我國生物合成D-阿洛酮糖的研究及產業化進展

郭元亨 王靖 王小艷 陶進 陳博 李義 佟毅

摘 要：本文主要綜述了我國D-阿洛酮糖（D-psicose，Psi）的研究進展及產業化進程，包括技術開發進展、主要研發單位、技術開發中存在的不足，同時闡述了D-阿洛酮糖在我國產業化進程中面臨的問題，包括重疊工作過多、技術整合不足、技術集中在上游基因挖掘和菌株構建領域、法規和審批滯后等問題，展望了D-阿洛酮糖產業發展趨勢和需要解決的問題。

關鍵詞：D-阿洛酮糖;研究;產業化;進展

Abstract：This paper mainly reviews the research progress and industrialization process of D-Psicose （Psi） in China， including research progress， technology distribution and insufficient in technology development. In addition， the problems in the process of D-Psicose industrialization in China were also discussed， including too much repetitive work， Technology integration is weak， research work only concentrated in gene mining and strain construction field， regulations and approvals are relatively lagging behind. At last， the development direction and trend of D-Psicose industry were prospected.

Key words：D-Psicose; Research; Industrialization; Progress

2019年，國際糖尿病聯盟（IDF）發布報告稱，全球20～79歲的成年人中有9.3%患有糖尿病，即4.63億人患有糖尿病。另有110萬20歲以下的兒童和青少年患有I型糖尿病。據IDF預測，到2030年，將有5.78億成年人患有糖尿病，到2045年，將有7億人患有糖尿病。另外，65歲以上的人群中，糖尿病患者占1/5。糖尿病醫療支出占全球健康支出的10%（約7 600億美元）[1]。隨著全球范圍內“三高”、肥胖、糖尿病等慢性疾病的發病率逐年增長，人們對健康生活方式和科學的飲食習慣更加重視。2017年國務院辦公廳發布的《中國防止慢性病中長期規劃》（2017—2025年）中指出，以健康促進和健康管理為手段，到2020年，慢性病導致的過早死亡率較2015年降低10%。積極開展慢病防治是推動由疾病治療向健康管理轉變的重要手段。因此，飲食中糖分的“健康攝取”成為新時代的健康課題。其中，開發和應用D-阿洛酮糖（D-psicose，Psi）、甜菊糖苷、羅漢果甜苷等低熱量甜味劑，以代替（或部分代替）蔗糖、葡萄糖、果糖與麥芽糖等傳統的高熱量甜味劑，是最有效的途徑之一。蔗糖是應用最為廣泛、用量最大的傳統高熱量甜味劑，而D-阿洛酮糖是與蔗糖甜度最接近的低熱量甜味劑。

目前，全球已有英國泰萊公司、韓國希杰第一制糖株式會社、安德森全球集團和日本松谷化學等企業生產和銷售D-阿洛酮糖。我國在此領域起步較晚，近年來也有明顯進展。因此，本文就D-阿洛酮糖在我國產業化的進程展開綜述。

1 D-阿洛酮糖簡介

阿洛酮糖是D-果糖（D-fructose，Fru）C-3位的差向異構體，是一款新型甜味劑，其分子結構如圖1所示[2]。

D-阿洛酮糖的甜度約為蔗糖的70%，熱量約為蔗糖0.3%[3]。與蔗糖相比，D-阿洛酮糖可同等程度的滿足消費者對甜味的味覺需求[4]，容積特性及口感與蔗糖相近，且同樣能與食物中的氨基酸或蛋白質發生美拉德反應[5-6]。因此，D-阿洛酮糖在食藥行業中是一款蔗糖的替代品。除與蔗糖具有相類似的理化性質外，D-阿洛酮糖還具有保健功效。研究人員發現，D-阿洛酮糖具有控制肥胖和糖尿病的功效，能明顯抑制體重的增加和腹部脂肪的堆積[7-9]。另有動物實驗表明，D-阿洛酮糖可有效降低試驗動物體內脂肪的積累，同時可減少肥胖所引起的其他并發癥[10]。在一項針對健康成年人的研究中發現，每天攝入超過6.7%總碳水化合物的D-阿洛酮糖，可明顯抑制餐后血糖水平[11]。

2 D-阿洛酮糖產業化涉及領域

D-阿洛酮糖已在國外生產上市，松谷、泰萊、希杰等均有生產銷售D-阿洛酮糖。綜觀D-阿洛酮糖在海外產業化的過程可以看出，該過程涉及技術開發、生產、法規許可等多個環節。

D-阿洛酮糖生產通常是以果糖為底物，在D-阿洛酮糖3-差向異構酶的催化作用下生成[12-14]。整個技術開發過程包括：指導合成D-阿洛酮糖3-差向異構酶所對應的基因挖掘、基因篩選、菌株構建、對應菌株的發酵、D-阿洛酮糖3-差向異構酶的分離純化、酶制劑加工、酶催化D-果糖轉化為D-阿洛酮糖、D-阿洛酮糖的分離純化與結晶。所涉及的學科包括生物信息學、分子生物學與合成生物學、發酵學、酶工程學、生物分離學、結晶學等，詳見圖2。

D-阿洛酮糖的生產受多個因素的交叉影響，需要多部門密切配合。除了涉及技術放大外，還涉及一整套工藝方法、運行標準、檢測技術、操作流程追蹤記錄和信息反饋機制的建立，以及供應鏈、安全、環保等多個環節的協調。一項新技術從實驗室到大規模生產的轉化速率與相關產業成熟程度密切相關。我國的食品加工企業多為中小型企業，就產業與技術的整合能力、生產運營管理、供應鏈管理等方面，與國外食品巨頭（如松谷、CJ、泰萊）相比，尚有一定差距。

國外在D-阿洛酮糖食用安全性及法規認證方面的工作開展較早。日本學者Shirai等以大鼠做為研究對象[15]，Nishii等[16]以健康狗為研究對象，分別驗證D-阿洛酮糖的食用安全性，結果均顯示阿洛酮糖無不良影響。此外，希杰第一制糖株式會社在2011年就向美國食品藥品監督管理局（FDA）申請了關于D-阿洛酮糖“一般認為安全”（GRAS）認定，該認定于2012年6月得到答復“沒有問題”（GRASNoticeNo.GRN000400），認可甜味劑D-阿洛酮糖可作為食品添加劑使用。松谷集團也于2013年向FDA申請其產品D-阿洛酮糖的GRAS認定，并于2014年6月得到“沒有問題”的回復（GRASNoticeNo.GRN000498）。該報告總結，人體實驗每日攝入31～33 g D-阿洛酮糖無任何副作用的。因此，D-阿洛酮糖被歸類為一種常規的碳水化合物替代品，且不會造成任何安全問題。2019年4月，FDA宣布將D-阿洛酮糖排除在“添加糖”“總糖”標簽之外，意味著D-阿洛酮糖的使用限制進一步放寬[17]。

2018年，韓國食品藥物安全部公布食品標準與規范擬定修改案，其中一條是將D-阿洛酮糖列為一種食品的成分;2020年，韓國發布《酒稅法實施令》部分修改草案，其中修改內容包括在可用于酒類的添加材料中添加了D-阿洛酮糖。2019年，日本衛生勞動和福利部批準將D-阿洛酮糖3-差向異構酶列為食品添加劑并制定相應的標準和規范。

在我國，D-阿洛酮糖行政許可、相關法規、申報和制定暫未開始，因此D-阿洛酮糖也無法在國內銷售和應用。根據《中華人民共和國食品安全法》和《新食品原料安全性審查管理辦法》的有關條例，雖然D-阿洛酮糖已在多個國家廣泛使用，在我國申請行政許可至少還需進行急性經口毒性試驗、3項遺傳毒性試驗、28天經口毒性試驗等驗證。這些實驗需花費較長的時間，較大的財力和人力支出，因此各相關開發單位應通力合作。

3 我國D-阿洛酮糖技術開發的進展

近年來，我國在D-阿洛酮糖的研發領域取得了長足的進展。據SooPAT專利搜索網站顯示，自2010年以來，我國境內申報的與阿洛酮糖相關的專利呈快速上升趨勢，詳見圖3。其中50%以上的是由CJ、泰萊及松谷旗下的研發團隊申請公開，另外不到50%由我國研發單位申請公開。但我國研發單位發表的關于D-阿洛酮糖的文章也呈快速上升趨勢。

雖然我國近年來研究D-阿洛酮糖的單位逐年增長，但對阿洛酮糖進行持續性研究，且研究內容涵蓋了D-阿洛酮糖產業化技術開發的各關鍵環節的單位僅有以下幾家單位：中糧營養健康研究院陳博團隊[18-19]，江南大學食品科學與技術國家重點實驗室的江波團隊[20-23]，中國科學院天津工業生物技術研究所工業酶國家重點實驗室的孫媛霞團隊[24-26]，山東百龍創園生物科技股份有限公司的邵先豹團隊[27-29]，

上海立足生物科技有限公司[30-32]。雖然也有其他研究單位報道關于D-阿洛酮糖技術開發的研究，如臺灣科技大學[33]，西安交通大學[34-35]，以及其他一些企事業單位和科研院所[36-39]，但基本為零敲碎打，并未持續性、系統性的推進。

這些研究單位中，江南大學的研究涵蓋基因挖掘和菌株開發[40-42]，酶的固定化[43-44]，D-阿洛酮糖的分離純化[45-46]。就公布的技術來看，江波團隊開發的酶以及酶的表達效果，均不低于國外大公司公布的數據。酶和固定化技術分別用海藻酸鈉包埋和聚多巴胺-磁性Fe3O4納米粒子固定。海藻酸鈉結構松軟而有彈性，放大生產過程中，若用裝柱反應，因自身彈性問題，可能堵死空隙，導致液體無法流動;若用攪拌裝置，海藻酸鈉球容易磨碎成為絮凝狀、可壓縮的懸浮物。這種懸浮物因具有可壓縮性，后續生產難以過濾;因反應體系中，糖液濃度較高，比重較大，因此懸浮物與溶液的比重差較小，不易通過離心技術除去。因此海藻酸鈉包埋技術不易產業化放大。聚多巴胺-磁性Fe3O4納米粒子因成本較高，產業化也比較困難。該團隊公布的分離技術采用了離子交換樹脂，這類技術容易投產，易于操作，但缺點是分離效率低，耗水量非常大，后續產品的濃縮過程耗能也較大，會大幅提高成本。總體而言，D-阿洛酮糖技術開發過程中，該團隊在上游技術開發中，與國際先進水平基本同步;下游技術成果的產業轉化，尚有一定難度。

中糧營養健康研究院和中糧生化對D-阿洛酮糖的研究起步較晚，但發展勢頭強勁。對D-阿洛酮糖的技術開發呈現全產業鏈布局，面向放大生產的特點。其技術開發基本涵蓋了D-阿洛酮糖產業化的所有環節，包括基因挖掘和菌株開發[47-48]，酶表達菌株的發酵培養[49]，酶的分離純化和固定化[50]，D-阿洛酮糖的分離純化[51-53]，D-阿洛酮糖的結晶等環節[54-55]。從公布數據來看，D-阿洛酮糖-3-差向異構酶的轉化率和表達水平與國外報道的最先進水平持平。酶的分離是采用低成本，污染小，可放大的技術;固定化采用大孔樹脂，硬度高，結構強度較大，耐磨，可以裝柱催化反應，也可以在在攪拌裝置中反應，產業化前景光明。中糧營養健康研究院對D-阿洛酮糖的分離純化采用的是模擬移動床技術，分離效率高，水耗少，后續工藝濃縮壓力小。對D-阿洛酮糖的結晶也開發了切實可行的工藝。另外，中糧生化有限公司擁有葡萄糖轉化為果糖的成熟技術和產業，其技術與果糖轉化為D-阿洛酮糖的工藝相近。因此，D-阿洛酮糖在中糧實現產業化同時擁有原料優勢和技術整合優勢。

百龍創園在D-阿洛酮糖技術開發方面公布的內容較少，除酶的表達及菌體發酵工藝外，基本涉及D-阿洛酮糖技術開發和各個環節，包括酶表達菌株的培養[56-57]、酶促反應和分離[58-59]、結晶[27]以及D-阿洛酮糖的應用[29]。但百龍創園是我國最先生產出D-阿洛酮糖并在海外銷售的公司。

上海立足生物科技有限公司對D-阿洛酮糖的研究涉及了酶的開發和應用[60-61]、D-阿洛酮糖的分離純化[62]、濃縮工工藝[63]以及D-阿洛酮糖的應用[64]，但該公司尚未報道生產銷售產品。2018年9月分以來，也未見有新技術開發的報道。

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