■本報記者 郭爽
功能糖和糖醇對人口健康意義重大，糖工程產品已在我國食品、保健品、醫藥及農業領域發揮出十分重要的作用。
目前，甜味劑是人們日常生活所必需的調味品之一。它作為世界上消費量最大的一類食品添加劑，主要用於冷飲、飲料、配製酒、糕點、麵包、餅乾、蜜餞等十幾類食品中。
據統計，全球甜味劑總產量已超過1億噸，人均年消費量在20kg左右，發達國家已達50kg，發展中國家也超過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，具有獨特生理學功能和重要的應用價值，作為填充型的功能甜味劑，是糖尿病、肥胖症病人的理想蔗糖替代品，其中，阿洛酮糖在2013年已經被美國食品藥品監督管理局（FDA）認定為安全的食品添加劑。目前利用酶轉化法能夠規模化生產的稀少糖，由於相應酶的活性並不是很高，最終產物的產量比較低，生產成本仍然較高。
中科院天津工業生物技術研究所孫媛霞研究組以單糖生物轉化酶及技術開發作為整個產業鏈突破點，利用酶偶聯及固定化技術對果葡糖漿生產工藝進行提升，研製富含稀少糖高果糖漿高附加值產品，建立了從糖生物質資源到新型稀少糖品生物轉化技術體系，推動了功能性稀少糖產業鏈發展，提升了現有產業化生物製造工藝。
理想的蔗糖替代品
「稀少糖及其衍生物具有獨特的生理學功能，具有降血糖、抑制癌細胞生長與脂肪積累等作用，在食品、保健品、醫藥品與化妝品等領域具有十分重要的應用價值。」中國科學院天津工業生物技術研究所研究員孫媛霞在接受《中國科學報》記者採訪時表示。
隨著食品質量提高和科技進步，熱量已不是制約我國人民營養健康的主要因素，相當多的人還因熱量攝入過剩導致罹患各種疾病，因此人體攝入的營養應轉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現的一種具有特殊保健功能的新型功能性單糖，其甜度相當於蔗糖70%，具有高溶解度、極低的熱量值和低血糖反應等有益人體健康的特殊功能，被美國食品導航網評價為最具潛力的蔗糖替代品。
據了解，2011年8月，美國食品藥品監督管理局（FDA）確定阿洛酮糖為普遍公認安全食品（GRAS），並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酶、鼠李糖異構酶等新型的生物催化劑研發，既對其進行挖掘、克隆表達、分離精製，又利用酶固定轉化廉價的葡萄糖等單糖實現稀少糖和稀少糖醇的生物合成。」中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員朱玥明告訴記者。
另一方面，他們構建了非天然的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原料和關鍵中間體，可用於製造抗病毒藥物和抗腫瘤藥物，多用於治療愛滋病、B肝和腫瘤，有著重要的開發價值和市場前景。
「然而，目前主要是利用化學法來合成，原料價格比較貴，反應步驟多，工藝較複雜、產率低，導致能夠獲得的L-稀少糖、脫氧糖種類很少。」孫媛霞坦言。
研究團隊以穀氨酸棒桿菌為底盤微生物，構建稀少糖合成新途徑，通過代謝工程手段改造菌株，優化發酵條件，實現高效合成L型稀少糖及脫氧糖，該構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合成稀少糖策略，實現十餘種稀少糖及其衍生物生物合成。
開發具有自主產權的催化劑
稀少糖生物合成所需要的新型、高效酶催化劑開發是研發的關鍵，也是技術難題。
「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於生物轉化合成不同種類的稀少糖並進行功能開發。但回國之後，因為涉及智慧財產權的問題，我們首先必須要自主開發、不受日本智慧財產權保護新型的生物催化劑。」孫媛霞說，對於科研人員來說，短時間內要開發出活性高、特異性強的催化劑，是非常難的。
孫媛霞告訴記者，在回國之後遇到最大的問題就是在生物轉化中所需要的酶製劑。從新型酶蛋白的發現到功能表徵，整個過程需要非常長的時間和精力。
孫媛霞白天用來進行市場調研和企業合作。「但科研的腳步不能停止，所以周一到周五時間的晚間，孫老師幾乎都是在研究所度過的。把研究所當家，生活基本格調就是白天做調研，晚上看文獻。」天津工業生物技術研究所助理研究員楊建剛告訴記者。
孫媛霞回國之後就到了工業酶國家工程實驗室。這裡從酶製劑的發現到生產，都有著專業的團隊和超前的技術。「有了他們的支持，我們在兩年之內就拿到了幾種不同微生物來源的酶催化劑。所以我們開發的速度可能在稀少糖開發過程中是比較快的。」孫媛霞說。
雖稀少，前景好
孫媛霞研究組以高果糖漿為底物，開發新型的「健康糖」，將高果糖漿中的葡萄糖、果糖利用酶法異構，轉化生成一種零卡路裡並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。
隨著健康領域新變化，以疾病治療為主正逐漸向治未病趨勢發展。為適應這樣的趨勢變化，營養食品領域也正在以科學論證的營養配方為依據，針對糖尿病及相關慢病人群，開發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，並且與心血管疾病、超重者等慢病人群相關聯。該類慢病人群在臨床治療過程中，因糖耐量明顯降低，需要嚴格限制單糖、雙糖攝入量；同時，惡性腫瘤患者，常因術後放療或化療而引起頭暈或易患感冒、低熱等症狀，提高免疫力、減輕或抑制不良症狀的反應、維持營養攝入平衡的高品質功能糖開發具有重要意義。
「目前，由於稀少糖來源較少、價格昂貴以及研究手段相對落後，制約了稀少糖的產業化及應用推廣。隨著工藝的成熟以及生產成本的下降，稀少糖因其獨特的功能將在食品、保健品、農業等領域具有更廣闊的市場應用。」孫媛霞說。
《中國科學報》 (2015-09-21 第6版 進展)