳酸菌的預測模型，經(jīng)降噪處理和k-mer優(yōu)化，該模型的預測準確率達到97.77%，曲線下面積達到98.00%。在此基礎上，還利用GO、KEGG和RAST等數(shù)據(jù)庫對益生乳酸菌基因組進行功能注釋，并成功挖掘到與益生特性相關的基因和代謝通路。此外，還發(fā)現(xiàn)益生菌的益生功能并非由單一基因決定，而是由整體的k-mer組成共同影響。為了便于其他科研人員進行益生乳酸菌的快速篩選和研究，該團隊開發(fā)了一個在線且免費的生物信息學篩選工具——iProbiotics。

這種基于群體基因組學和功能基因精準定位策略的益生乳酸菌人工智能篩選技術，通過超算集群實現(xiàn)了益生菌高效靶向篩選，不僅篩選出具有調(diào)節(jié)腸道菌群、強化免疫平衡等功能的益生乳酸菌，而且構建了多維度腸道菌群互作的益生功能評價體系。其誕生和廣泛應用，標志著我國益生乳酸菌的篩選和評價全面進入基因組時代。

2 益生乳酸菌的高密度發(fā)酵及產(chǎn)業(yè)化技術

益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)化的關鍵在于生產(chǎn)盡可能多的活菌。工業(yè)生產(chǎn)常采用高密度發(fā)酵（High Cell Density Fermentation）技術進行乳酸菌培養(yǎng)。高密度發(fā)酵技術可以精準控制培養(yǎng)溫度、實時調(diào)節(jié)pH值，并向生物反應器及時補充營養(yǎng)物質(zhì)，以創(chuàng)造最佳的乳酸菌生長環(huán)境。目前，該技術能使乳酸菌的菌體密度達到甚至超過靜態(tài)培養(yǎng)的10倍以上。此外，針對不同的乳酸菌株，開展個性化的優(yōu)化試驗，如優(yōu)化高密度發(fā)酵的培養(yǎng)條件和調(diào)整培養(yǎng)基成分，還可以進一步提高乳酸菌活性。

在益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)化過程中，另一大挑戰(zhàn)是如何長期保持菌株活性。工業(yè)生產(chǎn)常采用真空冷凍干燥（Vacuum Freezing Technology）技術把益生菌細胞中95%的水分在低溫和低氧條件下去除，從而使益生菌變成一種極端“干燥”的狀態(tài)并進入深度休眠。這種狀態(tài)可以暫停益生菌的生命活動，直到水分重新進入細胞，活性才會恢復。因此，真空冷凍干燥技術既保持了益生菌的活性，又提高了其在長期儲藏中的穩(wěn)定性。然而，冷凍干燥過程中的極寒環(huán)境會引起菌體應激反應，導致菌體失活。如何提高乳酸菌在冷凍干燥過程中的存活率，仍然是益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)化過程中需要突破的技術瓶頸。通過改變培養(yǎng)條件提高菌株凍干存活率是該領域的研究熱點。

近年來，基因組、轉錄組、蛋白組和代謝組等多組學技術逐漸成為突破益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)化瓶頸的關鍵技術。借助多組學技術，研究人員深入探究了乳酸菌在冷凍干燥過程中的應激響應和生理適應機制，找到了與乳酸菌抗寒和生物膜組分調(diào)節(jié)相關的基因和蛋白，這為開發(fā)乳酸菌冷凍干燥保護技術奠定了重要的理論基礎。這些發(fā)現(xiàn)為進一步優(yōu)化高密度培養(yǎng)基成分，提高菌體密度提供了新的思路。

3 結語

我國當前的益生乳酸菌篩選及產(chǎn)業(yè)化技術落后，也缺乏自主知識產(chǎn)權的益生菌菌株。繼續(xù)提高益生乳酸菌篩選及產(chǎn)業(yè)化技術方面的投入，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的本土菌株，才能更好地維護中國人腸道健康。此外，也要重視并加強技術創(chuàng)新，充分利用好大數(shù)據(jù)以及人工智能等現(xiàn)代技術，著力解決益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)化過程中的技術瓶頸，以實現(xiàn)中國益生乳酸菌產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

（轉載自中國食品科學技術學會）

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