《食品科学》：哈尔滨商业大学辛嘉英教授等：聚羟基丁酸酯的益生元作用机制与发酵生产优化及其在食品中的应用

大聚羟基丁酸酯（PHB）是一种由微生物合成的线性聚酯，化学结构如图1所示，由多个3-羟基丁酸（3HB）单体通过酯键聚合而成，每个单体单元包含一个手性碳原子，具有甲基和酯基，主链中的酯基赋予PHB可水解性，侧链的甲基影响其疏水性和结晶度，具有显著的生物相容性和可降解性。PHB主要由某些细菌在碳源过剩而氮、磷受限的条件下作为能量储存物质合成，以胞内颗粒形式存在，并在营养匮乏时被降解为3HB，进入三羧酸循环供能。近年来，PHB被提出作为一种新型益生元，其功能机制在于被肠道中的特定微生物降解为短链脂肪酸，从而选择性促进有益菌群增殖，抑制病原菌，并增强宿主免疫和肠道屏障功能。酮生元是一类以酮体捐赠为核心作用机制的新型益生元，指通过向肠道微生物群提供3HB、激活肠道有益微生物群的化合物，其作用起始于向肠道菌群的酮体捐赠过程，与传统益生元的作用路径存在显著差异。该类化合物以PHB为典型代表，可在大肠内被肠道微生物分泌的PHB解聚酶缓慢水解释放3HB，同时作用于肠道微生物群原核生物与哺乳动物机体真核生物，实现持续性酮体捐赠，通过重塑肠道微生物组成、富集产丁酸菌、提升短链脂肪酸的释放量，进而激活肠道上皮中的调节性T细胞发挥抗炎作用，不仅能够维护肠道微生物群的完整性、改善肠道微环境，还可通过调节性T细胞的全身循环，缓解肥胖、2型糖尿病等全身性慢性炎症相关疾病，同时对炎症性肠病、结直肠癌等肠道疾病具有潜在的保护作用。其与生酮饮食的酮体代谢最终产物均为酮体且可作为机体能量底物，但生酮饮食需通过严格控制低碳水、高脂肪饮食诱导脂肪分解产酮，易受饮食影响且可能导致肠道菌群失衡。而PHB无需改变饮食结构，可通过解聚酶、酯酶水解释放3HB单体，进而生成酮体。在食品领域，功能性益生元的需求日益增长，传统益生元如低聚糖和菊粉，虽能调节菌群，但易被快速发酵，导致肠胃不适，而PHB的优势在于其缓释特性，可在消化道后端持续释放3HB，更稳定地调节微生物群落。此外，PHB的疏水性颗粒结构可吸附病原菌，减少其在宿主表面的定植，从而提高生长性能。在水产领域，PHB可以提升水产品食品原料的营养价值。PHB亦可应用于人体骨骼制造与生物可降解塑料生产。因此，哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室董玮琪、谢金晖、辛嘉英*等综述PHB作为一种多功能益生元，在促进健康食品开发方面展现出独特潜力。

1 PHB的益生元功能与作用机制

1.1 PHB的化学特征与益生元潜质

PHB的分子质量显著影响其生理功能和应用领域，高分子质量的PHB具有高结晶度和良好的拉伸强度及适当的弹性模量。目前，已被应用于人体骨骼制造和环保塑料生产领域中。与高分子质量PHB的材料应用不同，低分子质量PHB水溶性和细胞渗透性良好，常作为能量代谢调节剂和信号分子，具有抗炎、抗氧化及神经保护等生物学功能。Qiao Guo等将3HB加入鱼饲料中，发现其通过上调抗炎基因和下调促炎基因的表达，抑制脂多糖诱导的炎症反应，表现出显著的抗炎和抗氧化作用。细菌生产的PHB分子质量较高，经酸、碱、热及酶促降解方法可使PHB分子质量显著降低，Alejandra等采用脂肪酶降解PHB，差示扫描量热分析表明，随降解时间延长，PHB熔点升高而结晶度无明显变化，证实分子链断裂是其分子质量降低的主要原因。PHB分子链通过范德华力和偶极-偶极相互作用形成α-螺旋构象，进一步堆叠成正交晶系层状晶体结构，但在肠道环境中可被特定微生物酶降解为低聚物和3HB，该降解特性是其发挥益生元作用的重要基础。益生元是一种不易被宿主消化吸收，但能选择性地促进肠道内一种或多种有益菌的代谢和增殖，从而改善宿主健康的有机物质。PHB无法被人体消化酶分解，可完整到达大肠并作为肠道有益菌的特异性碳源与能量底物被利用，同时选择性促进有益菌增殖、抑制有害菌生长。Ma Ning等研究证实，PHB可作为约氏乳杆菌生物膜形成的支架，为其提供有利生态位，显著促进约氏乳杆菌增殖，且该菌株可介导PHB缓解肠道炎症，进一步印证PHB能被有益菌利用并发挥益生作用。PHB作为一种新型益生元的潜力主要体现在对肠道微生物的精准调控能力上。尽管PHB尚未获得各国官方机构作为食品添加剂或食品接触材料的正式审批，但大量权威研究从毒理学、动物实验、人体代谢、功能特性、食品应用场景及国际安全性评估等多维度证实其具备显著的食品应用潜力。毒理学研究证实PHB口服无急性、亚慢性及遗传毒性，生物相容性与代谢安全性优异，其降解产物3HB为人体血液与酮体代谢通路中的天然内源性成分，可被正常吸收利用且无蓄积风险。值得注意的是，3HB相关物质的食品应用正逐步获得国际监管层面的关注，2024年12月2日，欧洲食品安全局发布第PC-1220号公开咨询文件，拟授权3HB混合物，59% β-羟基丁酸（BHB）-Na、27% BHB-Mg、14% BHB-Ca为新型食品，该新型食品拟用作食品补充剂的配料，供一般成人使用，不适用于儿童、孕妇和哺乳期妇女，每日最大摄入量为6 g。据厦门技术性贸易措施信息网2024年12月4日消息，欧盟拟授权3HB混合物为新型食品。Fernández等通过大鼠模型证实PHB可作为非多糖类益生元调节肠道菌群，提升有益菌丰度，降低促炎菌群，抑制结直肠肿瘤病变，同时发挥类膳食纤维功能。在食品应用层面，Aguerri等将PHB制备抗菌包装用于三文鱼保鲜，有效控制单核细胞增生李斯特菌。舒莹将PHB加入面粉中做成面包，探究其对面粉加工品质与面包烘焙品质的影响。另外，PHB于2024年12月13日经国家卫生健康委员会正式批准为食品接触材料，纳入GB 4806.7—2023《食品接触用塑料材料及制品》清单，成为全球首个在中美欧三地均获食品接触级认证的聚羟基脂肪酸酯（PHA）材料。PHB在食品摄入场景下的直接安全性研究较少，其监管空白可能源于未提交申请，而非安全性问题本身。多项人群与临床转化研究证实，PHB进入人体后可通过肠道菌群与组织酯酶逐步降解，稳定、持续释放3HB。Suzuki等研究显示，健康人群口服PHB后，血液3HB水平在数小时内平稳上升，无剧烈峰值，并可维持有效浓度超过24 h，显著长于直接口服3HB或酮酯的4 h作用窗口。Shivva等在健康成人中开展的酮体药代动力学临床试验进一步对比表明，PHB介导的3HB释放具有时间延长、波动小、可预测的缓释特征，符合稳定、持续的动力学要求。同时，多项医疗材料临床研究显示，PHB植入人体后可在数周至数月内缓慢降解并持续释放3HB，无突释、无蓄积，与口服途径共同构成完整的人体缓释证据链。当PHB进入消化道后，表面先被肠道微生物分泌的胞外解聚酶降解，产生低分子质量的寡聚体和单体，从而创造了肠道微环境的pH值梯度，这种动态酸化过程选择性地促进双歧杆菌和乳酸菌的增殖，同时显著抑制大肠杆菌和沙门氏菌的生长。其次，PHB代谢产物的生理调节作用构成了其益生元功效的核心机制，降解物3HB能够通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的活性调节基因表达，从而在肠上皮细胞中显著增强紧密连接蛋白的表达，有效增强肠道屏障功能。此外，3HB还能通过抑制核苷酸结合寡聚结构域样受体蛋白3炎症小体激活，阻断核因子κB（NF-κB）信号轴，减少促炎细胞因子释放，从而发挥肠道抗炎作用，调控途径如图2 所示。PHB作为新型益生元，也可与传统益生元在肠道中发挥协同增效作用：首先，PHB被逐步酶解生成3HB和短链脂肪酸，降低局部pH值，为传统益生元的发酵提供酸性环境，促进双歧杆菌和乳酸菌等益生菌的增殖，抑制病原菌生长；其次，PHB降解的中间产物3HB可作为益生菌的附加碳源，与糖类益生元互补，激活不同的微生物代谢通路，增强菌群稳定性与宿主共生关系； 最后，PHB通过抑制HDAC的活性调节基因表达，增强肠上皮紧密连接蛋白表达。传统益生元通过发酵产物短链脂肪酸激活NF-κB信号通路，进而调节免疫，两者从不同调控路径出发，协同强化肠道屏障功能并降低炎症反应，这也是PHB益生元功能的重要延伸。

1.2 肠道微生物调控机制

PHB的益生元作用核心在于对肠道微生物的精准调控，而这一过程以其在肠道内的降解为起点，通过释放3HB重塑肠道微生态，进而实现对宿主肠道健康的多重改善。PHB是一种由多种微生物在胞内合成的线性聚酯，可在外源环境中被微生物解聚酶逐步水解为3HB，并在结肠部位持续释放，通过重塑肠道微生态而发挥作用。3HB是维持小肠干细胞的重要调节因子，它可以通过抑制HDAC激活Notch信号通路，调控肠道上皮细胞中干细胞的更新。将3HB注入患有炎症性肠病和结直肠癌的啮齿动物结肠腔内，可对肠道组织发挥保护作用。此外，在人体微生物群体外培养系统中加入3HB能显著促进丁酸盐的产生，从而诱导肠道环境的轻微酸化，因此PHB可用作改善肠道健康的新型益生元。

PHB对肠道微生物的调控是一个多步骤、多机制的复杂过程，从被肠道微生物酶解开始，到3HB发挥能量底物与信号分子作用，再到益生菌通过竞争排斥抑制病原菌，各环节相互衔接、层层递进。当PHB进入大肠后，首先被由肠道微生物群编码的胞外PHB解聚酶酶促切割，PHB解聚酶通常属于酯酶或脂肪酶，具有典型的α-β水解酶折叠结构，活性中心依赖丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸催化三联体，通过共价酰基-酶中间体机制完成水解。在分子水平上，该酶首先识别PHB颗粒表面的疏水结构域，并通过其碳水化合物结合模块锚定，随后催化丝氨酸亲核攻击酯键羰基碳，形成四面体过渡态，进而酯键断裂，形成3HB单体和寡聚体。PHB解聚酶最适pH值为4.0～7.0，与结肠腔pH值吻合，且活性受Cu 2+ 激活、受Zn 2+ 抑制，说明饮食离子的组成可以调节PHB的降解速率。其次，生成的3HB作为能量底物，可通过两条互补途径促进益生菌的增殖与代谢。第1条途径是3HB直接激活丁酸激酶代谢途径，当3HB进入细胞后，在3-羟基丁酸脱氢酶的作用下氧化为乙酰乙酸，随后经乙酰乙酰辅酶A合成酶合成乙酰乙酰辅酶A，再通过硫解酶裂解为两分子乙酰辅酶A，进入三羧酸循环并产生大量还原型辅酶I和能量，从而加速生长。第2条途径是3HB作为信号分子提升乙酰辅酶A转移酶的表达，促进丁酸合成。丁酸不仅是结肠上皮细胞的能量底物，还能通过抑制HDAC增强紧密连接蛋白表达，降低肠道通透性。Yan Xu等将3HB直接灌胃小鼠，结果显示结肠丁酸升高3.1 倍，同时伴有丁酸产生菌的显著富集，持续促进了益生菌的生长，从最初占所有微生物组的2%增加到31%以上。最后，益生菌的扩张通过多种竞争性排斥机制，抑制潜在病原菌的定植。一方面，丁酸产生菌通过大量消耗腔道内残余氧与硝酸盐，将氧化还原电位降至-180 mV以下，营造严格厌氧环境，直接抑制需氧菌的生长。另一方面，3HB及丁酸可降低病原菌群体感应相关基因表达，阻断三型分泌系统装配，降低侵袭力。此外，丁酸可诱导结肠上皮细胞分泌抗菌肽，形成化学屏障，且PHB降解过程中局部pH值降低也可抑制肠道内艰难梭菌过度繁殖导致的艰难梭菌感染。Fernández等发现，PHB可以通过调节肠道菌群显著抑制肠道肿瘤生长，同时增加肠道环境、血浆及大脑中的短链脂肪酸含量，包括乙酸、丙酸、丁酸，并促进产丁酸菌群，梭菌属、真杆菌属、罗斯氏菌属的增殖，这些细菌通过产生丁酸及其他短链脂肪酸改善肠道微环境，从而发挥对结直肠癌的保护作用。因此，PHB在肠道内被PHB解聚酶降解为3HB后，一方面通过促进丁酸产生菌的增殖与代谢，强化肠道屏障和免疫系统，另一方面通过营造厌氧环境、干扰群体感应及诱导抗菌肽，竞争性排斥病原菌定植，从而改善宿主肠道健康，为PHB作为一种新型益生元提供理论依据。

除了对肠道微生物的直接调控，PHB作为新型“酮生元”，其通过捐赠3HB激活有益菌群的机制，还能实现对宿主全身代谢与多器官健康的调节，这也是其益生元功能的重要拓展。Satoh报道了PHB作为新型“酮生元”，通过向肠道微生物群捐赠3HB激活有益菌群，区别于传统益生元依赖碳水化合物发酵的机制，且能实现3HB在肠道内的持续释放，进而发挥对人体的多方面作用。PHB无法被人体小肠消化酶水解，需到达大肠后，由肠道内好氧革兰氏阴性杆菌、厌氧革兰氏阳性杆菌及球菌等分泌的膜结合型胞外PHB解聚酶缓慢水解酯键，逐步释放3HB，3HB浓度数小时内缓慢升高且能维持24 h，为肠道持久提供酮体。这种持续释放的3HB首先作用于肠道菌群，显著优化菌群结构，提升厚壁菌门比例，增加产丁酸盐菌属，如罗斯氏菌属、梭状芽孢杆菌属、瘤胃梭菌属的丰度，抑制变形菌门等有害菌生长，抑制产气荚膜梭菌，促进短链脂肪酸释放，改善肠道理化环境。3HB通过激活ATP敏感性钾通道及调节线粒体代谢抑制结肠癌细胞生长，短链脂肪酸降低肠道致癌物质活性，降低结直肠癌风险。在全身代谢调节上，3HB通过G蛋白偶联受体43调节脂质代谢减少脂肪堆积，菌群改善增强胰岛素敏感性，辅助调控血糖水平，且产丁酸菌丰度提升可延缓人体细胞衰老、降低肥胖和痴呆等老年性相关疾病风险。此外，3HB能跨越血脑屏障，为大脑提供替代能量底物，抑制神经炎症，改善慢性脑低灌注引起的认知障碍，保护大脑功能。

1.3 免疫调节与健康效应

PHB可激活调节性T细胞，调节性T细胞在免疫系统中发挥关键的免疫抑制作用，能够维持免疫稳态、防止过度免疫反应和自身免疫性疾病的发生。当PHB在肠道内被微生物降解，释放出的代谢产物短链脂肪酸能作用于肠道免疫系统中的相关细胞，刺激调节性T细胞的分化和增殖，被激活的调节性T细胞可通过分泌抑制性细胞因子IL-10和TGF-β，抑制效应T细胞的活性，减少炎症因子释放，从而减轻炎症反应。在葡聚糖硫酸钠诱导的炎症性肠病小鼠模型中，发现给予小鼠PHB饮食能够显著抑制小鼠体质量下降和组织学损伤，这表明PHB能够调节肠道菌群，增加调节性T细胞数量，抑制炎症因子TNF-α和IL-6的产生，减轻肠道炎症反应，同时，PHB可促进约氏乳杆菌增殖，维持杯状细胞正常分化，促进硫黏蛋白分泌和成熟，对于平衡炎症性肠病下的肠道环境有着显著作用，如图3所示。在炎症性肠病中发现，PHB能够促进直肠中调节性T细胞的积累，而对脾脏中T细胞无明显影响，表明PHB对肠道局部免疫调节具有特异性，可在精准改善肠道炎症的同时，避免对全身免疫系统产生不必要的干扰。Ma Ning等发现PHB可显著缓解断奶仔猪腹泻，原因在于PHB表面疏松多孔的结构，为约氏乳杆菌生物膜的形成提供了有利的生态位，形成生物膜的约氏乳杆菌迅速增殖，耐酸、耐胆盐能力显著增强，菌群移植和清除的正反操作共同证明，PHB促进约氏乳杆菌生物膜的形成，进而通过调节岩藻糖残基，促进杯状细胞分化和硫黏蛋白成熟缓解断奶仔猪腹泻，表明PHB作为一种安全的益生菌-生物膜传送系统，可显著促进益生菌增殖。PHB还能通过影响树突状细胞的活性，调节其抗原呈递功能和免疫激活能力，树突状细胞作为免疫系统中的抗原呈递细胞，功能状态直接影响着T细胞的激活和免疫反应的启动，适量的PHB干预可促进树突状细胞更有效地摄取、处理和呈递抗原，同时调节其分泌细胞因子，引导免疫反应向免疫耐受或适度免疫激活的方向发展。此外，PHB对巨噬细胞的功能也有调节作用，可增强巨噬细胞的吞噬能力和杀菌活性，更好地清除入侵的病原体，同时调节巨噬细胞分泌细胞因子的水平，避免过度炎症反应的发生。

除了免疫调节这一核心健康效应，PHB的降解产物3HB还在宿主代谢调控方面展现出重要潜力，尤其在血糖调节和改善胰岛素抵抗上，为代谢性疾病的辅助干预提供了新的思路。糖尿病是一种由内源性胰岛素绝对或相对缺乏，或机体不能有效利用胰岛素引起的慢性代谢性疾病，其中2型糖尿病最为常见，胰岛素抵抗是其主要发病机制。Zhang Yudian等研究发现3HB通过羟基羧酸受体2（HCAR2）降低2型糖尿病小鼠的空腹血糖水平，提高葡萄糖耐量，改善胰岛素抵抗。具体为3HB激活HCAR2增加细胞内钙离子水平，刺激腺苷酸环化酶增加环磷酸腺苷浓度，进而激活蛋白激酶A，抑制Raf-1原癌基因、丝氨酸苏氨酸蛋白激酶活性，导致细胞外信号调节激酶活性降低，改变过氧化物酶体增殖物激活受体γ的表达，降低胰岛素抵抗。

2 PHB的生产与优化策略

2.1 微生物合成途径

如图4所示，以乙酰辅酶A为核心枢纽，碳源可来自糖、乙酸、低碳醇或二氧化碳衍生气体，均经过一系列转化和糖酵解后生成乙酰辅酶A，随后经过三步酶促反应完成聚合。

2.1.1 主要生产菌株

微生物是PHB合成的主体，不同菌株的PHB合成能力、碳源利用特性存在显著差异，筛选和改造高产、适配性强的生产菌株，是优化PHB微生物合成的重要环节。PHB是Maurice Lemoige在巨型芽孢杆菌中发现，并在1927年从菌体中分离得到。光合微生物如红螺旋藻，可在丁酸盐或乙酸盐作为唯一碳源的情况下产生PHB。真养产碱杆菌是早期广泛研究的PHB生产菌株之一，该菌株能在碳源丰富而氮源限制的条件下高效积累PHB。在适宜的培养条件下，真养产碱杆菌可将胞内80%以上的碳源转化为PHB存储于细胞内，对葡萄糖、蔗糖等糖类碳源具有高效的利用能力，经过自身代谢，将碳源逐步转化为乙酰辅酶A，进而合成PHB。伯克霍尔德氏菌同样具备合成PHB的能力，Nascimento等发现，在温度35 ℃条件下以葡萄糖为碳源培养48 h，PHB收率可达44%。嗜盐菌也是一类PHB生产菌株，Ji Mengke等通过改造嗜盐菌，使其能在品质不稳定、难以灭菌的餐厨废弃物水解物中生长并产生PHB。

2.1.2 关键合成酶的功能与调控

微生物合成PHB的途径依赖多种关键合成酶的协同催化，其中β-酮硫解酶作为起始关键酶，可介导两分子乙酰辅酶A缩合生成乙酰乙酰辅酶A，该酶不仅决定碳代谢流向，其活性在细胞对数生长期达到最高，且在富碳、氮限制条件下，马赛菌UMI-21中该酶的基因转录水平会显著上调，进而通过增强酶表达量与催化活性提升碳流分配效率；乙酰乙酰辅酶A还原酶则以还原型辅酶II为辅因子，将乙酰乙酰辅酶A还原为(R)-3-羟基丁酰辅酶A，与β-酮硫解酶协同调控PHB聚合单体的供应水平，对PHB合成速率及胞内积累量产生显著影响；而PHB合成酶作为整个合成途径的核心限速酶，负责催化(R)-3-羟基丁酰辅酶A聚合形成具有特定结构与分子质量的PHB聚合物，其活性峰值与胞内PHB积累峰值高度相关，且不同微生物来源的PHB合成酶在结构与理化性质上的差异，直接影响PHB的合成效率及产物特性。

2.2 低成本生产创新

尽管明确了PHB的微生物合成途径与关键调控靶点，但传统生产方式因碳源成本高、发酵工艺不成熟等问题，限制了PHB的产业化发展。农业、工业废弃物来源广泛，成本低廉，将其作为碳源生产PHB既能降低生产成本，又能实现废弃物资源化利用，减少污染。然而这些废弃物具有复杂的内部结构，通常无法直接利用，需要对这些大分子物质进行预处理，使其转化为可被微生物利用的单体，如图5所示。

2.2.1 利用废弃物作为碳源

不同类型的农业、工业废弃物在成分、结构上存在差异，其预处理要求、碳源转化效率也各不相同，针对性开发不同废弃物的PHB生产工艺，能最大化发挥废弃物碳源的优势。Mishra等利用香蕉皮、橙子皮、豌豆皮、菠萝蜜、西瓜皮及废弃花朵等作为碳源，供红树林分离的蓝藻细菌积累PHB。改良Asn-III培养基，引入未处理的果皮，结果显示香蕉皮在第12天培养时表现出最大PHB积累潜力，其次是菠萝蜜和西瓜皮，而商业碳源果糖和葡萄糖显示较低的PHB积累量。在氮磷缺乏培养基中添加香蕉皮，第9天后PHB积累量比光自养条件下提高5 倍，且利用水果废弃物获得的PHB分子质量更高。

玉米秸秆作为农业废弃物，含有丰富的纤维素，Kukreti等利用氢氧化钠对玉米秸秆进行预处理，通过中心复合设计优化条件，提高纤维素含量、降低木质素含量，再利用响应面法进一步优化碱预处理玉米秸秆，提高总还原糖产量，以玉米秸秆水解物为碳源发酵产生PHB。

奶酪工厂生产大量乳清，占奶酪生产所用牛奶量的85%～90%，因其含有乳糖、蛋白质、盐、乳酸和高生物需氧量，直接丢弃会对土壤肥力造成严重影响，进而造成地下水和空气污染。Pais等研究了奶酪乳清作为碳源生产PHB，通过使用重组菌株，获得了高浓度的生物聚合物，表明奶酪乳清是一种丰富的替代碳来源。Sharma等研究发现澳大利亚偶氮单胞菌能利用乳糖作为PHB生产中的唯一碳源，并且可在乳糖添加量2%条件下72 h内产生2.07 g/L的PHB。因此，枯草芽孢杆菌、富营养化杆菌、澳大利亚酵母能够利用乳制品废弃物作为底物生产PHB。

甲烷是造成温室效应的第二大气体，其全球变暖潜能值是二氧化碳的20 倍。甲烷主要来源于天然气、沼气，成本低廉，利用甲烷氧化菌将其转化为PHB，既降低了原料成本，又为甲烷的资源化利用提供了新途径。Mohammed等使用甲烷氧化菌11131通过两阶段生产PHB，第1阶段产生高密度甲烷氧化菌生物质，第2阶段利用营养调节富集PHB。

不同废弃物碳源生产PHB的成本、预处理难度、转化率及适用场景存在显著差异，具体如表1所示。

2.2.2 发酵工艺优化

在PHB合成过程中，细菌具有核心作用，目前已采用批式、补料分批式和连续发酵等多种工艺路线进行PHB生产。其中，批式与补料分批式在实际应用中最为广泛。研究显示，补料分批工艺的产率高于传统批式工艺，且可通过调节碳氮比控制细胞浓度。Liu Yuzhong等通过代谢工程改造嗜盐菌株，构建了基于二氧化碳-乙醇-PHB的合成途径，在5 L非无菌生物反应器中采用持续补料分批发酵策略，最终PHB产量达64.89 g/L，而常规摇瓶培养48 h后，PHB产量仅为3.47 g/L，证明了持续补料分批发酵的优势。浸没式发酵是微生物在液体培养基中，通过有氧呼吸大量繁殖并积累，当环境中碳源充足而氮源受限或处于缺氧状态时，微生物启动合成PHB基因的表达，Mohapatra等利用革兰氏阳性杆菌浸没发酵生产生物聚合物，在优化条件下，使用次氯酸盐消化和多溶剂提取工艺提取4.006 g/L的PHB。固态发酵是微生物在固体基质如农业废物和工业残渣等构成的多孔、低水活度环境中，通过附着生长或渗透利用基质中的碳源，在营养不均衡的条件下启动的适应性代谢过程。Mohapatra等通过对从红树林中分离出的巨大芽孢杆菌进行研究，发现通过固态发酵并采用超声处理和单一溶剂提取，可获得更高的PHB产量，优化条件下，固态发酵产量可达62%。

2.3 提取与纯化技术

PHB微生物发酵生产后，高效、绿色的提取与纯化技术是获得高纯度、高质量PHB产品的关键，直接影响PHB的后续应用和生产成本，目前已有多种PHB提取与纯化方法，各方法的原理、纯度和收率存在显著差异。PHB提取与纯化方法主要包括化学萃取法、超临界流体萃取法、机械破碎提取法、生物酶解法等。PHB的纯度和收率因方法而异，如表2所示。

溶剂提取法是最传统的方法，由于其提取的简单性和快速性，常被用于从PHB积累细胞中提取PHB，核心是利用有机溶剂，如氯仿、次氯酸钠在高温条件下溶解PHB，同时使细胞膜脂质和蛋白质变性沉淀。PHB作为一种疏水性聚酯，可溶于非极性溶剂，而细胞内的蛋白质、核酸等杂质因极性较高而被分离。这种方法的特点是溶剂毒性大且易挥发，可能残留到后续产物中。此外，回收成本高且回收复杂。化学萃取法常使用酸性或碱性试剂，在碱处理过程中，碱性溶液通过皂化作用水解细胞膜脂质和部分蛋白质，破坏细胞结构并释放PHB颗粒，碱性条件可使蛋白质变性沉淀，而PHB因其高度疏水性和结晶性保持稳定，若碱浓度过高会导致PHB分子链的酯键水解，降低其分子质量。相比之下，酸主要通过质子化作用破坏细胞壁多糖和核酸，酸环境使蛋白质等杂质变性凝聚，但强酸会通过攻击PHB颗粒的结晶区和非结晶区的酯键使其水解。超临界流体萃取技术是一种绿色的替代技术，主要采用超临界CO2作为萃取介质，依赖于超临界CO2的低黏度和高扩散性，使其能渗透细胞膜并在高压下溶解PHB，而蛋白质和核酸等极性杂质则不能被萃取，该方法避免了有机溶剂的残留，且CO2易于回收，但PHB在超临界CO2中溶解度较低，通常需要添加乙醇提高产率。超声提取法是通过高压均质、超声破碎或珠磨破碎方法破碎细胞壁，释放胞内PHB颗粒。高压均质是利用空穴效应和剪切力使细胞崩解，PHB颗粒通过离心或过滤分离。超声破碎是通过高频声波产生微射流，破坏细胞膜结构，但会因局部过热导致PHB热降解。机械法的优势在于无需化学试剂，但能耗较高，且后续仍需使用溶剂提高纯度。生物酶解法是利用蛋白酶、溶菌酶或脂肪酶选择性降解细胞壁和细胞膜，而PHB因抗酶解性被保留，该方法条件温和，适合高附加值PHB生产。Al-Battashi等研究利用废纸作为底物，通过分批和补料分批同步糖化发酵法生产PHB，使用纤维素酶和β-葡萄糖苷酶进行酶解，证明酶解法提取发酵PHB的可行性。Borges等选用高溶解度非卤代溶剂N-亚硝基二乙胺，利用其与PHB的高亲和力实现溶解，同时通过高温增强溶剂渗透性，突破革兰氏阳性菌较厚细胞壁的传质屏障。N-亚硝基二乙胺可辅助破坏细胞壁成分，提升提取效率。结合机械预处理破坏细胞壁，进一步提高PHB溶出率，实现绿色、高效提取，且溶剂可回收，减少污染，契合绿色化工发展需求。

3 PHB在食品中的应用

3.1 发酵食品

在发酵食品中，PHB不仅发挥益生元作用，还能改善产品品质，延长保质期。传统酸奶发酵依赖乳酸菌等菌群在乳清中代谢产酸，降低体系pH值，以延长保质期并改善口感。当在酸奶发酵中加入适量PHB后，其益生元特性与抗菌性能协同作用，进一步提升酸奶品质，且PHB降解产生的3HB单体可作为益生菌在冷藏期间的备用能源，因此，适量添加PHB可使益生菌存活率提高，延长产品保质期。PHB在肠道内的降解产物3HB等短链脂肪酸可降低环境pH值，形成酸性微环境。酸性环境会破坏大肠杆菌等有害菌的细胞膜稳定性，抑制酶活性及DNA复制，从而抑制大肠杆菌生长，而酸性环境可促进乳酸菌的产酸代谢，且乳酸菌等有益菌能分泌酯酶。将PHB降解为3HB等小分子物质，3HB作为乳酸菌的碳源，参与其代谢过程，为生长繁殖提供额外营养。因此，适量添加PHB能显著抑制大肠杆菌等有害菌的生长，同时促进乳酸菌等有益菌增殖，维持酸奶在贮藏期间微生物群落的稳定。酸奶中的脂肪以脂肪球的形式存在，其分布和界面性质对酸奶的口感和风味至关重要。脂肪球表面通常包裹乳蛋白形成界面膜，维持体系 稳定，由于PHB颗粒具有一定的疏水性，其会竞争性吸附到脂肪球界面，取代部分乳蛋白，增强脂肪球的抗聚集能力，减少脂肪上浮或凝聚，使口感更细腻。PHB的酯基氧原子可与酪蛋白的羟基、氨基形成氢键，增强分子间结合力，使酪蛋白凝胶结构更致密。酸奶的风味依赖脂溶性物质的释放，PHB疏水区域可与脂溶性分子结合，适度结合可延长风味物质在口腔中的释放，提升风味持久性。因此，在酸奶中适当添加PHB不仅可维持其在储存期间微生物群落的稳定性，还可通过与酸奶中的蛋白质、脂肪等成分相互作用，改变其结构与分布，使酸奶口感更加细腻、醇厚，风味更加浓郁。

将适量PHB加入面包，能显著优化面包的多项品质指标。在面团形成过程中，面筋网络结构的稳定性对面粉加工品质至关重要，舒莹发现，添加PHB能改变小麦蛋白质组分、面筋蛋白二级结构组成、热力学性质以及表面疏水性，红外光谱分析发现，PHB可与面筋蛋白发生相互作用。添加PHB可增加十二烷基硫酸钠-可溶面筋蛋白中高分子质量蛋白质聚集体含量，改变面筋蛋白二级结构的比例。PHB的两亲基团与面筋蛋白上氨基酸残基发生相互作用，使得面筋蛋白的表面疏水性降低，热变性温度升高，这种结构上的改变可增强面筋网络结构的稳定性，进而提升面团的加工性能。在面包烘焙过程中，PHB对面包的质构和口感也有积极影响。适量PHB在面团中分散后，影响面团的持气性和水分分布，使面包比容小幅增大，面包内部气孔孔径增大，面包芯的硬度以及咀嚼性显著降低。一方面，PHB的两亲性结构使其能够与面团中的水分相互作用，改善水分分布，促进面团内部气体的均匀分布，从而使面包内部气孔增大且分布更均匀。另一方面，PHB与面筋蛋白的相互作用增强面筋网络对气体的包裹能力，使得面包在烘焙过程中能够更好地膨胀，从而增大面包比容，降低面包芯的硬度和咀嚼性，面包口感更加柔软。此外，由于PHB具有一定抗菌性能，可抑制面包在储存过程中有害微生物的生长，延长面包保质期。

3.2 食品添加剂

PHB除了直接添加到食品中改善品质，还能凭借其独特的分子结构和理化性质，作为食品添加剂发挥乳化、营养强化等功能，相比传统人工合成食品添加剂，PHB兼具功能性和生物可降解性，更契合绿色、健康的食品工业发展趋势。在食品加工领域，乳化剂是一类促进原本不相溶的两种液体均匀混合，并形成稳定的乳状液体系的重要食品添加剂。分子结构上，乳化剂需具备双亲性结构，即分子中同时含有亲水基团和亲油基团，亲水基能与水分子通过氢键等相互作用紧密结合，亲油基则与油脂分子相互交融。在油水混合体系中，乳化剂分子会自发在油水界面定向排列，亲油基伸向油相，亲水基朝向水相，从而降低油水界面的表面张力，使两种不相容的液体得以均匀分散形成稳定乳状液。而PHB的分子结构赋予了双亲性特征，其分子链中的酯基部分具有一定的亲油性，能与油脂分子相互作用，分子链的主链结构及羟基基团使其具备一定亲水性，这种分子结构为PHB发挥乳化功能奠定了基础。乳化过程的关键在于降低油水界面的表面张力，当PHB添加到油水混合体系中，由于双亲性结构，会迅速在油水界面发生吸附，亲油部分深入油相，亲水部分则留在水相，通过这种界面行为，PHB有效降低油水界面的表面张力，使得油滴在水中均匀分散，避免油脂上浮和分层现象。PHB分子还可与体系中的蛋白质、多糖等发生作用，进一步增强乳化体的稳定性。PHB是一种高疏水性聚合物，这一特性会导致水性乳液中出现明显的相分离或不均匀的聚集现象。这种界面处的不相容性不仅阻碍了理想互穿网络的形成，还会削弱初始的凝胶结构。这一结论主要基于材料科学方面的比较，并需要在实际的乳制品基质中进行流变学方面的验证。其分子结构中虽含有少量亲水端基，但整体以亲油性为主导，其亲水亲油平衡值（HLB）为3.5～4.5，该数值处于3.0～6.0范围内，符合油包水型乳化剂的要求，足以作为高效乳化剂使用。Borges等研究证实PHB具备良好的乳化活性，其HLB值适配乳化功能需求，可作为环保型高效乳化剂应用于多个领域，与人工合成乳化剂相比，PHB兼具乳化性能与生物可降解性，更契合绿色发展需求。在面包制作过程中，PHB可作为乳化剂添加到面粉中，面粉中的蛋白质可与PHB相互作用，PHB的亲水基与麦胶蛋白结合，亲油基与麦谷蛋白结合，使面筋蛋白分子相互交联，由小分子变成大分子，形成结构牢固细密的面筋网络。这种相互作用不仅有助于形成稳定的面团结构，还能增强面团对机械加工的耐力，提高面团弹性、韧性、强度和耐搅拌性，减少面团损伤程度，使各种原辅料分散混合均匀，形成均质的面团，提高面团的吸水率。在面团发酵阶段，PHB能提高面团的发酵能力，增强面团的持气性；在醒发阶段，它可以提高面团的醒发耐力，防止变形。

PHB是由细菌合成的脂溶性物质，降解产物3HB是人体血液中的正常代谢物，无毒，且在机体缺少葡萄糖时，能替代葡萄糖为机体供能，这种在体内可转化为功能性物质的特性，为其作为营养强化剂提供基础。在促进肠道健康方面，PHB能发挥益生元的作用。益生元作为一类营养强化剂，可选择性刺激肠道内有益微生物的活性。因此，PHB通过调节肠道微生态，间接为肠道健康提供支持，维持肠道屏障功能，促进营养物质吸收。此外，PHB的降解产物3HB具有促进免疫反应的功能，可增强机体对病原菌的抵抗，使得PHB在增强人体抵抗力、预防疾病方面具备作为营养强化剂的价值。

3.3 功能性食品

3.3.1 控糖代餐类食品

肥胖、高血糖等代谢性疾病的高发，使得控糖代餐类功能性食品的需求持续增长，PHB通过调节肠道微生态、改善脂质代谢和葡萄糖代谢，同时具备良好的饱腹感，成为控糖代餐食品的理想添加成分。在减肥食品中，PHB的应用展现出巨大潜力，肥胖是由遗传、环境、心理因素引起的健康问题，通过改善肠道微生物群可治疗肥胖。Mishima等将PHB添加到小鼠饮食中，研究发现，PHB能够改善小鼠肠道微生物群，增加抗肥胖细菌的丰度。同时，PHB使甘油三酯和游离脂肪酸含量显著降低，从而有效预防了心血管疾病和脂肪肝等疾病发生。此外，PHB在肠道内降解产生的短链脂肪酸可与肠道内分泌的L细胞表面表达的G蛋白偶联受体结合，进而诱导代谢肽的分泌，增加能量消耗并改善葡萄糖代谢和胰岛素分泌。且PHB添加到食品中食用后消化吸收速率缓慢，具有良好的饱腹感。因此可应用于控糖代餐类功能性食品，适配糖尿病前期、血糖偏高及需要控制体质量的人群，既能提供持久饱腹感，又能辅助稳定血糖，契合代餐食品“低升糖、高饱腹”的核心需求。

3.3.2 肠道调节类食品

氧化应激是导致人体细胞损伤、衰老及多种疾病发生的重要原因，PHB及其降解产物3HB具备显著的抗氧化活性，能从多个环节清除自由基、抑制脂质过氧化，成为抗氧化类功能性食品的优质研发原料。PHB降解的3HB显著促进肠道上皮细胞增殖与绒毛发育，增强肠道屏障功能，优化营养物质的吸收。刘雅荣发现，PHB可显著提高大口黑鲈的生长性能，终末体质量与特定生长率均得到显著提升，同时改善肠道组织结构，具体表现为绒毛高度增加、杯状细胞增多及黏膜结构更完整。此外，PHB还能调节肠道菌群结构，降低变形菌门等潜在致病菌比例，促进厚壁菌门和梭菌属等有益菌的增殖，并增强与碳水化合物和氨基酸代谢相关的功能基因表达，为将PHB作为功能性食品成分应用于人类食品提供了科学依据。通过改善人体肠道微生态、增强营养吸收率与机体免疫力，PHB有望成为应对肠道功能失调及相关代谢问题的创新营养策略，契合当前以预防为导向的健康管理理念。

3.3.3 抗氧化类食品

PHB及其降解产物3HB具备显著的抗氧化活性，PHB及3HB可直接参与体内自由基清除过程，通过提供氢原子或电子，中和体内过量的活性氧自由基，减少自由基对细胞DNA、蛋白质及脂质的氧化攻击，避免细胞结构与功能受损。其次，二者可通过抑制脂质过氧化反应的启动与链式传导，减少脂质过氧化产物的生成，保护细胞膜的完整性，降低脂质氧化对机体组织的损伤。再者，PHB可通过调控体内抗氧化防御系统的关键酶活性，显著提升超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶的表达与活性，其中超氧化物歧化酶可高效清除超氧阴离子自由基，谷胱甘肽过氧化物酶则能特异性分解体内的过氧化物，二者协同作用，进一步增强机体自身的抗氧化能力，从而有效减轻氧化应激反应，降低氧化损伤相关疾病的发病风险。

4 结 语

PHB作为一种潜在的生物活性物质，在食品领域，能够通过益生元特性调节肠道微生物群落，促进有益菌生长，抑制有害菌繁殖，进而改善肠道微生态平衡，增强机体健康。然而，目前PHB的生产成本较高，规模化发酵技术尚不成熟，对于不同食品体系中PHB的添加量、稳定性及其他成分的相互作用研究还不够深入，且安全性与毒理学评估尚不充分。因此，针对PHB在食品领域的广泛应用可从以下几个方面展开：一是科研人员应致力于开发低成本、高效率的PHB生产技术。核心可通过代谢工程改造菌株，对巨大芽孢杆菌、假单胞菌等高产PHB菌株进行基因编辑，强化PHB合成关键酶的表达，敲除与PHB合成竞争碳源的代谢路径基因，提升菌株PHB合成效率与产量。同时结合新型绿色提取工艺突破，优化低共熔溶剂萃取、酶解-非卤代溶剂协同提取等工艺参数，降低提取过程中的溶剂消耗与能耗，同步提升PHB回收率与纯度，进一步压缩生产成本，推动规模化生产；二是深入研究PHB在各类食品中的应用特性，通过实验精确确定最佳添加量，增强其在食品体系中的稳定性，研究与食品中蛋白质、碳水化合物、膳食纤维等成分的协同作用机制，开发更多富含PHB的功能性食品；三是必须通过严格的体内外毒理学实验，系统评估长期摄入可能带来的潜在健康风险，包括在胃肠道内的降解行为、代谢产物的生物安全性等问题，可结合肠道菌群测序、代谢组学等技术，全面分析PHB长期摄入对人体肠道微生态、代谢系统的影响。随着生物技术与绿色生产技术的进步，PHB有望成为食品健康化和可持续发展的重要推动力。

作者简介

通信作者：

辛嘉英，哈尔滨商业大学食品工程学院教授，黑龙江省食品科学与工程重点实验室主任，博士生导师，黑龙江省二级教授。国务院特殊津贴专家，新世纪百千万人才工程国家级人选，教育部新世纪优秀人才支持计划入选者，省杰出青年基金获得者，龙江学者特聘教授。被聘任为中国能源学会专家委员会副主任委员，黑龙江省化学会副理事长。先后荣获省科技进步一等奖、省自然科学二等奖、省高校科学技术一等奖、哈尔滨市青年科技奖等科研奖励，获评全国优秀教师、省第十三届劳动模范、省优秀研究生导师。

围绕食品、医药、化工、能源等领域进行生物催化与转化探索，主要进行食品添加剂及其配料、饲料添加剂、大宗和精细化学品的生物合成、单细胞蛋白生产、金属离子生物催化还原、非水相酶催化和甲烷氧化菌催化反应化学研究。先后主持完成国家自然科学基金面上项目、省自然科学基金项目和中央支持地方高校高水平人才项目、国家重点实验室开放课题等20余项，发表国内外核心期刊论文200余篇，SCI/EI收录100余篇，主编专著教材6 部，授权中国发明专利6 项，国际专利1 项。

第一作者：

董玮琪，哈尔滨商业大学2024级硕士研究生，主要研究方向为食品生物技术。荣获哈尔滨商业大学2024年度三等奖学金。

引文格式：

董玮琪, 谢金晖, 崔添玉, 等. 聚羟基丁酸酯的益生元作用机制与发酵生产优化及其在食品中的应用[J]. 食品科学, 2026, 47(11): 413-424. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251218-145.

DONG Weiqi, XIE Jinhui, CUI Tianyu, et al. Polyhydroxybutyrate as a prebiotic: mechanisms of action, optimization of fermentation production, and food application[J]. Food Science, 2026, 47(11): 413-424. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251218-145.

实习编辑：甘冬娜；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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