【中國科學(xué)報(bào)】稀少糖:物以“稀”為貴
功能糖和糖醇對人口健康意義重大,糖工程產(chǎn)品已在我國食品、保健品、醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出十分重要的作用。
目前,甜味劑是人們?nèi)粘I钏匦璧恼{(diào)味品之一。它作為世界上消費(fèi)量最大的一類食品添加劑,主要用于冷飲、飲料、配制酒、糕點(diǎn)、面包、餅干、蜜餞等十幾類食品中。
據(jù)統(tǒng)計(jì),全球甜味劑總產(chǎn)量已超過1億噸,人均年消費(fèi)量在20kg左右,發(fā)達(dá)國家已達(dá)50kg,發(fā)展中國家也超過10kg,我國在8kg左右,因此功能性糖的市場前景十分廣闊。
稀少糖是一類低熱量新型功能性單糖,具有獨(dú)特生理學(xué)功能和重要的應(yīng)用價(jià)值,作為填充型的功能甜味劑,是糖尿病、肥胖癥病人的理想蔗糖替代品,其中,阿洛酮糖在2013年已經(jīng)被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)認(rèn)定為安全的食品添加劑。目前利用酶轉(zhuǎn)化法能夠規(guī)?;a(chǎn)的稀少糖,由于相應(yīng)酶的活性并不是很高,最終產(chǎn)物的產(chǎn)量比較低,生產(chǎn)成本仍然較高。
中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫媛霞研究組以單糖生物轉(zhuǎn)化酶及技術(shù)開發(fā)作為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈突破點(diǎn),利用酶偶聯(lián)及固定化技術(shù)對果葡糖漿生產(chǎn)工藝進(jìn)行提升,研制富含稀少糖高果糖漿高附加值產(chǎn)品,建立了從糖生物質(zhì)資源到新型稀少糖品生物轉(zhuǎn)化技術(shù)體系,推動(dòng)了功能性稀少糖產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,提升了現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化生物制造工藝。
理想的蔗糖替代品
“稀少糖及其衍生物具有獨(dú)特的生理學(xué)功能,具有降血糖、抑制癌細(xì)胞生長與脂肪積累等作用,在食品、保健品、醫(yī)藥品與化妝品等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值?!敝袊茖W(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員孫媛霞在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示。
隨著食品質(zhì)量提高和科技進(jìn)步,熱量已不是制約我國人民營養(yǎng)健康的主要因素,相當(dāng)多的人還因熱量攝入過剩導(dǎo)致罹患各種疾病,因此人體攝入的營養(yǎng)應(yīng)轉(zhuǎn)向低熱量的功能性糖類。
阿洛酮糖作為一種六碳稀少酮糖是近年發(fā)現(xiàn)的一種具有特殊保健功能的新型功能性單糖,其甜度相當(dāng)于蔗糖70%,具有高溶解度、極低的熱量值和低血糖反應(yīng)等有益人體健康的特殊功能,被美國食品導(dǎo)航網(wǎng)評價(jià)為最具潛力的蔗糖替代品。
據(jù)了解,2011年8月,美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)確定阿洛酮糖為普遍公認(rèn)安全食品(GRAS),并可作為食品或食品添加劑組成成分。
“我們研究一方面聚焦在阿洛酮糖異構(gòu)酶、鼠李糖異構(gòu)酶等新型的生物催化劑研發(fā),既對其進(jìn)行挖掘、克隆表達(dá)、分離精制,又利用酶固定轉(zhuǎn)化廉價(jià)的葡萄糖等單糖實(shí)現(xiàn)稀少糖和稀少糖醇的生物合成?!敝袊茖W(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員朱玥明告訴記者。
另一方面,他們構(gòu)建了非天然的L-稀少糖、脫氧糖的生物合成路線,這些糖大多作為醫(yī)藥中間體能合成L-核苷類藥物,提高其抗腫瘤活性。脫氧糖也是一類重要的稀少糖,具有重要的生理活性,如脫氧核糖是核苷類藥物的基礎(chǔ)原料和關(guān)鍵中間體,可用于制造抗病毒藥物和抗腫瘤藥物,多用于治療艾滋病、乙肝和腫瘤,有著重要的開發(fā)價(jià)值和市場前景。
“然而,目前主要是利用化學(xué)法來合成,原料價(jià)格比較貴,反應(yīng)步驟多,工藝較復(fù)雜、產(chǎn)率低,導(dǎo)致能夠獲得的L-稀少糖、脫氧糖種類很少?!睂O媛霞坦言。
研究團(tuán)隊(duì)以谷氨酸棒桿菌為底盤微生物,構(gòu)建稀少糖合成新途徑,通過代謝工程手段改造菌株,優(yōu)化發(fā)酵條件,實(shí)現(xiàn)高效合成L型稀少糖及脫氧糖,該構(gòu)建的工程菌株以甘油等小分子底物合成了C4,C5,C6,C7稀少糖,該研究通過綠色工藝技術(shù)合成稀少糖策略,實(shí)現(xiàn)十余種稀少糖及其衍生物生物合成。
開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的催化劑
稀少糖生物合成所需要的新型、高效酶催化劑開發(fā)是研發(fā)的關(guān)鍵,也是技術(shù)難題。
“在日本稀少糖研究中心工作期間,我們可以把酶催化劑直接用于生物轉(zhuǎn)化合成不同種類的稀少糖并進(jìn)行功能開發(fā)。但回國之后,因?yàn)樯婕爸R產(chǎn)權(quán)的問題,我們首先必須要自主開發(fā)、不受日本知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)新型的生物催化劑?!睂O媛霞說,對于科研人員來說,短時(shí)間內(nèi)要開發(fā)出活性高、特異性強(qiáng)的催化劑,是非常難的。
孫媛霞告訴記者,在回國之后遇到最大的問題就是在生物轉(zhuǎn)化中所需要的酶制劑。從新型酶蛋白的發(fā)現(xiàn)到功能表征,整個(gè)過程需要非常長的時(shí)間和精力。
孫媛霞白天用來進(jìn)行市場調(diào)研和企業(yè)合作?!暗蒲械哪_步不能停止,所以周一到周五時(shí)間的晚間,孫老師幾乎都是在研究所度過的。把研究所當(dāng)家,生活基本格調(diào)就是白天做調(diào)研,晚上看文獻(xiàn)?!碧旖蚬I(yè)生物技術(shù)研究所助理研究員楊建剛告訴記者。
孫媛霞回國之后就到了工業(yè)酶國家工程實(shí)驗(yàn)室。這里從酶制劑的發(fā)現(xiàn)到生產(chǎn),都有著專業(yè)的團(tuán)隊(duì)和超前的技術(shù)。“有了他們的支持,我們在兩年之內(nèi)就拿到了幾種不同微生物來源的酶催化劑。所以我們開發(fā)的速度可能在稀少糖開發(fā)過程中是比較快的?!睂O媛霞說。
雖稀少,前景好
孫媛霞研究組以高果糖漿為底物,開發(fā)新型的“健康糖”,將高果糖漿中的葡萄糖、果糖利用酶法異構(gòu),轉(zhuǎn)化生成一種零卡路里并且能夠改善腸道菌群、降低血糖、抗齲齒的甜味劑D-阿洛酮糖,對改善人類健康具有重要意義。
隨著健康領(lǐng)域新變化,以疾病治療為主正逐漸向治未病趨勢發(fā)展。為適應(yīng)這樣的趨勢變化,營養(yǎng)食品領(lǐng)域也正在以科學(xué)論證的營養(yǎng)配方為依據(jù),針對糖尿病及相關(guān)慢病人群,開發(fā)臨床特殊用途稀少糖,在輔助治療疾病的過程中能起著重要作用。
目前糖尿病全球患者有3.47億人,并且與心血管疾病、超重者等慢病人群相關(guān)聯(lián)。該類慢病人群在臨床治療過程中,因糖耐量明顯降低,需要嚴(yán)格限制單糖、雙糖攝入量;同時(shí),惡性腫瘤患者,常因術(shù)后放療或化療而引起頭暈或易患感冒、低熱等癥狀,提高免疫力、減輕或抑制不良癥狀的反應(yīng)、維持營養(yǎng)攝入平衡的高品質(zhì)功能糖開發(fā)具有重要意義。
“目前,由于稀少糖來源較少、價(jià)格昂貴以及研究手段相對落后,制約了稀少糖的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣。隨著工藝的成熟以及生產(chǎn)成本的下降,稀少糖因其獨(dú)特的功能將在食品、保健品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有更廣闊的市場應(yīng)用。”孫媛霞說。
?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2015-09-21 第6版 進(jìn)展)
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