◎洪恒飛 陳曼姣 本報記者 江 耘
D-甘露醇（以下簡稱“甘露醇”）在臨床上常被用于降低眼內(nèi)壓,、治療腦水腫、促進藥物和毒物排泄,，具有抗氧化保護,、調(diào)節(jié)滲透壓和不可代謝等特性,。這種常態(tài)下呈白色或無色結晶粉末狀的有機化合物，可作為藥物配方劑,、食品添加劑,、特種化學品，已廣泛應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,，推動生產(chǎn)端改進工藝，提升制備效率,?！肮I(yè)綠色低碳轉型是大勢所趨，生物法合成甘露醇的生產(chǎn)工藝正受到更多關注,?！闭憬A康藥業(yè)股份有限公司首席科學家李勉告訴記者。
不久前,，李勉團隊聯(lián)合中國工程院院士,、浙江工業(yè)大學教授鄭裕國團隊在《生物工程學報》發(fā)表論文，對現(xiàn)有微生物法制備甘露醇的方法進行了總結,。論文指出,，通過對工程菌株的開發(fā)、發(fā)酵和催化工藝調(diào)控策略的深入研究,，微生物法有望進一步降低工藝成本,，擴大應用范圍，讓甘露醇生產(chǎn)更經(jīng)濟,、更環(huán)保,。
發(fā)酵法：高產(chǎn)菌株、發(fā)酵工藝是關鍵
甘露醇存在于植物,、地衣,、藻類、真菌和細菌中,。出于經(jīng)濟成本考慮,，目前市場上銷售的甘露醇主要通過化學加氫合成法生產(chǎn)。
鄭裕國團隊成員,、浙江工業(yè)大學教授柳志強介紹,，化學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，還可能存在安全風險。
相比化學加氫合成甘露醇,，微生物發(fā)酵法具有專一性強,、轉化率高、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,。
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)酵轉化為甘露醇，進一步分離精制發(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,?！崩蠲阏f。
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)酵時間較長，且發(fā)酵過程需添加富含多種營養(yǎng)的輔料,，導致培養(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)物有機酸易積累，增加了產(chǎn)物分離難度,，因此在發(fā)酵過程中對反應物pH值的精確調(diào)控尤為重要,。木蘭假絲酵母發(fā)酵時間通常較異型發(fā)酵乳酸菌更長，時空產(chǎn)率相對較低,，且發(fā)酵過程中甘露醇易被轉化,，因此需要精確控制溫度和pH值，以確保較高的時空產(chǎn)率,。
李勉介紹,，隨著合成生物學技術的發(fā)展，未來科學家們有望設計開發(fā)新型高效的基因表達調(diào)控元件,，構建經(jīng)濟高效的甘露醇微生物“細胞工廠”,，從而在提高甘露醇產(chǎn)量的同時降低發(fā)酵成本。然而，這項工作具有較大的不確定性,，且耗時較長,，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)反應策略,，通過多個連續(xù)反應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-果糖可直接轉化為甘露醇,，該過程就需要輔因子NADH或NADPH的參與,。”鄭裕國團隊成員,、浙江工業(yè)大學青年骨干教師蔡雪說,，微生物催化法中，純酶催化反應對條件要求較高,，不適于大規(guī)模生產(chǎn),。相比之下，全細胞催化法反應條件溫和,、對環(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,。
所謂全細胞催化法，是指在微生物細胞的作用下,，將某種底物轉化成特定產(chǎn)物的過程,。相比純酶催化反應，全細胞催化法可以利用細胞內(nèi)的輔因子和其他酶與主反應耦合,，降低催化劑的成本并且提高生物催化的效率,。
“全細胞催化法若想大規(guī)模應用,，仍需要克服輔因子再生難、反應耗時長等問題,?！崩蠲憬榻B，要解決反應耗時長的問題,，就需要挖掘催化活性更高的酶,，優(yōu)化工程菌的表達系統(tǒng)，以提高酶的表達量和催化效率,。
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胞和精確的條件控制,，而微生物催化法如果工程菌設計得當,，其效率和產(chǎn)率相較于微生物發(fā)酵法有較大的優(yōu)勢。
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