D-甘露醇（以下簡(jiǎn)稱“甘露醇”）在臨床上常被用于降低眼內(nèi)壓、治療腦水腫、促進(jìn)藥物和毒物排泄，具有抗氧化保護(hù)、調(diào)節(jié)滲透壓和不可代謝等特性。這種常態(tài)下呈白色或無色結(jié)晶粉末狀的有機(jī)化合物，可作為藥物配方劑、食品添加劑、特種化學(xué)品，已廣泛應(yīng)用于功能性食品和制藥行業(yè)。
目前，全球每年消耗約15萬噸甘露醇。近年來，作為功能性糖醇和低熱量甜味劑，甘露醇的需求持續(xù)增長，推動(dòng)生產(chǎn)端改進(jìn)工藝，提升制備效率。“工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨，生物法合成甘露醇的生產(chǎn)工藝正受到更多關(guān)注。”浙江華康藥業(yè)股份有限公司首席科學(xué)家李勉告訴記者。
不久前，李勉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國工程院院士、浙江工業(yè)大學(xué)教授鄭裕國團(tuán)隊(duì)在《生物工程學(xué)報(bào)》發(fā)表論文，對(duì)現(xiàn)有微生物法制備甘露醇的方法進(jìn)行了總結(jié)。論文指出，通過對(duì)工程菌株的開發(fā)、發(fā)酵和催化工藝調(diào)控策略的深入研究，微生物法有望進(jìn)一步降低工藝成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，讓甘露醇生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。
發(fā)酵法：高產(chǎn)菌株、發(fā)酵工藝是關(guān)鍵
甘露醇存在于植物、地衣、藻類、真菌和細(xì)菌中。出于經(jīng)濟(jì)成本考慮，目前市場(chǎng)上銷售的甘露醇主要通過化學(xué)加氫合成法生產(chǎn)。
鄭裕國團(tuán)隊(duì)成員、浙江工業(yè)大學(xué)教授柳志強(qiáng)介紹，化學(xué)加氫合成法工藝可靠、原料利用率高，不受地理和季節(jié)限制，成本較低，但是副產(chǎn)物山梨醇伴生比例高，甘露醇收率低。由于甘露醇是在高溫高壓的環(huán)境下制備，還可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)。
相比化學(xué)加氫合成甘露醇，微生物發(fā)酵法具有專一性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少、條件溫和、原料來源廣泛、產(chǎn)物易于分離等特點(diǎn)。
已有研究表明，人工定向選育的優(yōu)良微生物菌種可將葡萄糖、果糖、蔗糖、甘油等不同底物直接發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甘露醇，進(jìn)一步分離精制發(fā)酵液可獲得甘露醇成品。
“高產(chǎn)菌株和發(fā)酵工藝是發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇的關(guān)鍵。幾種異型發(fā)酵乳酸菌和木蘭假絲酵母是目前研究較多、發(fā)酵工藝最成熟的具有商業(yè)化生產(chǎn)潛力的菌種。”李勉說。
記者了解到，盡管異型發(fā)酵乳酸菌具有較高產(chǎn)量，但發(fā)酵時(shí)間較長，且發(fā)酵過程需添加富含多種營養(yǎng)的輔料，導(dǎo)致培養(yǎng)基成本較高。此外，在異型發(fā)酵乳酸菌的發(fā)酵過程中，副產(chǎn)物有機(jī)酸易積累，增加了產(chǎn)物分離難度，因此在發(fā)酵過程中對(duì)反應(yīng)物pH值的精確調(diào)控尤為重要。木蘭假絲酵母發(fā)酵時(shí)間通常較異型發(fā)酵乳酸菌更長，時(shí)空產(chǎn)率相對(duì)較低，且發(fā)酵過程中甘露醇易被轉(zhuǎn)化，因此需要精確控制溫度和pH值，以確保較高的時(shí)空產(chǎn)率。
李勉介紹，隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來科學(xué)家們有望設(shè)計(jì)開發(fā)新型高效的基因表達(dá)調(diào)控元件，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效的甘露醇微生物“細(xì)胞工廠”，從而在提高甘露醇產(chǎn)量的同時(shí)降低發(fā)酵成本。然而，這項(xiàng)工作具有較大的不確定性，且耗時(shí)較長，目前降低成本的難度依然較高。
催化法：挖掘高活性酶并實(shí)現(xiàn)輔因子再生
除了微生物發(fā)酵法，微生物催化法也是甘露醇主要的生物合成方法之一。其中，酶催化方法主要采用多酶偶聯(lián)反應(yīng)策略，通過多個(gè)連續(xù)反應(yīng)模塊直接將淀粉逐步分解成葡萄糖，并以其為底物通過酶催化法生成甘露醇。
酶是一種具有特異性的高效生物催化劑，絕大多數(shù)酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。多數(shù)酶催化過程中，需要輔因子的參與。輔因子價(jià)格昂貴，在催化過程中屬于消耗物。為確保催化的穩(wěn)定性和效率，科研人員開發(fā)了一系列輔因子再生策略。
“在甘露醇脫氫酶催化下，D-果糖可直接轉(zhuǎn)化為甘露醇，該過程就需要輔因子NADH或NADPH的參與。”鄭裕國團(tuán)隊(duì)成員、浙江工業(yè)大學(xué)青年骨干教師蔡雪說，微生物催化法中，純酶催化反應(yīng)對(duì)條件要求較高，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。相比之下，全細(xì)胞催化法反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境要求不苛刻、產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少，是目前較為理想的甘露醇制備方法。
所謂全細(xì)胞催化法，是指在微生物細(xì)胞的作用下，將某種底物轉(zhuǎn)化成特定產(chǎn)物的過程。相比純酶催化反應(yīng)，全細(xì)胞催化法可以利用細(xì)胞內(nèi)的輔因子和其他酶與主反應(yīng)耦合，降低催化劑的成本并且提高生物催化的效率。
“全細(xì)胞催化法若想大規(guī)模應(yīng)用，仍需要克服輔因子再生難、反應(yīng)耗時(shí)長等問題。”李勉介紹，要解決反應(yīng)耗時(shí)長的問題，就需要挖掘催化活性更高的酶，優(yōu)化工程菌的表達(dá)系統(tǒng)，以提高酶的表達(dá)量和催化效率。
李勉說，總體來看，微生物發(fā)酵法和微生物催化法各有優(yōu)劣。相比較而言，微生物發(fā)酵法的操作可能更簡(jiǎn)單。但是微生物發(fā)酵法生產(chǎn)甘露醇需要高性能的底盤細(xì)胞和精確的條件控制，而微生物催化法如果工程菌設(shè)計(jì)得當(dāng)，其效率和產(chǎn)率相較于微生物發(fā)酵法有較大的優(yōu)勢(shì)。
洪恒飛 陳曼姣 江 耘
（審核：歐云海）
