綠色技術(shù)：功能營養(yǎng)品微生物制造

2021-05-08 08:28 ·科學(xué)出版社官方網(wǎng)易號

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NUTRITION

人們對日常的健康日益關(guān)注，對于疾病逐漸從被動治療轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)防，以膳食補(bǔ)充劑為主要形式的功能性營養(yǎng)化學(xué)品越來越受到大眾的青睞。

什么是營養(yǎng)化學(xué)品？

根據(jù) 1994 年美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)公布的《膳食補(bǔ)充劑健康與教育法》(DSHEA)，膳食補(bǔ)充劑被定義為：

具有特定保健功能或者以補(bǔ)充維生素、礦物質(zhì)為目的的營養(yǎng)化學(xué)品，即適于特定人群食用，補(bǔ)充膳食供給的不足，預(yù)防營養(yǎng)缺乏和降低發(fā)生某些慢性退行性疾病的風(fēng)險，但不以治療疾病為目的，服用較長時間才顯功效，并且對人體不產(chǎn)生任何急性、亞急性或慢性危害的功能性營養(yǎng)化學(xué)品。通常是一類含有一種或多種膳食成分(包括維生素、礦物質(zhì)、氨基酸、草藥和其他植物提取物)，或以上成分的濃縮物、代謝物、提取物的片劑、膠囊及液體等形式的產(chǎn)品。

營養(yǎng)化學(xué)品的發(fā)展可分為三個階段：

1

第一代營養(yǎng)化學(xué)品主要是各類強(qiáng)化食品，這類產(chǎn)品未經(jīng)任何試驗檢驗，是根據(jù)各類營養(yǎng)素或強(qiáng)化的營養(yǎng)素的功能推斷該食品的營養(yǎng)功能。

2

第二代營養(yǎng)化學(xué)品的推出必須經(jīng)過動物和人體試驗，證明其具有某項生理機(jī)能。

3

第三代營養(yǎng)化學(xué)品的推出除了需要用動物和人體試驗來證明某項功能，還需要知道其具有該功效的有效成分的結(jié)構(gòu)及含量。

功能營養(yǎng)品是具有調(diào)節(jié)人體生理功能、適于特定人群食用的一類化學(xué)品。微生物經(jīng)工程改造后可以合成功能營養(yǎng)品，以微生物細(xì)胞工廠為核心的綠色微生物制造技術(shù)正在迅猛發(fā)展。

營養(yǎng)化學(xué)品的種類及功能

功能性營養(yǎng)化學(xué)品主要分為傳統(tǒng)型和新型兩類，傳統(tǒng)型主要為氨基酸、核苷酸以及維生素；新型高效的功能性營養(yǎng)化學(xué)品主要有植物來源(植物性藥材、水果、蔬菜)天然提取物和動物來源(水生生物)的分離物。

01

藥用植物來源營養(yǎng)化學(xué)品

果蔬來源營養(yǎng)化學(xué)品

02

03

水生生物來源營養(yǎng)化學(xué)品

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圖 營養(yǎng)化學(xué)品功能分布圖

營養(yǎng)化學(xué)品的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前銷售的主要營養(yǎng)化學(xué)品仍然是傳統(tǒng)型維生素和礦物質(zhì)，如維生素 B 復(fù)合物、維生素 A、維生素 C、鈣和鐵。其他受歡迎的新型營養(yǎng)化學(xué)品包括用于抗氧化防衰老的輔酶 Q10 、用于治療骨關(guān)節(jié)炎的葡萄糖胺和軟骨素、用于降低膽固醇的大豆磷脂等。

隨著營養(yǎng)化學(xué)品市場需求劇增，對動植物源性化學(xué)品原料的需求量也會相應(yīng)增加，特別是部分珍稀野生動植物(如紫杉醇、深海魚等)，長此以往，勢必會打破物種多樣性平衡。如何在把控食品安全前提下，保障原料充足，維持營養(yǎng)化學(xué)品日常剛需，是營養(yǎng)化學(xué)品制造商亟待解決的問題之一。

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圖 中老年消費(fèi)者試圖通過營養(yǎng)化學(xué)品改善病癥調(diào)查結(jié)果

資料來源：《2019～2020 中國食品消費(fèi)趨勢及產(chǎn)品創(chuàng)新白皮書》，

http://www.foodaily.com/market/show.php?itemid=19715[2019-06-17]

天然動植物的功能性營養(yǎng)化學(xué)品成分普遍含量都比較低，提取成本較高；化學(xué)合成法有機(jī)溶劑的大量使用存在環(huán)境污染問題。以綠色微生物制造工藝技術(shù)為代表的現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)體系正在迅猛發(fā)展，對于提高人民生活水平與質(zhì)量、減少從植物提取造成的耕地浪費(fèi)和緩解化學(xué)合成造成的環(huán)境污染問題，都具有重要的戰(zhàn)略意義。

營養(yǎng)化學(xué)品的微生物制造

微生物制造技術(shù)是以微生物可再生資源為原料生產(chǎn)能源、化工產(chǎn)品和功能性營養(yǎng)化學(xué)品的新型工業(yè)模式，被認(rèn)為是創(chuàng)造新的化學(xué)品工業(yè)的最有發(fā)展前景的道路。微生物制造的本質(zhì)是生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，即利用微生物技術(shù)手段來完成從底物到產(chǎn)品的生物加工過程。然而，自然界中任何一種微生物酶系統(tǒng)的種類、生物活性、轉(zhuǎn)化效率都是有限的，無法直接滿足工業(yè)生產(chǎn)的條件。要將微生物改造成高效的工業(yè)微生物菌株，需要借助代謝基因組學(xué)、系統(tǒng)微生物學(xué)、合成生物學(xué)等技術(shù)手段，解析微生物的基因、蛋白質(zhì)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與代謝過程的本質(zhì)。在分子、細(xì)胞的生態(tài)系統(tǒng)尺度上，多水平、多層次地認(rèn)識和改造微生物，經(jīng)過人工控制的重組和優(yōu)化，重新分配微生物細(xì)胞代謝的物質(zhì)流和能量流，從而充分利用微生物廣泛的物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化與化學(xué)合成能力，高效地制造具有功能性的化學(xué)品。

目前，國內(nèi)雖已有相關(guān)功能性營養(yǎng)化學(xué)品生物合成的教材或?qū)Ｖ?，但比較零散或只介紹單一功能性營養(yǎng)品，沒有一本系統(tǒng)介紹微生物制造營養(yǎng)化學(xué)品相關(guān)技術(shù)的著作。鑒于近二十年來微生物發(fā)酵技術(shù)的迅猛發(fā)展，作者希望系統(tǒng)總結(jié)重要營養(yǎng)化學(xué)品微生物合成技術(shù)，為相關(guān)科研人員或?qū)Υ朔矫娓信d趣的學(xué)者提供參考。

《功能營養(yǎng)品微生物制造技術(shù)》第 1 章首先結(jié)合合成生物學(xué)知識對 4 種常見的工程宿主菌大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、枯草芽孢桿菌及釀酒酵母的背景進(jìn)行介紹，隨后在第 2～7 章中重點(diǎn)介紹寡糖、多糖、短鏈有機(jī)酸、天然色素、維生素及脂肪酸 6 類重要營養(yǎng)化學(xué)品的分類、功能、微生物制造現(xiàn)狀及展望。以系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)為技術(shù)手段，通過闡明功能營養(yǎng)化學(xué)品合成代謝與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、精準(zhǔn)構(gòu)建及調(diào)控細(xì)胞工廠，實現(xiàn)高價值功能性營養(yǎng)化學(xué)品的高效生物制造，有望為健康產(chǎn)業(yè)提供有價值信息，全面促進(jìn)人類健康發(fā)展。

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《功能營養(yǎng)品微生物制造技術(shù)》

劉龍，陳堅，堵國成 等 著

北京：科學(xué)出版社，2020.12

“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項目

ISBN 978-7-03-066817-2

責(zé)任編輯：賈 超，侯亞微

內(nèi)容簡介

《功能營養(yǎng)品微生物制造技術(shù)》對大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、枯草芽孢桿菌及釀酒酵母等模式微生物進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)闡述了寡糖、多糖、短鏈有機(jī)酸、天然色素、維生素和脂肪酸等功能營養(yǎng)品的分類、功能、微生物制造現(xiàn)狀及展望。

本書可作為營養(yǎng)學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵工程等專業(yè)的參考書，亦對研究人員利用微生物細(xì)胞生產(chǎn)功能營養(yǎng)品具有一定參考價值。

本書目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 營養(yǎng)化學(xué)品的種類、功能及應(yīng)用 1
1.1.1 營養(yǎng)化學(xué)品的概念 1
1.1.2 營養(yǎng)化學(xué)品的種類及功能 2
1.1.3 營養(yǎng)化學(xué)品的應(yīng)用現(xiàn)狀 5
1.2 微生物制造技術(shù)與合成生物學(xué) 7
1.2.1 工程宿主菌：大腸桿菌(Escherichia coli) 8
1.2.2 工程宿主菌：谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacterium glutamicum) 9
1.2.3 工程宿主菌：枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) 10
1.2.4 工程宿主菌：釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 11
1.3 營養(yǎng)化學(xué)品的微生物制造 13
1.3.1 枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)中氨基葡萄糖的合成途徑 13
1.3.2 系列母乳寡糖的生物制造 15
1.3.3 維生素K2的生物制造 18
1.3.4 磷脂酰絲氨酸的生物制造 20
1.4　結(jié)束語 22
參考文獻(xiàn) 22
第2章 寡糖的微生物制造技術(shù) 29
2.1 寡糖的種類、功能及應(yīng)用 29
2.1.1 氨基寡糖 29
2.1.2 果糖寡糖 30
2.1.3 母乳寡糖 32
2.1.4 木糖寡糖 33
2.1.5 褐藻酸寡糖 33
2.1.6 葡萄糖寡糖 34
2.1.7 其他類型的寡糖 34
2.2 氨基葡萄糖的微生物合成技術(shù) 34
2.2.1 氨基葡萄糖及其衍生物 34
2.2.2 氨基葡萄糖及其衍生物合成方法 35
2.2.3 氨基葡萄糖及其衍生物微生物發(fā)酵法 37
2.3 低聚乳果糖的微生物制造技術(shù) 46
2.3.1 益生元的概念引入 46
2.3.2 酶法合成低聚乳果糖的研究現(xiàn)狀 47
2.3.3 低聚乳果糖的物理化學(xué)性質(zhì) 48
2.3.4 酶法合成低聚乳果糖過程 49
2.3.5 副產(chǎn)物葡萄糖的抑制作用 51
2.3.6 產(chǎn)物低聚乳果糖的降解 52
2.3.7 酶催化合成低聚乳果糖 52
2.3.8 全細(xì)胞催化合成低聚乳果糖 54
2.3.9 固定化酶合成低聚乳果糖 54
2.3.10 低聚乳果糖的分離純化及其定性定量 55
2.3.11 低聚乳果糖的功能研究 55
2.3.12 體外研究 56
2.3.13 動物體內(nèi)研究 56
2.3.14 人的體內(nèi)研究 57
2.3.15 低聚乳果糖的潛在應(yīng)用及展望 57
2.4 母乳寡糖的微生物制造技術(shù) 58
2.4.1 母乳寡糖的介紹 59
2.4.2 母乳寡糖的結(jié)構(gòu)和主要成分 62
2.4.3 母乳寡糖合成技術(shù) 64
2.4.4 母乳寡糖微生物制造的前沿進(jìn)展 66
參考文獻(xiàn) 68
第3章 多糖的微生物制造技術(shù) 70
3.1 多糖的種類、功能及應(yīng)用 70
3.1.1 多糖的概念 70
3.1.2 多糖的種類 70
3.1.3 多糖的功能 76
3.1.4 多糖的應(yīng)用 83
3.2 透明質(zhì)酸的微生物合成技術(shù) 86
3.2.1 透明質(zhì)酸的概念 86
3.2.2 透明質(zhì)酸的理化性質(zhì) 87
3.2.3 透明質(zhì)酸的制備方法 88
3.2.4 透明質(zhì)酸的合成工藝 88
3.3 唾液酸的微生物制造技術(shù) 91
3.3.1 唾液酸的概念 91
3.3.2 聚唾液酸的概念 92
3.3.3 唾液酸的生產(chǎn) 92
3.3.4 制備唾液酸的試驗步驟 93
3.3.5 產(chǎn)物的測定 95
3.4 可得然膠的微生物制造技術(shù) 96
3.4.1 可得然膠的概念 96
3.4.2 可得然膠的理化性質(zhì) 97
3.4.3 可得然膠合成方法 97
3.4.4 可得然膠的生產(chǎn)工藝 98
3.4.5 合成過程的優(yōu)化 99
參考文獻(xiàn) 101
第4章 短鏈有機(jī)酸的微生物制造技術(shù) 106
4.1 短鏈有機(jī)酸的種類、功能及應(yīng)用 106
4.1.1 丙酸的功能及應(yīng)用 106
4.1.2 丙酮酸的功能及應(yīng)用 107
4.1.3 3-羥基丙酸的功能及應(yīng)用 108
4.1.4 蘋果酸的功能及應(yīng)用 109
4.1.5 富馬酸的功能及應(yīng)用 109
4.1.6 琥珀酸的功能及應(yīng)用 109
4.1.7 丁酸的功能及應(yīng)用 109
4.1.8 衣康酸的功能及應(yīng)用 110
4.1.9 木糖酸的功能及應(yīng)用 110
4.1.10 α-酮戊二酸的功能及應(yīng)用 110
4.1.11 檸檬酸的功能及應(yīng)用 110
4.1.12 葡萄糖酸的功能及應(yīng)用 111
4.1.13 己二酸的功能及應(yīng)用 111
4.2 重要酮酸的微生物制造技術(shù) 112
4.2.1 丙酮酸的微生物制造技術(shù) 112
4.2.2 α-酮戊二酸的微生物制造技術(shù) 115
4.3 重要C4有機(jī)酸的微生物制造技術(shù) 116
4.3.1 琥珀酸的微生物制造技術(shù) 117
4.3.2 富馬酸的微生物制造技術(shù) 118
4.3.3 蘋果酸的微生物制造技術(shù) 119
4.3.4 丁酸的微生物制造技術(shù) 120
4.4 重要C5有機(jī)酸的微生物制造技術(shù) 120
4.4.1 衣康酸的微生物制造技術(shù) 120
4.4.2 木糖酸的微生物制造技術(shù) 121
4.5 重要C6有機(jī)酸的微生物制造技術(shù) 121
4.5.1 檸檬酸微生物制造技術(shù) 121
4.5.2 葡萄糖酸微生物制造技術(shù) 124
4.5.3 己二酸微生物制造技術(shù) 124
參考文獻(xiàn) 125
第5章 天然色素的微生物制造技術(shù) 133
5.1 天然色素的種類、功能及應(yīng)用 134
5.1.1 食用天然色素的種類 134
5.1.2 天然色素的功能 136
5.1.3 食用天然色素的應(yīng)用 137
5.2 類胡蘿卜素的微生物制造技術(shù) 140
5.3 番茄紅素的微生物制造技術(shù) 143
5.3.1 番茄紅素的生物合成途徑 144
5.3.2 番茄紅素的代謝調(diào)節(jié) 144
5.4 花青素的微生物制造技術(shù) 145
5.4.1 植物酶的異源表達(dá) 147
5.4.2 輔助因子/底物供應(yīng)的調(diào)控 147
5.4.3 特異性轉(zhuǎn)運(yùn)體的構(gòu)建 148
5.4.4 生產(chǎn)條件的優(yōu)化 148
參考文獻(xiàn) 149
第6章 維生素的微生物制造技術(shù) 151
6.1 維生素的種類、功能及應(yīng)用 151
6.1.1 水溶性維生素的種類、功能及應(yīng)用 151
6.1.2 脂溶性維生素的種類、功能及應(yīng)用 153
6.2 水溶性維生素的微生物制造技術(shù) 155
6.2.1 維生素C的微生物制造技術(shù) 155
6.2.2 維生素B1的微生物合成技術(shù) 157
6.2.3 維生素B12的微生物合成技術(shù) 157
6.3 脂溶性維生素的微生物制造技術(shù) 159
6.3.1 維生素A的微生物合成技術(shù) 159
6.3.2 維生素D的微生物合成技術(shù) 160
6.3.3 維生素E的微生物合成技術(shù) 162
6.3.4 維生素K的微生物合成技術(shù) 162
6.4 結(jié)束語 163
參考文獻(xiàn) 163
第7章 脂肪酸的微生物制造技術(shù) 171
7.1 脂肪酸的種類、功能及應(yīng)用 171
7.1.1 概述 171
7.1.2 脂肪酸功能及應(yīng)用 173
7.2 二十碳五烯酸的微生物制造 179
7.2.1 EPA的概念及性質(zhì) 179
7.2.2 EPA的生理活性功能 179
7.2.3 EPA的應(yīng)用 180
7.2.4 EPA的生產(chǎn)及提取技術(shù) 181
7.2.5 微生物發(fā)酵生產(chǎn) 181
7.3 γ-亞麻酸的微生物制造 185
7.3.1 γ-亞麻酸的概念及性質(zhì) 185
7.3.2 γ-亞麻酸的生理活性功能 185
7.3.3 γ-亞麻酸的應(yīng)用 187
7.3.4 γ-亞麻酸的自然資源 187
7.3.5 微生物發(fā)酵產(chǎn)GLA的研究現(xiàn)狀 189
7.3.6 微生物發(fā)酵生產(chǎn)GLA工藝 190
7.4 二十二碳六烯酸的制造技術(shù) 192
7.4.1 二十二碳六烯酸的概念及理化性質(zhì) 192
7.4.2 DHA的主要生理功能 193
7.4.3 DHA的應(yīng)用 194
7.4.4 DHA的來源 195
7.4.5 DHA的微生物合成 196
7.4.6 裂殖壺菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA 196
參考文獻(xiàn) 198
專有名詞注釋表 200
索引 205

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（本文編輯： 王芳）

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