我国生物合成D-阿洛酮糖的研究及产业化进展

郭元亨 王靖 王小艳 陶进 陈博 李义 佟毅

摘 要：本文主要综述了我国D-阿洛酮糖（D-psicose，Psi）的研究进展及产业化进程，包括技术开发进展、主要研发单位、技术开发中存在的不足，同时阐述了D-阿洛酮糖在我国产业化进程中面临的问题，包括重叠工作过多、技术整合不足、技术集中在上游基因挖掘和菌株构建领域、法规和审批滞后等问题，展望了D-阿洛酮糖产业发展趋势和需要解决的问题。

关键词：D-阿洛酮糖;研究;产业化;进展

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，國际糖尿病联盟（IDF）发布报告称，全球20～79岁的成年人中有9.3%患有糖尿病，即4.63亿人患有糖尿病。另有110万20岁以下的儿童和青少年患有I型糖尿病。据IDF预测，到2030年，将有5.78亿成年人患有糖尿病，到2045年，将有7亿人患有糖尿病。另外，65岁以上的人群中，糖尿病患者占1/5。糖尿病医疗支出占全球健康支出的10%（约7 600亿美元）[1]。随着全球范围内“三高”、肥胖、糖尿病等慢性疾病的发病率逐年增长，人们对健康生活方式和科学的饮食习惯更加重视。2017年国务院办公厅发布的《中国防止慢性病中长期规划》（2017—2025年）中指出，以健康促进和健康管理为手段，到2020年，慢性病导致的过早死亡率较2015年降低10%。积极开展慢病防治是推动由疾病治疗向健康管理转变的重要手段。因此，饮食中糖分的“健康摄取”成为新时代的健康课题。其中，开发和应用D-阿洛酮糖（D-psicose，Psi）、甜菊糖苷、罗汉果甜苷等低热量甜味剂，以代替（或部分代替）蔗糖、葡萄糖、果糖与麦芽糖等传统的高热量甜味剂，是最有效的途径之一。蔗糖是应用最为广泛、用量最大的传统高热量甜味剂，而D-阿洛酮糖是与蔗糖甜度最接近的低热量甜味剂。

目前，全球已有英国泰莱公司、韩国希杰第一制糖株式会社、安德森全球集团和日本松谷化学等企业生产和销售D-阿洛酮糖。我国在此领域起步较晚，近年来也有明显进展。因此，本文就D-阿洛酮糖在我国产业化的进程展开综述。

1 D-阿洛酮糖简介

阿洛酮糖是D-果糖（D-fructose，Fru）C-3位的差向异构体，是一款新型甜味剂，其分子结构如图1所示[2]。

D-阿洛酮糖的甜度约为蔗糖的70%，热量约为蔗糖0.3%[3]。与蔗糖相比，D-阿洛酮糖可同等程度的满足消费者对甜味的味觉需求[4]，容积特性及口感与蔗糖相近，且同样能与食物中的氨基酸或蛋白质发生美拉德反应[5-6]。因此，D-阿洛酮糖在食药行业中是一款蔗糖的替代品。除与蔗糖具有相类似的理化性质外，D-阿洛酮糖还具有保健功效。研究人员发现，D-阿洛酮糖具有控制肥胖和糖尿病的功效，能明显抑制体重的增加和腹部脂肪的堆积[7-9]。另有动物实验表明，D-阿洛酮糖可有效降低试验动物体内脂肪的积累，同时可减少肥胖所引起的其他并发症[10]。在一项针对健康成年人的研究中发现，每天摄入超过6.7%总碳水化合物的D-阿洛酮糖，可明显抑制餐后血糖水平[11]。

2 D-阿洛酮糖产业化涉及领域

D-阿洛酮糖已在国外生产上市，松谷、泰莱、希杰等均有生产销售D-阿洛酮糖。综观D-阿洛酮糖在海外产业化的过程可以看出，该过程涉及技术开发、生产、法规许可等多个环节。

D-阿洛酮糖生产通常是以果糖为底物，在D-阿洛酮糖3-差向异构酶的催化作用下生成[12-14]。整个技术开发过程包括：指导合成D-阿洛酮糖3-差向异构酶所对应的基因挖掘、基因筛选、菌株构建、对应菌株的发酵、D-阿洛酮糖3-差向异构酶的分离纯化、酶制剂加工、酶催化D-果糖转化为D-阿洛酮糖、D-阿洛酮糖的分离纯化与结晶。所涉及的学科包括生物信息学、分子生物学与合成生物学、发酵学、酶工程学、生物分离学、结晶学等，详见图2。

D-阿洛酮糖的生产受多个因素的交叉影响，需要多部门密切配合。除了涉及技术放大外，还涉及一整套工艺方法、运行标准、检测技术、操作流程追踪记录和信息反馈机制的建立，以及供应链、安全、环保等多个环节的协调。一项新技术从实验室到大规模生产的转化速率与相关产业成熟程度密切相关。我国的食品加工企业多为中小型企业，就产业与技术的整合能力、生产运营管理、供应链管理等方面，与国外食品巨头（如松谷、CJ、泰莱）相比，尚有一定差距。

国外在D-阿洛酮糖食用安全性及法规认证方面的工作开展较早。日本学者Shirai等以大鼠做为研究对象[15]，Nishii等[16]以健康狗为研究对象，分别验证D-阿洛酮糖的食用安全性，结果均显示阿洛酮糖无不良影响。此外，希杰第一制糖株式会社在2011年就向美国食品药品监督管理局（FDA）申请了关于D-阿洛酮糖“一般认为安全”（GRAS）认定，该认定于2012年6月得到答复“没有问题”（GRASNoticeNo.GRN000400），认可甜味剂D-阿洛酮糖可作为食品添加剂使用。松谷集团也于2013年向FDA申请其产品D-阿洛酮糖的GRAS认定，并于2014年6月得到“没有问题”的回复（GRASNoticeNo.GRN000498）。该报告总结，人体实验每日摄入31～33 g D-阿洛酮糖无任何副作用的。因此，D-阿洛酮糖被归类为一种常规的碳水化合物替代品，且不会造成任何安全问题。2019年4月，FDA宣布将D-阿洛酮糖排除在“添加糖”“总糖”标签之外，意味着D-阿洛酮糖的使用限制进一步放宽[17]。

2018年，韩国食品药物安全部公布食品标准与规范拟定修改案，其中一条是将D-阿洛酮糖列为一种食品的成分;2020年，韩国发布《酒税法实施令》部分修改草案，其中修改内容包括在可用于酒类的添加材料中添加了D-阿洛酮糖。2019年，日本卫生劳动和福利部批准将D-阿洛酮糖3-差向异构酶列为食品添加剂并制定相应的标准和规范。

在我国，D-阿洛酮糖行政许可、相关法规、申报和制定暂未开始，因此D-阿洛酮糖也无法在国内销售和应用。根据《中华人民共和国食品安全法》和《新食品原料安全性审查管理办法》的有关条例，虽然D-阿洛酮糖已在多个国家广泛使用，在我国申请行政许可至少还需进行急性经口毒性试验、3项遗传毒性试验、28天经口毒性试验等验证。这些实验需花费较长的时间，较大的财力和人力支出，因此各相关开发单位应通力合作。

3 我国D-阿洛酮糖技术开发的进展

近年来，我国在D-阿洛酮糖的研发领域取得了長足的进展。据SooPAT专利搜索网站显示，自2010年以来，我国境内申报的与阿洛酮糖相关的专利呈快速上升趋势，详见图3。其中50%以上的是由CJ、泰莱及松谷旗下的研发团队申请公开，另外不到50%由我国研发单位申请公开。但我国研发单位发表的关于D-阿洛酮糖的文章也呈快速上升趋势。

虽然我国近年来研究D-阿洛酮糖的单位逐年增长，但对阿洛酮糖进行持续性研究，且研究内容涵盖了D-阿洛酮糖产业化技术开发的各关键环节的单位仅有以下几家单位：中粮营养健康研究院陈博团队[18-19]，江南大学食品科学与技术国家重点实验室的江波团队[20-23]，中国科学院天津工业生物技术研究所工业酶国家重点实验室的孙媛霞团队[24-26]，山东百龙创园生物科技股份有限公司的邵先豹团队[27-29]，

上海立足生物科技有限公司[30-32]。虽然也有其他研究单位报道关于D-阿洛酮糖技术开发的研究，如台湾科技大学[33]，西安交通大学[34-35]，以及其他一些企事业单位和科研院所[36-39]，但基本为零敲碎打，并未持续性、系统性的推进。

这些研究单位中，江南大学的研究涵盖基因挖掘和菌株开发[40-42]，酶的固定化[43-44]，D-阿洛酮糖的分离纯化[45-46]。就公布的技术来看，江波团队开发的酶以及酶的表达效果，均不低于国外大公司公布的数据。酶和固定化技术分别用海藻酸钠包埋和聚多巴胺-磁性Fe3O4纳米粒子固定。海藻酸钠结构松软而有弹性，放大生产过程中，若用装柱反应，因自身弹性问题，可能堵死空隙，导致液体无法流动;若用搅拌装置，海藻酸钠球容易磨碎成为絮凝状、可压缩的悬浮物。这种悬浮物因具有可压缩性，后续生产难以过滤;因反应体系中，糖液浓度较高，比重较大，因此悬浮物与溶液的比重差较小，不易通过离心技术除去。因此海藻酸钠包埋技术不易产业化放大。聚多巴胺-磁性Fe3O4纳米粒子因成本较高，产业化也比较困难。该团队公布的分离技术采用了离子交换树脂，这类技术容易投产，易于操作，但缺点是分离效率低，耗水量非常大，后续产品的浓缩过程耗能也较大，会大幅提高成本。总体而言，D-阿洛酮糖技术开发过程中，该团队在上游技术开发中，与国际先进水平基本同步;下游技术成果的产业转化，尚有一定难度。

中粮营养健康研究院和中粮生化对D-阿洛酮糖的研究起步较晚，但发展势头强劲。对D-阿洛酮糖的技术开发呈现全产业链布局，面向放大生产的特点。其技术开发基本涵盖了D-阿洛酮糖产业化的所有环节，包括基因挖掘和菌株开发[47-48]，酶表达菌株的发酵培养[49]，酶的分离纯化和固定化[50]，D-阿洛酮糖的分离纯化[51-53]，D-阿洛酮糖的结晶等环节[54-55]。从公布数据来看，D-阿洛酮糖-3-差向异构酶的转化率和表达水平与国外报道的最先进水平持平。酶的分离是采用低成本，污染小，可放大的技术;固定化采用大孔树脂，硬度高，结构强度较大，耐磨，可以装柱催化反应，也可以在在搅拌装置中反应，产业化前景光明。中粮营养健康研究院对D-阿洛酮糖的分离纯化采用的是模拟移动床技术，分离效率高，水耗少，后续工艺浓缩压力小。对D-阿洛酮糖的结晶也开发了切实可行的工艺。另外，中粮生化有限公司拥有葡萄糖转化为果糖的成熟技术和产业，其技术与果糖转化为D-阿洛酮糖的工艺相近。因此，D-阿洛酮糖在中粮实现产业化同时拥有原料优势和技术整合优势。

百龙创园在D-阿洛酮糖技术开发方面公布的内容较少，除酶的表达及菌体发酵工艺外，基本涉及D-阿洛酮糖技术开发和各个环节，包括酶表达菌株的培养[56-57]、酶促反应和分离[58-59]、结晶[27]以及D-阿洛酮糖的应用[29]。但百龙创园是我国最先生产出D-阿洛酮糖并在海外销售的公司。

上海立足生物科技有限公司对D-阿洛酮糖的研究涉及了酶的开发和应用[60-61]、D-阿洛酮糖的分离纯化[62]、浓缩工工艺[63]以及D-阿洛酮糖的应用[64]，但该公司尚未报道生产销售产品。2018年9月分以来，也未见有新技术开发的报道。

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