聚焦天然,盘点那些可通过生物合成获得的功能性原料
时间:2019-07-22
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关键词: 盘点那些可通过生物合成获得的功能性原料

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微生物发酵让自然界很多生物种类突破“种植”和“养殖”的界限,包括地域、气候、水质、运输等条件,为各种食品、化工、生物原料打开了新的大门。从酵母发酵生产微生物蛋白、氨基酸等营养元素,到无乳糖乳以及素食肉等食品,微生物发酵让很多不可能成为可能。在当下天然、清洁标签盛行的趋势下,发酵以安全、天然、纯净的方式满足了消费者和生产商的诉求,于此同时越来越多的消费者已经意识到由发酵产生的某些活性成分具有明显的健康益处,尤其是在以功能性为宣称的产品市场上,发酵为市场的显著增长带去了源源不断的动力。

 

γ-氨基丁酸(GABA)

γ-氨基丁酸又称为GABA,是广泛存在于动植物体中的一种非蛋白组成氨基酸,是机体中枢神经系统中重要的抑制性神经递质。大量研究表明,GABA能补充人体抑制性神经递质,发挥镇静神经、抗焦虑、促进睡眠、降低血压的作用。日本研究发现,神经组织中GABA降低与癫痫病、Huntington疾病、老年痴呆等神经衰败症形成有关。近年的研究表明,GABA对防止皮肤老化、消除氨毒、改善脂质代谢、帮助减肥具有生理功效。

 

GABA生产方法主要有化学合成和生物合成法。但前者制备的GABA在工艺中使用危险溶剂,因此不能用于食品,也不能认为是一种天然的食品添加剂。相比之下,生物合成是一种既安全又成本低廉的方法。早期的生物合成GABA以大肠杆菌为发酵菌,若应用于食品开发,大肠杆菌显然存在安全性问题。随着绿色食品的开发,一些含有谷氨酸脱羧酶的酵母菌、曲霉、乳酸菌等已逐渐取代大肠杆菌,在GABA类功能食品、保健食品中得到商业化应用。2009年原国家卫生部发布的第12号公告将GABA列入新资源食品目录中,允许其作为新资源食品。

 

甜菊糖

甜菊糖是天然存在于甜叶菊叶片中的一类糖苷类化合物,其甜度是蔗糖的250-450倍,热量却仅为蔗糖的1/300,摄入后不被人体吸收,也不产生热量,是糖尿病和肥胖患者的理想选择,因此,甜菊糖也被认为是代糖市场的一种新型功能性甜味剂。但天然甜菊糖苷中的M苷(即Reb M)和D苷(Reb D)在叶片中含量极低,这无疑会增大提取过程的难度和成本,限制其更广泛的应用。

 

近两年,通过发酵方式成为甜菊糖苷进一步商业化的解决方案。在该领域,美国SweeGen公司的Reb M 95%甜菊糖苷就是通过基因酵母生物合成。其特点是采用了专有酵母含有的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶等其它多种酶对葡萄糖进行多梯次反应,进而合成高纯度的Reb M。2018年,嘉吉(Cargill)宣布通过面包酵母发酵获得了大量的EverSweetTM, 实现了Reb M和Reb D可持续的商业化生产模式。在同年芝加哥举办的IFT18国际食品技术协会上,荷兰帝斯曼(Royal DSM)在其非人工甜味剂品牌Avansya下推出Reb M,这是一款由酵母发酵产生的零卡甜菊糖苷,声称拥有纯净的味道。

 

燕窝酸(SA)

燕窝酸又名唾液酸,因在传统美食燕窝中含量高达10%,故名燕窝酸。作为一种神经氨酸,其广泛存在于动物组织和微生物中,帮助组成细胞膜蛋白结构,也是母乳低聚糖的重要组分之一。科学研究表明,燕窝酸能有效促进神经、上皮和免疫细胞的发育和功能修复,帮助提高免疫力、促进智力发育,同时滋补养颜、延缓衰老。

 

作为一种新兴的功能性成分,燕窝酸在婴幼食品、保健食品、滋补食品以及化妆品领域广受青睐。虽然很多食品中都含有燕窝酸,但是含量却极低。中国科学院联合嘉必优(武汉)生物科技采用大肠杆菌发酵,生产了一种安全优质、性质稳定、纯度精良的燕窝酸新食品原料,为燕窝酸更广泛的市场应用提供了商业价值。

 

大麻二酚(CBD)

千百年来,大麻的药用特性已在全球范围内得到广泛应用,这归功于其功能性成分大麻素——四氢大麻酚(THC)和大麻二酚(CBD)。在一些国家,某些大麻素配方已被批准作为处方药来治疗一系列人类疾病,但是大麻素的研究和药用一直受到大麻的法律程序的阻碍。在已知的几十种大麻素中,几乎所有的大麻素含量都很低,而且它们的结构复杂,限制了大量的化学合成。

为改变这一点,科学家试图建立一种生物合成方法,利用几种途径基因的杂乱性来产生大麻素类似物。最近发表在《Nature》的一项由美国加州大学伯克利分校的科学家开展的最新研究,成功利用基因工程改造菌发酵制备THC 和CBD。据悉,研究团队先从大麻植物中提取THC和CBD目的基因,然后将它们导入到酿酒细胞中,酵母经过在含有所需的营养成分的培养基中生长时,就会产生大麻素类似物。根据研究,采用生物合成方法不仅降低了生产成本,而且减少了大麻种植带来的高环境足迹效应。

 

β-胡萝卜素

β-胡萝卜素作为类胡萝卜素的一种,不仅在食品着色方面应用广泛,基于类胡萝卜素普遍的抗氧化作用,β-胡萝卜素作为抗氧化剂在医药保健、化妆品、婴幼配方食品等领域也十分受欢迎。研究发现,β-胡萝卜素除可以用于维生素缺乏以外,在提高机体免疫力、促进眼睛健康、预防癌症、对抗心血管疾病、延缓衰老等方面也潜力巨大。在天然、清洁标签的驱动下,市场对β-胡萝卜素的需求早已转向天然来源。

 

受原料含量、气候、产地、运输、提取工艺复杂等条件限制,植物提取已不能满足时下需求激增的消费者市场,而发酵为天然β-胡萝卜素开辟了新的途径。采用培养真菌、酵母菌代谢积累β-胡萝卜素,不仅不受环境条件限制,而且低成本、高安全性、强着色力的优势受到国内外追捧。目前,最常用的β-胡萝卜素生产菌株有克拉克须霉菌、三孢布拉霉菌和红酵母。国内发酵法供应企业主要有武汉星辰、嘉必优、湖北世力达等。

 

虾青素

与β-胡萝卜素一样,虾青素也是类胡萝卜素的一种,但其抗氧化性却是β-胡萝卜素的10倍,维生素E的550倍,因此虾青素被包装为保健食品在市场发售。产品声称主要涉及抗衰、保护眼睛、防辐射、防癌、预防心血管疾病等。

 

目前,虾青素生产方法包括合成、提取和发酵法。其中发酵法主要通过藻类和酵母生产,如培养雨生红球藻、裸藻以及法夫酵母、深红酵母、粘红酵母。近期,由以色列生物技术初创公司NextFerm最新推出了一款酵母源虾青素,与藻类来源虾青素相比,其采用“集群发酵工艺技术”,因而产量更高,且没有虾青素本来不悦的气味和低利用率限制,在微型结构上也略微不同,有利于帮助机体快速吸收,提高生物利用度,可广泛应用于食品、饮料、糖果以及各种预混料中。

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NextFerm酵母虾青素

 

胶原蛋白肽

与胶原蛋白相比,胶原蛋白肽是胶原蛋白水解后分子量更小的肽类混合物,因此在生物利用度、抗氧化、增强免疫、延缓衰老、促进骨骼形成等方面就有更强的生物活性。由于胶原蛋白肽的特殊功能,胶原蛋白肽已广泛应用于食品、医药、个护、生物合成等领域。

 

胶原蛋白肽的获取一般采用酶解猪皮、鱼皮、牛骨、海参等动物组织,而某些微生物生长过程中自身会分泌一些酶系,在人工培养条件下若能控制好培养条件,则可以利用微生物自身的酶解发酵作用制备胶原蛋白肽,整个过程操作简单且天然安全。

 

目前市场中已有一些胶原蛋白肽以发酵为卖点,以美容护理领域最为突出。比如,2018年国内非常火爆的B365发酵胶原蛋白肽,以野生鳕鱼鱼皮为原料,通过专利菌株二次生物发酵制得平均分子量≤1000道尔顿的发酵胶原蛋白肽,与传统2000-5000道尔顿的胶原蛋白肽相比,吸收力提升200%以上,且无任何代谢负担。再如天津尚美化妆品公司推出的酵母发酵产物胶原蛋白肽,声称不仅能提供营养性能,而且作为皮肤介质具有保湿、提亮肤色、美白淡斑、防晒保护等作用。

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B365发酵胶原蛋白肽

 

透明质酸(HA)

在日本享有“白金”之称的透明质酸,是世界公认的理想天然保湿因子,也是目前高档化妆品、发用制品中用量最大的品种。日本早在20世界90年代就用于美容食品中,以增加人体内HA的合成,提高皮肤HA含量,令皮肤保持水润光泽富有弹性。利用微生物法发酵透明质酸的优点早已被得到证实,如生产规模不受动物原料限制、发酵液中透明质酸以游离态存在,易于分离纯化、成本低,易于规模化生产、无动物源致病危险因素等。目前,发酵法生产透明质酸已是工业化生产的主流,且主要以链球菌、乳酸球菌为生产用菌。国内具有一定生产规模的生产企业主要有山东福瑞达、华熙生物、上海昊海等,且产品畅销海内外。

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