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“甜蜜家族”成员“搭”上生物合成快车

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生活里的甜蜜基本和饮食相关,比如蔗糖、蜂蜜……,它们大多是单糖和多糖。可你知道吗?“甜蜜家族”里还有一位成员,虽然我们平时很少接触,但却须臾难离,它就是寡糖,又叫低聚糖。

寡糖是一种新型功能性糖,它只能从天然食物中萃取,或通过生物酶降解获得。中科院天津工业生物技术研究所孙媛霞研究员带领的功能糖与天然活性物质研究团队,“搭”上生物合成技术,设计出一条功能寡糖生产新路线。

寡糖应用领域广

“我们常喝的双歧杆菌酸奶里就有它的影子。”孙媛霞近日接受科技日报记者采访时说,寡糖是由2—10个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的低度聚合糖,具有改善肠道菌群平衡、促进肠道内营养物质的生成与吸收、降低血清胆固醇和血脂浓度、增强机体免疫力、抑制肿瘤细胞生长、抗龋齿、防治糖尿病和保护肝脏等生理功效,可作为蔗糖替代品应用在功能性食品或低能量食品中。

“大豆寡糖具有促进肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群增殖,抑制腐败菌的生长,保持肠道的微生态平衡等益生元功效。”孙媛霞介绍说,由于低聚糖中的化学键不能被人体消化酶所分解,故而通常不易被唾液和胃液消化,能通过上消化道直通肠道发挥作用。低聚糖可在肠道内被细菌分解转化成乙酸、丙酸等有机酸和短链脂肪酸等等,短链脂肪酸约有95%会被大肠迅速利用吸收,为大肠上皮细胞提供能源。有机酸可以促进矿物质的吸收,有研究发现,低聚果糖、低聚半乳糖都有促进钙、磷、镁的吸收作用。

生产工艺需要改进

记者采访获悉,寡糖的发现和生产,距今不过百余年历史。科学家们一直在为高效获取寡糖而孜孜以求。孙媛霞以历史较长的壳寡糖为例介绍说,早在1811年法国学者布拉克诺首先在蘑菇中发现了甲壳几丁质,紧接着法国学者欧吉尔在昆虫的外壳中也发现了类似的物质,并命名为甲壳质,1894年德国科学家在此基础上发现几丁聚糖。可是由于没有加工提取的合适方法,也没有发现其特殊的功能,在其后的100年中,甲壳质慢慢被科学界所遗忘。半个世纪后,日本学者发现了藏在螃蟹壳中的壳寡糖,其才重新成为研究热点。

“为了能够使这种物质更好地服务于人类健康,科学家们努力攻关,使提取技术不断进步。”孙媛霞说,上世纪70年代,我国科学家开始研发从大豆、甜菜、棉籽等原料中提取大豆寡糖的技术,主要采用膜法从植物原料中提取纯化,获得的棉子糖和水苏糖含量仅为30%左右,制约了大豆寡糖的功效及应用;而国外主要采用色谱分离制备方法,虽然产品纯度可以达到70%以上,但生产方式仍未摆脱植物种植提取模式。

“世界范围内的功能寡糖生产主要依赖于水解和提取,存在产率低、成本高且对环境不友好等问题,我们需要一种更高效持续的生产工艺。”孙媛霞说道。

生物合成高效环保

去年年底,在开展功能糖与天然活性物质研究中,孙媛霞团队通过模拟植物体内合成大豆寡糖的化学反应机制,构建了一条新型多酶级联合生成大豆寡糖技术路线,挖掘了植物中大豆寡糖合成酶蛋白分子编码基因,以廉价的蔗糖为原料,重新设计出一条功能寡糖合成的技术路线,并在体外构建了多酶级联反应系统,实现了肌醇半乳糖苷、棉子糖和水苏糖三种功能寡糖纯生物合成。这一技术利用分步级联及辅因子循环转化策略,解决了多酶反应系统中酶稳定性差等普遍难题。

由于在合成过程中采用细胞破碎粗酶液作为反应介质,避免酶纯化步骤和添加昂贵的辅酶因子,还降低了生产成本。实验结果显示,通过多步级联与循环转化反应,肌醇半乳糖苷、棉子糖和水苏糖的产率得到很大提高。

日前,该研究成果已在国际顶级期刊《应用与环境微生物学》(AEM)上全文发表,并已申请中国发明专利。孙媛霞表示:“与传统植物提取工艺比,整个过程只需调节底物和酶催化剂即可实现不同寡糖的生物合成,且没有任何有害废弃物排放,可真正实现生产全过程的环境友好。”

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