一、平台简介
乳品生物技术与工程教育部重点实验室于2003年11月27日获教育部批准立项建设（教技函[2003]56号），2005年11月26日通过了教育部组织的专家验收。现有6000 m2实验室、300 m2乳酸菌制剂中试车间、200 m2乳品工艺中试研究室，仪器设备总值8000余万元。
本实验室定位为立足内蒙古，面向全国乳酸菌与乳制品产业发展的重大需求，开展高水平基础研究和应用基础研究，形成引领产业创新的国家科技战略力量。以支撑乳业高质量发展为核心目的，针对乳酸菌菌种和制剂缺乏等“卡脖子”问题，攻克乳酸菌与乳制品产业的共性关键技术，在乳酸菌资源开发利用方面取得重大基础理论突破和原创性成果，促进产业健康发展，服务区域经济发展。
二、研究方向
1.乳酸菌种质资源收集保护及生物多样性研究
从世界各地采集自然发酵食品、母乳、粪便等样品，从中分离鉴定乳酸菌和双歧杆菌，建立世界最大的乳酸菌（双歧杆菌）菌种资源库。从菌株、菌种和菌群三个层面，揭示乳酸菌生物多样性和遗传进化关系，结合菌株代谢特性，实现菌株关键生产特性与功能基因的精细定位。完成不同分离株乳酸菌的群体基因组学分析，揭示该群体的进化、分化规律。
2.益生乳酸菌、肠道菌群与宿主健康
基于基因组数据，建立人工智能乳酸菌发酵剂精准筛选技术和多菌株互作分析模型。建立不同人群肠道菌群数据库，基于乳酸菌基因组大数据的人工智能精准筛选技术，系统评价菌株的益生功效。明确益生菌治疗代谢性疾病的作用靶点，研究其通过肠-X轴对宿主多器官的调控作用。
3.乳酸菌制剂与乳制品加工技术研究与开发及其产业化
在深入研究菌株生物学特征的基础上，结合基因组和转录组学技术，突破菌株培养和新型浓缩、干燥关键技术，集成定向调控的高活性代谢产物加工技术，创新高活性发酵乳制品加工技术，开发多元化乳制品。
三、标志性研究成果
1.建立了世界最大的乳酸菌种质资源库
从亚洲、欧洲、非洲、南美洲、大洋洲32个国家采集自然发酵乳制品(牛乳、马乳、驼乳、羊乳、牦牛乳、奶酪），母乳、婴儿粪便样品共计6202份，从中分离、鉴定和保藏乳酸菌47573株，建成了全球最大的乳酸菌菌种资源库，最大限度抢救了“舌尖上的宝贵遗产”，为我国乳酸菌菌种和发酵剂开发利用奠定了基础。2021年，教育部陈宝生部长视察实验室并给予高度评价，指出该菌种库是国家的重要战略资源。2022年8月入选第一批国家农业微生物种质资源库。
图1 乳酸菌种质资源库建设
同时，从非培养角度完成了中国、蒙古、俄罗斯等国不同乳源的1076个自然发酵乳的细菌多样性分析，揭示了自然发酵乳中乳酸菌的生物多样性受地理因素影响的规律。完成了L. bulgaricus等6种1475株乳酸菌的群体基因组学分析，发现自然发酵乳中乳酸菌丰富的遗传多样性，揭示了乳酸菌基因组受分离地、分离源影响的遗传进化规律。
图2 乳酸菌遗传多样性研究
2.基于多组学技术，建立了乳酸菌、益生菌、肠道菌群及代谢组数据库
为探究自然发酵乳中未知细菌的分布，揭示同一微生境中乳酸菌的生存痕迹，依托乳酸菌种质资源库，内蒙古农业大学乳品生物技术与工程重点实验室于2018年启动了“乳酸菌万株基因组计划”，利用自建菌种资源库中1.1万株完成测序的乳酸菌全基因组序列，并结合现有公共数据库中5.19万个乳酸菌基因组数据，建立了iLABdb数据库（https://www.imhpc.com/iLABdb），为乳酸菌产学研开发利用搭建里程碑式的“数据桥梁”。
图3 全球首个乳酸菌基因组云端数据库
基于液质技术和标准品分析，建立了200余种代谢物(氨基酸、短链脂肪酸、胆汁酸等)的测定方法和标准品比对数据库，挖掘益生菌自身以及在调节人体代谢中的关键活性代谢物。
3.乳酸菌重要生产特性功能基因定位分析及快速筛选技术的建立
基于多组学技术，发明了益生乳酸菌精准筛选技术。从肠道微生物互作入手，以调节肠道菌群稳态、增加微生物多样性和改善肠粘膜屏障功能等为技术指标，发明了益生乳酸菌精准筛选技术。利用人工智能策略，基于乳酸菌全基因组数据，机器学习算法，构建了乳酸菌益生特性预测模型和一体化乳酸菌筛选平台“iProbiotics” (http://bioinfor.imu.edu.cn/iprobiotics/public)。解决了乳酸菌筛选技术落后、优良菌株匮乏的难题。利用该技术筛选出35株具有显著免疫调节、肠道菌群调节、降血脂、降血压功效的益生乳酸菌，并从动物模型、人群试验和临床研究层面进行了益生特性的功能评价。以产酸、产粘、产香、后酸化、抗噬菌体、发酵特性等为指标从种质资源库保藏的333株嗜热链球菌和196株保加利亚乳杆菌中筛选出19株用于发酵乳生产的基础菌种。
图4 基于基因组大数据和人工智能构建益生菌精准筛选技术平台建设
4.开发动物乳酸菌微生态制剂，助力禽畜绿色养殖
针对奶牛规模化养殖存在的饲料消化利用率低、乳房炎多发和抗生素滥用等问题，采用二代、三代测序技术相结合的方法从宏基因组角度明确乳房炎与奶牛肠道微生物及功能基因的关系， 发现Vampirovibrio chlorellavorus等与乳房炎有直接关系，可显著提升氨基酸生物合成、脂多糖生物合成等代谢通路中的活性。依据奶牛肠道菌群结构，发明了奶牛健康养殖的益生乳酸菌筛选技术，筛选出用于奶牛健康养殖的Lactobacillus casei HM-08、HM-09、HM-10，Lactobacillus fermentum F-6，Lactobacillus plantarum HM-10、HM-20、AB-1、AB-2 和Lactobacillus reuteri HM-18 等9 株益生乳酸菌。
5.基于乳酸菌基因组学、蛋白质组学和转录组学研究，解决了益生乳酸菌高密度发酵和冷冻干燥的技术难题。
阐明了菌株遗传背景，构建了菌株代谢通路，针对菌株营养缺陷，发明了其高密度发酵产业化工艺，活菌数由原来的0.8×109CFU/mL提至4.0×1010CFU/mL，突破了高密度发酵技术瓶颈。明确了细胞膜氧化损伤是益生乳酸菌高密度发酵、冷冻干燥和储存过程中菌株衰亡的主要原因。开发了微包膜高效保护的乳酸菌冷冻干燥技术，生产出的发酵剂（制剂）活菌数达4.0-15.0×1011 CFU/g以上，解决了冷冻干燥过程中菌体存活率低的技术难题。整体技术被科拓生物全面吸收转化，于2020年在深交所创业板上市，成为中国益生菌产业“第一股”（股票代码300858）。
图5 乳酸菌发酵技术和发酵乳生产中试平台
相继完成了乳酸菌Lactobacillus casei Zhang、Bifidobacterium lactis V9、Lactobacillus plantarum P-8、Lactobacillus bulgaricus ND02 和Streptococcus thermophilus ND03等菌株发酵剂的产业化生产，填补了我国自主知识产权乳酸菌发酵剂生产的空白。推出的“益生和美”系列益生乳酸菌发酵剂和制剂产品，在内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司、黑龙江完达山哈尔滨乳品有限公司、云南欧亚乳业有限公司等企业进行推广应用，开发了益生乳酸菌饮料、中老年奶粉、酸奶、益生乳酸菌酸奶系列产品，产生了显著的经济效益。成果转化8项，总转化经费达4438万元。
6.其他成果
“十三五”以来，本实验室平台围绕上述成果发表论文318篇；授权专利31项，制修订食品安全标准22项；获何梁何利科学与技术创新奖、内蒙古自治区科学技术特别贡献奖、教育部技术发明一等奖、内蒙古自治区自然科学一等奖、内蒙古自治区科技进步一等奖、全国农业优秀创新团队奖、中国食品科学技术学会科技创新奖—突出贡献奖、大北农科技成果奖等多项科技奖励。
四、平台负责人
张和平，博士，教授，博导，国家杰青，何梁何利奖获得者，全国先进工作者；
联系人：孙志宏 教授，博导；
联系方式：0471-4308703；邮箱：sunzhihong78@163.com
