“甜蜜家族”成員“搭”上生物合成快車

2019-01-29 10:29

 生活里的甜蜜基本和飲食相關,比如蔗糖、蜂蜜……,它們大多是單糖和多糖。可你知道嗎?“甜蜜家族”里還有一位成員,雖然我們平時很少接觸,但卻須臾難離,它就是寡糖,又叫低聚糖。

寡糖是一種新型功能性糖,它只能從天然食物中萃取,或通過生物酶降解獲得。中科院天津工業生物技術研究所孫媛霞研究員帶領的功能糖與天然活性物質研究團隊,“搭”上生物合成技術,設計出一條功能寡糖生產新路線。

寡糖應用領域廣

“我們常喝的雙歧桿菌酸奶里就有它的影子。”孫媛霞近日接受科技日報記者采訪時說,寡糖是由2—10個單糖通過糖苷鍵連接形成直鏈或支鏈的低度聚合糖,具有改善腸道菌群平衡、促進腸道內營養物質的生成與吸收、降低血清膽固醇和血脂濃度、增強機體免疫力、抑制腫瘤細胞生長、抗齲齒、防治糖尿病和保護肝臟等生理功效,可作為蔗糖替代品應用在功能性食品或低能量食品中。

“大豆寡糖具有促進腸道內雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌群增殖,抑制腐敗菌的生長,保持腸道的微生態平衡等益生元功效。”孫媛霞介紹說,由于低聚糖中的化學鍵不能被人體消化酶所分解,故而通常不易被唾液和胃液消化,能通過上消化道直通腸道發揮作用。低聚糖可在腸道內被細菌分解轉化成乙酸、丙酸等有機酸和短鏈脂肪酸等等,短鏈脂肪酸約有95%會被大腸迅速利用吸收,為大腸上皮細胞提供能源。有機酸可以促進礦物質的吸收,有研究發現,低聚果糖、低聚半乳糖都有促進鈣、磷、鎂的吸收作用。

生產工藝需要改進

記者采訪獲悉,寡糖的發現和生產,距今不過百余年歷史。科學家們一直在為高效獲取寡糖而孜孜以求。孫媛霞以歷史較長的殼寡糖為例介紹說,早在1811年法國學者布拉克諾首先在蘑菇中發現了甲殼幾丁質,緊接著法國學者歐吉爾在昆蟲的外殼中也發現了類似的物質,并命名為甲殼質,1894年德國科學家在此基礎上發現幾丁聚糖。可是由于沒有加工提取的合適方法,也沒有發現其特殊的功能,在其后的100年中,甲殼質慢慢被科學界所遺忘。半個世紀后,日本學者發現了藏在螃蟹殼中的殼寡糖,其才重新成為研究熱點。

“為了能夠使這種物質更好地服務于人類健康,科學家們努力攻關,使提取技術不斷進步。”孫媛霞說,上世紀70年代,我國科學家開始研發從大豆、甜菜、棉籽等原料中提取大豆寡糖的技術,主要采用膜法從植物原料中提取純化,獲得的棉子糖和水蘇糖含量僅為30%左右,制約了大豆寡糖的功效及應用;而國外主要采用色譜分離制備方法,雖然產品純度可以達到70%以上,但生產方式仍未擺脫植物種植提取模式。

“世界范圍內的功能寡糖生產主要依賴于水解和提取,存在產率低、成本高且對環境不友好等問題,我們需要一種更高效持續的生產工藝。”孫媛霞說道。

生物合成高效環保

去年年底,在開展功能糖與天然活性物質研究中,孫媛霞團隊通過模擬植物體內合成大豆寡糖的化學反應機制,構建了一條新型多酶級聯合生成大豆寡糖技術路線,挖掘了植物中大豆寡糖合成酶蛋白分子編碼基因,以廉價的蔗糖為原料,重新設計出一條功能寡糖合成的技術路線,并在體外構建了多酶級聯反應系統,實現了肌醇半乳糖苷、棉子糖和水蘇糖三種功能寡糖純生物合成。這一技術利用分步級聯及輔因子循環轉化策略,解決了多酶反應系統中酶穩定性差等普遍難題。

由于在合成過程中采用細胞破碎粗酶液作為反應介質,避免酶純化步驟和添加昂貴的輔酶因子,還降低了生產成本。實驗結果顯示,通過多步級聯與循環轉化反應,肌醇半乳糖苷、棉子糖和水蘇糖的產率得到很大提高。

日前,該研究成果已在國際頂級期刊《應用與環境微生物學》(AEM)上全文發表,并已申請中國發明專利。孫媛霞表示:“與傳統植物提取工藝比,整個過程只需調節底物和酶催化劑即可實現不同寡糖的生物合成,且沒有任何有害廢棄物排放,可真正實現生產全過程的環境友好。”(孫玉松)

 
 
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