D-甘露醇（以下簡稱“甘露醇”）在臨床上常被用于降低眼內壓、治療腦水腫、促進藥物和毒物排泄，具有抗氧化保護、調節滲透壓和不可代謝等特性。這種常態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。
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，甘露醇的需求持續增長，推動生產端改進工藝，提升制備效率。“工業綠色低碳轉型是大勢所趨，生物法合成甘露醇的生產工藝正受到更多關注。”浙江華康藥業股份有限公司首席科學家李勉告訴記者。
不久前，李勉團隊聯合中國工程院院士、浙江工業大學教授鄭裕國團隊在《生物工程學報》發表論文，對現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、發酵和催化工藝調控策略的深入研究，微生物法有望進一步降低工藝成本，擴大應用范圍，讓甘露醇生產更經濟、更環保。
發酵法：高產菌株、發酵工藝是關鍵
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。
鄭裕國團隊成員、浙江工業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，不受地理和季節限制，成本較低，但是副產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，微生物發酵法具有專一性強、轉化率高、副產物少、條件溫和、原料來源廣泛、產物易于分離等特點。
已有研究表明，人工定向選育的優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酵轉化為甘露醇，進一步分離精制發酵液可獲得甘露醇成品。
“高產菌株和發酵工藝是發酵生產甘露醇的關鍵。幾種異型發酵乳酸菌和木蘭假絲酵母是目前研究較多、發酵工藝最成熟的具有商業化生產潛力的菌種。”李勉說。
記者了解到，盡管異型發酵乳酸菌具有較高產量，但發酵時間較長，且發酵過程需添加富含多種營養的輔料，導致培養基成本較高。此外，在異型發酵乳酸菌的發酵過程中，副產物有機酸易積累，增加了產物分離難度，因此在發酵過程中對反應物pH值的精確調控尤為重要。木蘭假絲酵母發酵時間通常較異型發酵乳酸菌更長，時空產率相對較低，且發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率。
李勉介紹，隨著合成生物學技術的發展，未來科學家們有望設計開發新型高效的基因表達調控元件，構建經濟高效的甘露醇微生物“細胞工廠”，從而在提高甘露醇產量的同時降低發酵成本。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輔因子再生
除了微生物發酵法，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反應策略，通過多個連續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，絕大多數酶是活細胞產生的蛋白質。多數酶催化過程中，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。為確保催化的穩定性和效率，科研人員開發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，不適于大規模生產。相比之下，全細胞催化法反應條件溫和、對環境要求不苛刻、產率高、副產物少，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模應用，仍需要克服輔因子再生難、反應耗時長等問題。”李勉介紹，要解決反應耗時長的問題，就需要挖掘催化活性更高的酶，優化工程菌的表達系統，以提高酶的表達量和催化效率。
李勉說，總體來看，微生物發酵法和微生物催化法各有優劣。相比較而言，微生物發酵法的操作可能更簡單。但是微生物發酵法生產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，其效率和產率相較于微生物發酵法有較大的優勢。
D-甘露醇（以下簡稱“甘露醇”）在臨床上常被用于降低眼內壓、治療腦水腫、促進藥物和毒物排泄，具有抗氧化保護、調節滲透壓和不可代謝等特性。這種常態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。
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，甘露醇的需求持續增長，推動生產端改進工藝，提升制備效率。“工業綠色低碳轉型是大勢所趨，生物法合成甘露醇的生產工藝正受到更多關注。”浙江華康藥業股份有限公司首席科學家李勉告訴記者。
不久前，李勉團隊聯合中國工程院院士、浙江工業大學教授鄭裕國團隊在《生物工程學報》發表論文，對現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、發酵和催化工藝調控策略的深入研究，微生物法有望進一步降低工藝成本，擴大應用范圍，讓甘露醇生產更經濟、更環保。
發酵法：高產菌株、發酵工藝是關鍵
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。
鄭裕國團隊成員、浙江工業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，不受地理和季節限制，成本較低，但是副產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，微生物發酵法具有專一性強、轉化率高、副產物少、條件溫和、原料來源廣泛、產物易于分離等特點。
已有研究表明，人工定向選育的優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酵轉化為甘露醇，進一步分離精制發酵液可獲得甘露醇成品。
“高產菌株和發酵工藝是發酵生產甘露醇的關鍵。幾種異型發酵乳酸菌和木蘭假絲酵母是目前研究較多、發酵工藝最成熟的具有商業化生產潛力的菌種。”李勉說。
記者了解到，盡管異型發酵乳酸菌具有較高產量，但發酵時間較長，且發酵過程需添加富含多種營養的輔料，導致培養基成本較高。此外，在異型發酵乳酸菌的發酵過程中，副產物有機酸易積累，增加了產物分離難度，因此在發酵過程中對反應物pH值的精確調控尤為重要。木蘭假絲酵母發酵時間通常較異型發酵乳酸菌更長，時空產率相對較低，且發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率。
李勉介紹，隨著合成生物學技術的發展，未來科學家們有望設計開發新型高效的基因表達調控元件，構建經濟高效的甘露醇微生物“細胞工廠”，從而在提高甘露醇產量的同時降低發酵成本。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輔因子再生
除了微生物發酵法，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反應策略，通過多個連續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，絕大多數酶是活細胞產生的蛋白質。多數酶催化過程中，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。為確保催化的穩定性和效率，科研人員開發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，不適于大規模生產。相比之下，全細胞催化法反應條件溫和、對環境要求不苛刻、產率高、副產物少，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模應用，仍需要克服輔因子再生難、反應耗時長等問題。”李勉介紹，要解決反應耗時長的問題，就需要挖掘催化活性更高的酶，優化工程菌的表達系統，以提高酶的表達量和催化效率。
李勉說，總體來看，微生物發酵法和微生物催化法各有優劣。相比較而言，微生物發酵法的操作可能更簡單。但是微生物發酵法生產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，其效率和產率相較于微生物發酵法有較大的優勢。
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