发酵技术在护肤品行业中的应用与展望——2023版·第5代发酵技术.pdf

Company corner公司专栏71第46卷2023年第10期3年疫情不仅改变了我们的生活，也对各行业的发展产生了深远影响，包括化妆品行业。当前整个化妆品产业已认识到科技赋能和创新发展的重要性，高科技绝对是推动产业发展的基石和有效保障。打破国际垄断，利用本土创新科技推动化妆品产业升级已成为疫情后时代的广泛共识与主旋律。于化妆品而言原料创新是关键环节也是核心内容，其中基于合成生物学发展的新一代发酵工程技术产品即属于前沿科技转化的创新原料之一。鉴于此，由上海人类学学会人类皮肤健康专业委员会发起的研究报告“发酵技术在护肤品行业中的应用与展望”对行业发展意义非凡，该报告内容丰富，对发酵原料的发展有很强的借鉴价值，并邀请空军特色医学中心皮肤科刘玮教授为之作序。自改革开放以来，国内化妆品行业取得了飞速发展，但核心原料研发仍然依靠国际企业的研发中心。化妆品原料的研发涉及内容多且复杂，包括原料与皮肤之间相互作用，与其他原料及包装材料之间的相容性，对环境的压力等等。此外，原料的扩大生产和工艺优化也是重要的环节。经过几十年的不懈努力，国内企业目前逐步建立并完善了原料的研发体系，并与相应的研究机构积极展开了创新研发协作，相关成果不断涌现且已有成功案例，尤其在发酵领域成果斐然，包括大家熟知的透明质酸、重组胶原蛋白以及自然堂的“喜默因”。人类发展的历史就是一部不断认识世界，改造世界的过程。“发酵技术”是其中最具代表性的能力之一。发酵技术涉及生活的各个方面，包括食品、药品、疫苗、保健品，也包括化妆品。发酵技术的发展有自身的特点，传统发酵不断汲取新的技术和工艺而快速迭代，微生物学、合成生物学以及生物信息学的兴起在不同阶段极大地促进了发酵技术的飞速发展，近几年快速兴起的人工智能与其他学科交叉协同更是直接开启了第五代发酵技术的新篇章。代际的划分是对发酵技术特征的归纳总结，方便从业人员快速理解不同技术及相关产品的特征特点，进而从不同维度助力发酵原料的开发和产业进步。发酵工程是个高度复杂的系统性工程，是需要交叉学科融合发展的典范。发酵技术与微生态组学、合成生物学、计算生物学及人工智能相结合既是科技发展的必然，也是产业发展的要求，更是化妆品行业人不懈努力的结果。发酵技术在护肤品行业中的应用与展望2023版 第5代发酵技术马彦云1，赵心清2，刘 玮3，张婉萍4，黄 焱5，吴志刚6（1.复旦大学 六次产业研究院，上海 200433；2.上海交通大学 微生物代谢国家重点实验室，上海 200240；3.空军特色医学中心 皮肤科，北京 100142；4.上海应用技术大学，上海 201418；5.基础颜究，上海 200433；6.上海拜卓品牌管理有限公司，上海 200431）摘 要：介绍了发酵的发展历程，综述了以护肤品行业为例，随着更多学科的引入和新兴技术的应用，发酵在不同时期下所呈现出的不同目的、阶段特点、所使用的技术以及代表性发酵产物，提出发酵可分为5个阶段：传统发酵阶段、工程化发展阶段、微生物学应用阶段、合成生物学阶段和智能发酵阶段，同时重点介绍了第5代发酵技术的特点、优势和产物功效，以极地酵母喜默因为例，阐述了第5代发酵技术通过化学及生物信息学的手段，从“成分-靶点-机制-功效”的角度阐明喜默因多靶点抗老的功效机理。关键词：发酵技术；第5代发酵护肤；智能发酵；多靶点抗老中图分类号：TQ658 文献标识码：A 文章编号：1006-7264(2023)10-071-12DOI：10.3969/j.issn.1006-7264.2023.10.014Company corner公司专栏72Vol.46 No.10 Oct.2023这份研究报告系统归纳了发酵技术在化妆品行业发展中的贡献，及不同时期的技术特征，详细阐述了第5代发酵技术的特征和应用实践，专业度高，阅读性强。当然，该报告也存在尚待完善的地方，比如技术的代际划分可以建立对应的技术标准，甚至对下一代技术建立相应标准。瑕不掩瑜，相信本报告的发布不仅会对科技创新型原料的开发带来更多技术内涵，也能够助力本土化妆品行业的科技迭代，从原创科技提升美妆产品对广大人民群众的服务质量，助力健康中国的建设！1发酵技术和护肤品行业发酵是人类最早掌握的“技术”之一，有的学者甚至认为人们对微生物的利用甚至早于用火1。时代发展，人们对于发酵技术的运用越来越深入广泛，发酵优化与放大技术已经成为未来绿色生物制造的关键一环。从早期先民们利用醋和酸奶进行清洁，到Pitera和Miracle Broth这样的混合物发酵液的使用，到利用微生物对于植物提取物深加工，以及近期将计算机技术、人工智能技术和信息学技术应用到护肤品的“发酵来源原料”的设计和生产，护肤品和发酵行业在相互影响、相互作用的过程中，都发生了很大变化。对发酵的深度理解能够促进护肤品行业的快速发展，实现化妆品原料，尤其是活性物原料的升级换代和自主化。而护肤品行业对于消费者需求的挖掘，能够促进发酵技术的领域拓展，形成发酵技术的下游市场，促成发酵工程的技术进步。1.1发酵开启了 人类文明人类在自然中偶然发现了“发酵”，它“可能起源于一个偶然的时机，一次事故，一件蠢事，或者一次遗忘”。先民们观察到有些动物将猎物埋到土中以备以后食用，被遗忘在羊皮袋中的牛奶变成了“酸奶”，成熟的果子掉落在树洞后形成的液体能让前来寻找水源的动物“喝醉”人们开始意识到这种现象带来的变化“发酵”。当人类开始习得“发酵”行为，人类文明就此缓缓开启。大约190万年前，直立人臼齿的尺寸明显变小2。这可能是当时原始人找到了一种方法，能让食物变软使其更易消化，从而减少了咀嚼时间。此前考古学家认为这种变化和火的使用有关，但最近一些研究者则倾向于认为，臼齿变小的趋势可能早于火的使用（50万年前），这种软化食物的方法就是发酵。发酵技术的产生和进步让人类得以定居到更大范围，农业社会由此起步。人类对发酵的使用，比火还要早：臼齿变小的趋势可能早于火的使用，大约50万年前就已经开始。这种更早被发现使食物变软的方法就是发酵。人类进行的首次驯化，是对微生物的驯化，比驯化狗、马和奶牛都要靠前：首先有了野生哺乳动物的奶制品被发酵，酸奶、奶酪等发酵奶制品推动了人类驯化动物的意愿。人类对面包和啤酒的渴望推动了农业的产生：人类以野生植物为原料生产的发酵食品影响了人类驯化这些植物的意愿，如用野生葡萄酿酒先于葡萄种植，正是这种渴望推动了农业的产生。1.2发酵技术广泛应用于各行各业发酵来源于拉丁语 fermentare，意思是“在酵母的帮助下进行转化”。发酵是一个生物化学过程。在此过程中，某些有机化合物在一些作为催化剂的，来自于各种微生物的，特定酶的作用下释放能量，产生各种营养物质3。随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵食品，发酵工程逐步形成，并广泛应用于各行各业。食品工业：食品行业是发酵技术最早得到运用的领域4。发酵使食品的产量和质量提高、改善食品口味、简化食品生产过程、延长食品存储期。传统的发酵食品如酸奶、酱油、醋、酒类；食品添加剂如柠檬酸、谷氨酸；酶制剂如-淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶等。医药工业：青霉素的发现和产业化推动了发酵工程在医药领域的应用和发展，之后，基因工程、蛋白质工程等学科的引入，使得因原料受限无法推广使用的药物，得到了大量生产和使用。此外，科学家利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物可作为疫苗使用5，如青霉素、抗生素、氨基酸、免疫调节剂等。农牧业：从自然界选育出优良菌株，再通过发酵工程大规模发酵生产制成的活菌或其代谢物产品等正应用于现代农牧业的很多方面。用以改良土壤结构，促进植株生长、防治病虫害等6，如肥料、农药、饲料等。环保行业：处理环境污染物，利用胞内的酶催化转化污染物分子，使其成为无害物质或者有益物质。例如利用微生物将农产品加工废水中的糖分转化为乳酸，将发酵工业Company corner公司专栏73第46卷2023年第10期废水中残余的葡萄糖或其他有机物质转化为沼气（甲烷+氢气），用饲养业的废弃物或生活垃圾经微生物发酵制取沼气等7，如乙醇、丁醇、氢气等。化妆品行业：发酵食品用以美容护肤的尝试在很早就已经出现，随着发酵技术在化妆品领域的应用深入，越来越多利用发酵技术得到的成分得以推广运用，如以利用植物原料作为底物进行发酵，通过酶的作用对一些原料中的组分进行降解，植物原料中活性成分功能就能实现得更彻底，原料利用率更高，再比如结合基因技术做出来的原料重组胶原蛋白等，极大改善了部分原料的量产问题，如胶原蛋白、透明质酸、依克多因、麦角硫因、中草药发酵产物等。1.3发酵产物帮助皮肤“与时间对抗”发酵技术让食物更好消化，人类的臼齿开始变小，脑容量开始增加。因为发酵不但能够让食物更好消化，也让食物可以长期保存，提升了人类的生存能力，让人类更多地从事食物收集之外活动成为可能。因此，对于人类文明来说，“发酵”早于“火的使用”，其推动作用也可以跟“火的使用”等量齐观。当有了发酵食物后，人们逐渐发现它的更多功效，比如将发酵食物用于美容护肤：古埃及的妇女们用啤酒泡沫来护肤，以保持皮肤的光滑滑嫩8。阿尔萨斯地区以啤酒酵母治疗粉刺，啤酒还能美发，很多现代的化妆品牌都有啤酒香波这一品种。在蒙古地区，在牙刷岀现之前，这里的人用一种叫作arrhuul的硬奶酪来擦洗牙龈1。随着发酵技术在护肤领域的不断发展，发酵类护肤品开发了更细分更科技化的美肤功能9,10。发酵在护肤领域的意义，就像找到了“与时间对抗”的一把钥匙。1.4发酵技术在护肤品行业的优势随着现代化妆品行业的发展，发酵技术也逐渐在其中找到了其应用场景。发酵技术在护肤品行业的应用具有诸多优势，如富集功效物质；产生新功效；降低有害物质；能耗低、污染小；降低生产成本等11。温和少刺激：天然植物、中草药等是发酵原料中的一大组成部分，因而发酵类护肤品也被消费者认为更符合“妆食同源”的趋势；同时发酵过程中可分解致敏物质，降低植物提取物的毒性；另一方面，尤其是混合类发酵产物，通过多种活性物的协同作用，在调节皮肤微生态、平衡表皮pH值、缓解炎症、调理皮肤状态方面也有益处。降低成本：发酵原料种类繁多，对固定原料的依赖度降低，通过发酵技术可以让部分因原料受限无法量产的成分得以量产，降低生产成本。如采用发酵技术代替传统化学合成获得单体活性成分，比如90年代德国BITOP公司生产的ectoin12；“工程生物学”引入后，微生物学家们对工程菌进行基因改造，大量生产透明质酸、重组胶原蛋白、麦角硫因等，提高了纯度和功效，同时大大降低了生产成本。开发创新原料：发酵不仅仅让单一成分得到了量产，发酵的菌株选择和代谢控制，为化妆品行业开发出大量的创新原料。如SK-II品牌的Pitera、Lamer品牌的Miracle Broth、伽蓝集团的喜默因。增强功效：通过对植物提取物进行发酵，富集营养物质，增加纯度，从而带来更好的功效。比如“积雪草发酵液”这样的原料组。另一方面，随着人工智能、计算信息学、生物信息学在发酵工程中的跨领域运用，大大优化了发酵前期的菌种筛选、发酵过程的优化放大和发酵产物与护肤功效之间的精准匹配，从而获得更好的皮肤护理效果。2发酵技术的不同发展阶段发酵技术一直向着“效果更好，成本更低”的目标在不断改进，随着发酵技术的持续进步，发酵工程得以广泛应用于各行各业。在护肤品行业，发酵技术推动了化妆品原料的开发和使用。在降低成本的同时，各学科的融入，新工具的使用，让化妆品功效得以更显著更精准。从最初的发酵食品被用于美容护肤，到SK-II品牌的Pitera和LAMER品牌的Miracle Broth菌株等混合物发酵液的出现，再到透明质酸、重组胶原蛋白等成分的量产，近几年，以伽蓝集团“极地酵母”喜默因为代表的第5代发酵产物出现，标志着发酵技术在护肤品领域应用层面开始呈现更高的可靠性和更大的发挥空间。2.1发酵的 5 个代纪2.1.1 第1代传统发酵阶段 发酵（fermentation）一词的英文词根是fervere（发泡），发酵伴随着热量产生和泡沫翻涌，这一现象是早期判断发酵进程的标志。我国古代的发酵技术可以追溯到4 000年前，曲、酱、酒、醋和腌菜，很早以前就出现在了中国13。早在周朝（公元前11世纪-3世纪），周礼 天官就有记载：“醢人掌四豆之实，又酱用有百二十瓮。”其中的“醢人”就是掌管醋、酱的官员。在长沙马王堆西汉墓中，考Company corner公司专栏74Vol.46 No.10 Oct.2023古学家发现公元前2世纪的豆豉，汉代刘熙释名 释饮食中说豆豉“五味调和，须之而成”。公元5世纪，北魏有“干豆腐加盐成熟后为腐乳”的记载。本草纲目拾遗中有“豆腐又名菽乳，以豆腐腌过酒糟或酱制”。除了发酵食品和调味品，酒类饮料的发酵也有悠久历史。以酿酒技术为例，酒类发酵技术也同样源远流长，黄酒是人类最古老的酒类之一，源于中国绍兴。早在9 000年前，贾湖遗址就发现了人类酿酒的证据14。约在3 000年前的商周时期，中国人独创了酒曲复式发酵法。虽然发酵历史悠久，但是一直到19世纪中期前，人们一直采用“原始发酵”的方法，而该方式有诸多局限之处。首先，生产者多出自家庭作坊，工艺知识不能得到有效共享；其次，菌株选取也很随意，不具有定向性，也未经纯化，这就导致生产技术进步慢、效率低下，批次之间质量不可控，容易出现安全问题，也限制了发酵技术的更广泛应用。在这一阶段：发酵产物：食品（酒、酱油、醋、奶酪）；发酵目的：让食物变软，更易咀嚼、更好保存、提升风味；采用的技术：食物粗加工+酵母+自然发酵；阶段特点：成功率低、发酵时间长、产量较少。传统奶酪于公元前10 000年诞生于亚洲的游牧民族中15，这种发酵是自发产生，不需要添加酶来使奶凝结。奶通过空气中的细菌自然发酵，人们也可以用前一次剩下的奶酪来给下一次的牛奶接种，这个过程几乎能一直持续下去。第1种特意生产的发酵饮料很有可能是蜜酒。旧石器时代人们就已经开始饮用蜜酒，而且蜜酒是最容易制作的发酵饮料。将70%的水和30%的蜂蜜混合，几天之后就会产生一种低酒精饮料16。葡萄酒：将葡萄存储在陶器中，一段时间后，附着在葡萄皮上的酵母开始发酵，产生酒精，最后酿成葡萄酒。啤酒：把干燥的大麦麦芽磨成粉，烤成面包后再把面包弄碎、加水，自然发酵后得到啤酒。醋：把蒸熟的米、曲和水放进坛子里发酵，把坛子放到日照充足的地方。增殖的米曲霉产生的酶会促进米的糖化，在酵母的帮助下，产生酒精，最后加入醋酸菌发挥作用，坛中的液体就变成了醋酸。2.1.2 工程化发展阶段19世纪中期之后，是发酵的“化学工程”阶段。发酵设备和工艺逐步标准化、复杂化，但仍采用偶然发现的天然菌株。下层发酵法和纯种培养法的发明，让发酵效率逐步提升。工程学的发酵方式迅速降低了啤酒、清酒、醋、酱等消费品的成本。20世纪初，梭状芽胞杆菌发酵法生产的甘油、丙酮和丁醇成为当时化学工业的重要组成部分17。第2次世界大战期间，青霉素的需求量大大增加，为了实现这一目的，化学工程师们设计了带有通气和搅拌能力的发酵设备，研究出大量培养基和生产设备的灭菌方法，开发了无菌空气的制备方法，这些技术让发酵效率突飞猛进18。近代发酵技术是发酵的工程化，把原本家庭作坊式的生产方式用化学工程的方法进行改造，液体深层发酵法和深层通气法在设备和工艺上实现了改进，让发酵的规模实现了飞跃。不仅如此，工程师们还利用分离纯化菌株和代谢控制的方法实现了生产效率的进一步提高（上海交通大学微生物代谢国家重点实验室，Biotechnology Advances期刊编委赵心清教授）。1842年之前，发酵工艺非常原始，啤酒厂主要集中于汉堡港附近，采用的都是“上层发酵法”，也就是酵母集中在容器的上层，酒体浑浊颜色暗淡。为了解决这个问题，波西米亚的皮尔森城（今捷克境内）的酒厂联合研发，借鉴了巴伐利亚地区的“窖藏法”，利用酒窖的低温来延缓发酵速度，使用下层发酵酵母，酵母可以逐步沉降到桶底，这使得工程师可以采用过滤方法获得澄清、品质稳定的啤酒，开启“工程化发酵”的先河19。15年后，法国微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的，从而将酵母菌与发酵联系起来20。1897年，科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用，逐渐了解了发酵的本质21。之后的30多年间，微生物的分离和纯化技术得到了应用，发酵生产的工艺和设备不断完善，作坊式的手工生产向近代工业化生产方向发展。为了迎合大量消费，发酵在食品加工、制药、保健品等行业中逐步发展起来，发酵粉、面包、奶酪、酱油等食物以及青霉素、链霉素、金霉素和土霉素等抗生素、酶制剂、多糖、维生素等保健品相关的发酵工业相继兴起。制药工程和食品工程推动发酵迅速发展，极大地改善了人们的生产生活条件。但该阶段的技术也伴随风险：过于强调工业化思路，可能让发酵食品失去自然风味。在这一阶段：发酵产物：食品、药品、保健品等；发酵目的：实现大规模生产；采用的技术：无菌技术+酵母纯培养技术+通气搅拌深层培养技术；阶段特点：成功率更高、产量增大、稳定性更强。面包：工业生产的面包使用的是化学酵母和添加剂，并Company corner公司专栏75第46卷2023年第10期通过加速揉捏的技术，让面包能更白、更蓬松、更快做好。同时，为了掩盖快速发酵的缺陷，面包中常加入食品添加剂。酱油：工业制造的低等酱油借助盐酸通过水解作用从大豆、米粒或小麦的蛋白质中提取氨基酸。得到的溶液需经过碳酸钠的中和，然后过滤，再加入谷氨酸单钠、焦糖色素、葡萄精浆，加入淀粉使之变黏稠。高等级的酱油工艺依然采用酿造工艺，只是在投放市场前要进行巴氏灭菌，以保证其稳定性，但其余酵母因此被灭活。啤酒：1883年，汉森在丹麦啤酒研究所分离出了单个酵母细胞，并且基于这个发现创立了啤酒酵母纯培养法，在啤酒行业实现了大规模工业化生产。无菌操作和酵母纯培养技术，保证了发酵过程中的质量控制，大大提升了啤酒的品质。青霉素：第2次世界大战期间，为了更大规模地量产青霉素，科学家研制出了带有同期和搅拌装置的发酵罐，同时解决了大量培养基和生产设备的灭菌和无菌空气的制备问题。之后，深层通气搅拌发酵技术的建立，标志着好氧菌发酵生产也走上了大规模产业化道路。2.1.3 第3代微生物学应用阶段 20世纪中期之后，发酵进入“微生物学”阶段。微生物学快速发展，并且被应用于发酵工程。通过对发酵进行菌株选择和代谢控制，化妆品行业内开发出了大量的新原料。自1970年代开始，科学家将微生物学引入了发酵工程之中，通过菌种筛选方法获得更优质的发酵菌株，并以代谢调控手段来控制菌种的代谢路径，提高产品的产率22。化妆品行业的发酵相关原料，来源有3种：第1种是利用微生物获得单体活性成分，比如Ectoin；第2种是混合物发酵液的利用，比如Pitera；第3种则是对植物提取物进行微生物发酵，深度开发。这3种来源的原料，尤其是第2种和第3种，都需要谨慎地进行安全性评估，同时对其护肤功效加强监测。有计划有步骤地利用发酵方法来获得化妆品原料，对于国家的科技创新和原料自主化都很有意义（空军特色医学中心皮肤科刘玮教授）。这一时期出现的典型混合物发酵液有SK-II品牌的Pitera（后被宝洁公司收购），其关键菌株来自于日本琵琶湖畔的清酒厂，LAMER品牌的Miracle Broth（后被雅诗兰黛公司收购）的菌株则被品牌方严格保密。护肤品原料公司方面，德国CLR实验室生产的“二裂酵母发酵产物溶胞物”，广泛应用于雅诗兰黛、欧莱雅、珀莱雅等公司产品。在该阶段，化妆品行业中还出现了2类技术，第1类是采用发酵技术代替传统化学合成获得单体活性成分的方法，比如20世纪90年代德国BITOP公司生产的Ectoin；第2类是对植物提取物进行发酵，富集营养物质，降低植物提取物的毒性，比如“积雪草发酵液”这样的原料组合。值得关注的是，从这一阶段开始，发酵产物广泛应用于护肤品行业，并且不限于生产某一种化合物。更多的护肤品发酵原料是混合物状态。它们能影响皮肤表层微生态，形成有差异化的皮肤微环境，进而调整皮肤状态。护肤品行业中，“二裂酵母发酵产物溶胞物”（长双歧杆菌发酵液溶胞物）、SK-II神仙水的成分Pitera以及LAMER海蓝之谜的Miracle Broth都是混合物。20世纪80年代前，由于这些发酵来源原料内在的复杂性，研究人员对于原料与皮肤的相互作用机制尚不明确，这限制了这些原料的进一步优化。在这一阶段：发酵产物：护肤品发酵来源原料（混合物）；发酵目的：激发活性成分功能、提高原料利用率；采用的技术：菌种筛选、代谢控制；阶段特点：起效机制不明确。LAMER海蓝之谜的神奇活性精萃Miracle Broth：LAMER海蓝之谜面霜的关键成分是神奇活性精萃Miracle Broth，最主要的成分是名为Macrocystis pyrifea的海藻。在官方宣称中，该海藻通过“诞生于品牌经久传承的发酵工艺，在模拟深海环境的 声呐和特定频率的光线中，历经34个月严谨漫长的发酵工艺，激发深海巨藻中的成分活性”。同时，Lamer品牌也强调混合带来的协同作用，“神奇活性精萃不仅是深海巨藻的发酵萃取成果，更是与多种维生素、矿物质和其他纯净成分混合发酵，萃取远超出单个成分功效的奇迹成分，能够强韧肌肤屏障、舒缓肌肤和为细胞充氧”23。SK-II神仙水的传奇成分Pitera：神仙水配料表是Pitera加保湿剂和抑菌剂，指通过对一种特殊的酵母进行专门发酵过程后获得的半乳糖酵母样菌发酵产物滤液。据公开资料，其专利申请人Kashiwayama Shinei柏山正義表示，Pitera在当时被用作皮肤药物，其成分是少量的氨基酸、糖、脂肪24。在当时，柏山正義无法通过数据表明Pitera的药用功效与成分含量的直接关联性。如今SK-II通过消费者对消费者的使用效果进行测试表明，“Pitera同时作用于肌肤的自身保湿/屏障/更新修护功能，使多种功能得以提升”25。Company corner公司专栏76Vol.46 No.10 Oct.2023于Pitera、Miracle Broth和“二裂酵母菌发酵液溶胞物”）。为了提高混合物发酵液批次之间稳定性，获得更好的皮肤护理效果29，科学家们利用高通量实验和人工智能，通过现代化工设备的自动控制仪器仪表对生产过程进行调整。更重要的是，利用生物信息学和3D皮肤模型这样的时代新工具，护肤品行业可以对混合物发酵液与皮肤的相互作用进行更深入的研究，为混合物发酵液的发酵过程设定更精确的目标参数。伽蓝集团的喜默因就是在这样的交叉技术背景下诞生的新一代混合物发酵液原料。化妆品行业中使用到的发酵相关原料，从最开始的单体活性成分，逐步发展到多聚物比如透明质酸，以及混合物发酵液比如Pitera。未来，生物信息学和体外的3D皮肤模型这样的工具的使用，这些研究方法和工具的使用，能够让混合物发酵液作为化妆品原料有更大的准确性和发挥空间，这种跨学科的结合对于化妆品行业中的发酵技术应用来说，具有划时代的意义（上海应用技术大学国际化妆品学院执行院长张婉萍教授）。在这一阶段：发酵产物：护肤品发酵来源原料（混合物）；发酵目的：更清晰、更有目的、更高效地提升发酵物潜力；采取技术：装备技术（传感技术、平行生物反应器技术）、发酵过程网络化数据采集及数据可视化技术、智能化技术（知识图谱技术、数字孪生模型技术）、代谢组学分析和生物信息学技术（高分辨质谱技术、生物信息学大数据技术）；阶段特点：作用机制更清晰、产物利用更高效。需要特别指出的是，发酵的各个代际技术之间并不存在对立或替换关系。新一代技术出现之后，已有的技术仍然在持续发展，并且在新一代技术的视角下，继续为发酵工程的效率提升、为工业经济的增速、为人民生活水平更上一个新台阶提供支持。举例来说，在第5代发酵技术（智能发酵）出现之后，合成生物学仍然在高速发展，为护肤品行业的科学家们在新的发酵来源原料开发中提供新的工具。3第5代发酵技术及代表案例如前文所述，发酵技术的演变是不断追求“效果更好，成本更低”的过程，第5代发酵技术通过多学科的引入、发酵装备技术的开发、大数据和人工智能技术的应用，进一步推动了工业化效率和产物功效的提升。2.1.4 第4代合成生物学阶段 20世纪末，研究人员公布了酿酒酵母的基因组序列，这是全球完成该工作的第一个真核生物26。在此之后“合成生物学”逐步兴起。2008年，欧盟开始制定合成生物学发展规划。2013年，AMYRIS公司成功将基因工程应用于酵母细胞基因改造，实现青蒿素的大规模生产，“工程生物学”的生产方法逐步确立。发酵工程在医疗行业中的应用广泛，但基本上都应用在单体活性成分的生产，获得高纯度的药物分子。近些年来，以发酵工程为基础的合成生物学开始应用于化妆品行业中的原材料生产，获得更高的富集浓度和更好的护肤功效（上海人类学学会人类皮肤健康专业委员会秘书长马彦云博士）。在发酵技术的这一阶段，微生物学家们对工程菌进行基因改造，大量生产透明质酸、重组胶原蛋白、麦角硫因等，提高了纯度和功效，同时降低了生产成本。虽然该阶段承担研发任务主要是制药企业，产品主要为单一化学品，目标是降低制药成本，但技术进展仍然影响到了护肤品行业。以透明质酸为例，早期用发酵法制备的产品仍然主要用于制药行业，到工艺成熟之后，生产体量不断扩大，成本持续降低之后，该原料才在护肤品中得到广泛使用。在这一阶段：发酵产物：化妆品活性成分（单一成分化学品）；发酵目的：进一步增加生产能力，提高产率；采用的技术：重组DNA技术、高密度发酵技术、分离纯化技术；阶段特点：提高了单一化学品纯度和功效，降低了生产成本。重组胶原蛋白：2002年，巨子生物利用合成生物学技术，将类人胶原蛋白基因重组于大肠杆菌内，经过细胞工厂的高密度发酵及蛋白质的分离纯化，得到重组胶原蛋白27。透明质酸：2000年，华熙生物利用链球菌发酵法量产透明质酸，并持续开展研究，如通过野生菌种诱变和高通量筛选，运用多尺度过程优化技术对透明质酸发酵进行定向代谢调控，促进透明质酸酶系合成，提高透明质酸发酵产率，减少杂质代谢物产生28。2.1.5 第5代智能发酵阶段2015年以后，尤其是近5年来，发酵工程在化妆品行业呈现了新的趋势。当越来越多新工具（比如人工智能、计算信息学、生物信息学）被引入发酵工程，“智能发酵”这一概念开始兴起，并且这一领域正在变成一个跨学科研究的热点。护肤品行业的研究人员重新关注混合物发酵液这个类别（类似Company corner公司专栏77第46卷2023年第10期以发酵技术在护肤品领域的应用为例，消费者追求更有效、更安全的护肤效果，而第5代发酵技术在护肤品领域的应用正帮助消费者更好实现这样的需求。以喜默因为例，该活性物的设计过程，是从皮肤衰老的内在机制出发，通过衰老相关靶点研究，结合不同菌株和代谢过程的发酵产物定性定量分析，确定菌种和发酵工艺，实现生产的一致性和功效的稳定性，为消费者带来机理明确、功效卓越的抗老体验。3.1第 5 代发酵技术特点3.1.1 多学科引入，提升菌种构造、验证及工业化效率发酵工程是一门多学科交叉的工程性学科，涉及微生物学、过程工程、系统工程等。近年来随着合成生物技术的发展，高通量、自动化实验室基础设施的广泛建设，以及以海量数据分析为背景的数据科学、人工智能技术的开发，都让发酵工程技术得到了很大进步。发酵技术在菌种构造、菌种验证、菌种工业化等方面呈现出更高效率，这一过程也推动了“第5代发酵技术”的成型30。3.1.2 发酵装备技术的发展，推动发酵优化技术的进步合成生物学的发展催生了一系列高通量筛选装备及其自动化的相关技术，除了在反应器培养过程自动化装备技术方面，发酵过程自动化还包括自动化配料装置、自动取样分析装置等的开发，传感技术、高通量平行反应器及发酵过程自动化装备技术的飞速发展，正推动发酵过程朝向生物制造的大数据时代发展。借助人工智能技术，利用微型反应器集群形成的海量发酵过程数据，结合实验设计理论，可更高效地实现发酵菌种验证、发酵工艺开发等工作，大幅缩短合成生物学创新菌种从实验室走向工业化的时间30。高通量自动化筛选技术：合成生物技术飞速发展，使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升。近 10 年来合成生物学发展推动菌株构建及高通量自动化筛选技术取得显著发展，使得高性能菌株得以更快获取。随之发展起来的微流控技术在解决高通量、自动化培养方面取得了一定进展，尤其是在高性能菌种的高通量筛选方面发挥了重要作用。传感技术：传感技术是发酵过程优化中必不可少的一项关键技术。经过多年的发展和实践，发酵优化领域中多种先进传感技术得以应用，其中影响最大、效果最明显的是发酵尾气分析技术。包括早期的发酵尾气分析仪，和近些年发展的在线尾气质谱技术。近年发展起来的以红外为代表的在线光谱检测技术在发酵优化中也获得足够重视。除此之外，近年来发展起来的胞内代谢物实时荧光检测技术也日趋发展成熟。高通量平行反应器装备：能再现工业规模反应器内环境的微型化平行反应器装备是实现发酵实验通量提高的关键。生物反应器特别是用于工艺开发与工艺优化阶段的生物反应器，正在朝着微型化、自动化、集群化的方向发展。借助人工智能技术，利用微型反应器集群形成的海量发酵过程数据，结合实验设计理论，可大幅缩短合成生物学创新菌种从实验室走向工业化的时间。3.1.3 网络化数据采集及数据可视化技术，推动发酵过程自动化与智能化智能工厂将是构成未来工业体系的一个关键所在。智能工厂是在数字化工厂（利用现代数字制造技术和计算机仿真技术对整个生产过程进行仿真、评估和优化）的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理化计划排程。同时，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化智能工厂，其本质是机器与机器的对话、人与机器的交互和人与人的沟通。中控室就是智能工厂当中人机交互的核心区域，智能工厂每日产生的巨量数据汇集到中控室，其承载多种输入输出及控制设备，是作为人机交互的主要平台。智能工厂以ERP为核心，整合衔接PLM，SCM，CRM，MES等系统并实现交互，可以通过先进的中控室对整个生产流程进行监控、数据采集，进行数据分析，从而形成高度灵活、个性化、网络化，或者更进一步以企业运营决策中心的形式，汇集、反馈、协调、运行一个或多个智能工厂方方面面的运营业务数据流。3.1.4 人工智能技术的应用，为发酵技术提供智能决策辅助基于第一性原理的过程模型结合基于数据的无参数模型构成的混合模型，及在此基础上建立的数字孪生系统，为建立各种发酵过程控制条件与所关心的状态质量属性（critical quality attribute，CQA）之间的定量关系提供了路径。知识图谱技术可以将专家经验以有向图的方式进行存储，并建立一套基于知识图谱的逻辑推理算法。知识图谱技术与数字孪生技术两者结合，即充分利用数字孪生对发酵过程的定量描述又引入包含专家经验的知识图谱，从而增强系统对发酵过程优化辅助决策的准确性30。Company corner公司专栏78Vol.46 No.10 Oct.20233.1.5 生物信息学的引入，重新定义工艺流程生物信息学为原料的筛选和应用提供科学依据和理论基础。生物信息学是运用高效的数理统计学手段和计算机信息学手段对于得到的生物信息、生物数据资源进行处理，系统地解释生物界演化的从微观分子水平到宏观形体功能水平的原则，得到更加完整的生物学规律与结论31。组学技术是系统生物学的研究方法，是生物信息学的技术之一。比如组学中的基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等。再如网络药理学，通过网络构建，关键节点分析等一系列手段直观的反应功效与作用机理，为原料的筛选和应用提供科学依据和理论基础31。3.1.6 生物信息学在制药行业的应用案例江阴天江药业补肺健脾颗粒慢性阻塞性肺病（COPD）是一个严重的公共卫生挑战，因高发病率和死亡率而成为全球慢性病的主要死亡原因32。根据全球慢性阻塞性肺疾病倡议（GOLD）的2020年版治疗说明，推荐吸入糖皮质激素和长效抗霉菌药物作为长效支气管扩张的主要治疗方法33。然而，目前药物治疗的目标只能减轻症状，减少加重的频率和严重程度。随着慢性阻塞性肺病引起的恶化，累积的肺病理改变深刻影响呼吸功能34。目前还没有确凿的临床试验证据表明，任何现有的治疗COPD的药物能减缓肺功能的长期下降33。传统中医（TCM）是现代医学的一个很大程度上的潜在资源，其在慢性病的治疗中发挥着重要的作用，生物信息学应用能进一步给传统中医赋能，比如被证实能缓解COPD的由12种中草药组成的补肺健脾颗粒（BJG）。3.1.7 利用生物信息学分析BJG多靶向预防COPD的功效Hechen Wang等采用分子网络（MN）结合HPLC-QTOF-MS对血液中的原型化合物进行分析，并基于这些化合物的结构构建化学图谱，并采用蛋白质组学和代谢组学分析来检测BJG对烟雾暴露引起的大鼠COPD的调节作用。将这些数据与生物信息学分析结果相结合，用于识别潜在的靶点或途径。通过验证EGFR、ERK1、PAI-1和p53靶点，确定关键的粗磷酸、黄酮、哌米宁和黄芪甲苷A为BJG中的核心功效成分，并从延缓气道重塑、祛痰、诱导溶栓、改善线粒体功能的4种方向进行验证，结果表明，BJG中有效的化合物通过减缓气道重塑过程、促进肺溶栓、抑制粘蛋白分泌、调节能量代谢、改善肺功能等方面来缓解COPD，从而预防COPD，由此证实BJG是一种有效的缓解早期COPD病情加重的新治疗方案35。3.2第 5 代发酵技术优势3.2.1“成分-机理-功效”机制清晰发酵技术应用于化妆品原料（混合物）的开发，早在第3代发酵阶段中就已经出现，基于当时的技术和设备，其开发逻辑是广泛筛选菌种，大规模做实验，找出特定条件下效果最好的菌种。这在当时（20世纪80年代）仍然是个费时费力的工作，因此被称为“匠心”手艺。在2015年之后出现的第5代发酵技术中，生物信息学为化妆品功效原料（混合物）的筛选和应用提供科学依据和理论基础。利用生物信息学相关技术如组学（omics），将帮助行业更好了解皮肤状态或问题发生的原因，针对性的进行功效原料开发和配方设计以及安全性评估。3.2.2 功效可优化、批次可控制第3代发酵技术在护肤品原料中的开发应用集中于20世纪八九十年代，其最终产品形式一旦优化完成就难以改动，因为其核心护肤机制并不清晰。第5代发酵技术通过贯穿“成分-机理-功效”路径，得以根据目标对发酵工艺再做调整，提高批次间的质量稳定性，并持续优化护肤功效。伽蓝的喜默因的“成分-机理-功效”机制，是具备第5代发酵技术特点的重要工艺，通过发酵工艺迭进，尝试不同条件下产品的成分差异，代谢组学差异和预期功效靶点及代谢通路，利用生物信息技术的预期作用，同样品实际多维度功效结果相验证，实现发酵工艺优化，从而最终得到功效明确全面，靶点机理清晰的最优发酵技术。3.3第 5 代发酵产物功效皮肤从外至内依次由表皮、真皮、皮下组织构成，随着皮肤衰老的进行，这3个组成部分都会发生不同程度退行性变化36，例如对于表皮而言容易出现表皮变薄，表皮自我更新能力减缓等情况，真皮容易出现成纤维细胞活性下降、胶原纤维结构破碎，结构变得粗壮而缺少弹性，从而使皮肤出现皱纹、细纹、下垂、弹性缺失、色素沉着等衰老相关的问题。而皮肤衰老一般分为内源性老化和外源性老化2类，内源性老化是指肌肤随着年龄的增长而出现的老化现象，特征是皮肤出现细皱纹和表皮变薄37。而外源性老化是指因为环境因素，例如紫外线、污染等诱导的皮肤老化，直接表现是深层皱纹、皮肤松弛和色素沉着等38。基于皮肤科学的理论，从皮肤衰老的临床表现入手，深度理解和剖析皮肤衰老Company corner公司专栏79第46卷2023年第10期的深层原因和内在机制，随后挖掘衰老相关的多种内在机制对应的靶点，针对这些靶点开发功效原料和产品才能为消费者带来机理明确、功效卓越的抗老体验。皮肤衰老的原因和内在机制繁多，仅从单一层面帮助肌肤抵抗衰老的解决方案已经无法满足消费者日益增长的抗老需求，安全、多靶点的抗老功效成分和产品逐渐成为市场的新宠儿。得益于化学信息学和生物信息学的快速发展，打破了常规功效机理研究的固有思维。基于多种数字模型工具开展