甘蔗基蔗糖高附加值利用的研究進(jìn)展*

田朝玉，楊建剛，朱玥明，孫媛霞

(中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，工業(yè)酶國家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

0 引言

食糖是食品工業(yè)的主要原材料，又是居民生活的消費(fèi)必需品。我國是世界上第三大產(chǎn)糖國，僅次于巴西和印度，蔗糖占食糖總量的90%以上。甘蔗是蔗糖的主要原材料，廣西是全國甘蔗種植大省，種植面積和產(chǎn)糖量均占全國的60%左右。然而，受適蔗土地資源及環(huán)境氣候制約，與國際甘蔗種植相比，我國甘蔗生產(chǎn)集約化程度低，導(dǎo)致食糖成本高，平均每年進(jìn)口蔗糖量占需求總量三分之一左右，且由于國際蔗糖到岸價(jià)格低廉，嚴(yán)重沖擊國內(nèi)市場，制約甘蔗制糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。蔗糖產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，因此發(fā)展高附加值產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)技術(shù)，提高甘蔗及其副產(chǎn)品的資源化利用水平具有重要意義。近年來，越來越多研究聚焦采用生物催化和微生物發(fā)酵技術(shù)轉(zhuǎn)化蔗糖以及糖蜜，研制有機(jī)酸、新型低熱量功能糖/糖苷、功能氨基酸等高附加值產(chǎn)品，提升產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，為甘蔗制糖產(chǎn)業(yè)新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)開辟路徑。

1 甘蔗基蔗糖精制及各組分利用

甘蔗精制工業(yè)過程中，需要先將成熟的甘蔗物理加工提取蔗汁。甘蔗汁具有天然的營養(yǎng)、功能及風(fēng)味成分，是制備風(fēng)味糖漿的天然原料，而甘蔗糖漿已經(jīng)用于雞尾酒調(diào)制、食品加工等領(lǐng)域[1]。將蔗汁加熱、沉淀、過濾，以除去非糖物質(zhì)并降低蔗汁的黏度、色度，獲得清汁，然后經(jīng)過蒸發(fā)濃縮和熬煮就可以制成糖膏，同時(shí)伴有蔗糖晶體的形成。將晶粒和母液分離，晶粒經(jīng)干燥可制得高純度的精制紅糖和白糖產(chǎn)品。此外，蔗糖精制過程中會(huì)產(chǎn)生大量糖蜜，糖蜜通常呈深褐色，黏度較高且流動(dòng)性較差，含有大量蔗糖和少量葡萄糖、果糖。

甘蔗精制蔗糖除廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域外，還可以作為原料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。近年來，隨著生物信息學(xué)、合成生物學(xué)、生物催化和微生物發(fā)酵等學(xué)科理論和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，已有眾多報(bào)道利用蔗糖制備精細(xì)化學(xué)品、功能糖及其衍生物、天然產(chǎn)物等，在食品、醫(yī)藥、化工領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。所采用關(guān)鍵技術(shù)主要分為兩大類：生物催化轉(zhuǎn)化技術(shù)和微生物發(fā)酵技術(shù)。

2 甘蔗基蔗糖的生物催化轉(zhuǎn)化技術(shù)

生物催化技術(shù)即采用篩選獲得的酶元件或者含有酶元件的細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化蔗糖合成目標(biāo)產(chǎn)品，該方法具有操作簡便、環(huán)境友好、轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)物易于分離等優(yōu)點(diǎn)。自然界中廣泛存在多種對蔗糖進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化的酶元件，根據(jù)BRENDA數(shù)據(jù)庫(https://www.brenda-enzymes.org/)記錄信息，直接參與蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶類有14種(表1)，已經(jīng)被表征的酶催化元件不少于500種，這些關(guān)鍵元件的獲取為蔗糖生物轉(zhuǎn)化利用合成高附加值產(chǎn)品提供基礎(chǔ)。

表1 蔗糖利用相關(guān)酶匯總

Table 1 Summary of enzymes related to sucrose utilization

酶EnzymeEC號EC No.催化反應(yīng)Reaction來源SourceUNIPROT文獻(xiàn)ReferenceLevansucrase2.4.1.10Sucrose+ [fructofuranosyl]n glucopyranoside= glucose+ [fructofuranosyl]n+1 glucopyranosideRahnella aquatilisO54435[2]Sucrose synthase2.4.1.13Sucrose+UDP=UDPglucose+fructoseArabidopsis thalianaP49040[3]Sucrosephosphate syn-thase2.4.1.14UDPglucose+fructose 6phosphate=UDP+sucrose 6phosphateOryza sativaA2WYE9[4]Alternansucrase2.4.1.140[glcglc]n+2sucrose=[glcglc]n+2+2fructofuranoseLeuconostoc mesenteroidesQ9RE05[5]Sucrose 6phosphate phosphorylase2.4.1.329Sucrose 6phosphate+phosphate=glucose1phosphate+fructose 6phosphateThermoanaerobacteri-um thermosaccharolyticumD9TT09[6]Sucrose phosphorylase2.4.1.7Sucrose+phosphate=fructose+glucose 1phos-phateBifidobacterium ado-lescentisQ84HQ2[7]Amylosucrase2.4.1.4Sucrose+[(14)glucosyl]n=fructose+[(14)glucosyl]n+1Neisseria polysacchareaQ9ZEU2[8]Dextransucrase2.4.1.5Sucrose+[(16)glucosyl]n=fructose+[(16)glucosyl]n+1Neisseria polysaccharea-[9]Raffinose synthase2.4.1.82Sucrose+galactinol=raffinose+inositolArabidopsis thalianaQ9FND9[10]Inulosucrase2.4.1.9Sucrose+[fructosyl]n=glucose+[fructosyl]n+1Lactobacillus reuteriQ8GP32[11]Sucrose:Sucrose fructosyl-transferase2.4.1.992sucrose=glucose+ fructofuranosylfructo-furanosylglucopyranosideFestuca arundinaceaQ9FSV7[12]Loliose synthase2.4.1.B1UDPgalactose+sucrose= UDP+lolioseLolium perenne-[13]Sucrosephosphate phos-phatase3.1.3.24Sucrose 6phosphate +H2O= sucrose+phos-phateZea maysQ9FQ11[14]Isomaltulose synthase5.4.99.11Sucrose=isomaltulose synthaseEnterobacter sp.FMB1B5ABD8[15]

蔗糖是由一分子葡萄糖和一分子果糖組成，因此采用生物催化技術(shù)利用蔗糖原料制備高附加值產(chǎn)品主要圍繞這兩種組分展開。針對蔗糖分子中果糖組分，開發(fā)最為成熟的技術(shù)是利用果糖轉(zhuǎn)移酶直接轉(zhuǎn)化蔗糖制備低聚果糖[16]。低聚果糖已被證實(shí)具有超強(qiáng)雙歧因子和水溶性膳食纖維的雙生理學(xué)特性，是目前研究較多、應(yīng)用范圍較廣的益生元之一，在乳制品、飲料、糖果、面包、果凍等食品加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，全國平均每年產(chǎn)能超過萬噸；通過篩選新型菊糖果糖轉(zhuǎn)移酶，還可以獲得雙果糖酐[17]等新型低聚果糖組分。此外，將果糖基轉(zhuǎn)移酶催化蔗糖分解產(chǎn)生的果糖基轉(zhuǎn)移至乳糖還原末端，進(jìn)而形成低聚乳果糖，是目前工業(yè)上制備低聚乳果糖的主要方法[18]。低聚乳果糖因其優(yōu)良的加工特性和生理功能，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域，可以部分替代蔗糖。

蔗糖分子中的葡萄糖組分可以轉(zhuǎn)化為glucose 1-phosphate (G1P)和UDP-glucose (UDPG)兩種糖激活態(tài)中間體。前體G1P經(jīng)糖苷轉(zhuǎn)移酶實(shí)現(xiàn)功能寡糖及其衍生物的生物合成，例如來源于Leuconostocmesenteroides的蔗糖磷酸化酶催化蔗糖和甘油合成甘油葡萄糖苷[19]，該化合物是非洲神奇沙漠植物“不死草”密羅木的主要活性成分，具有高耐熱性、低吸濕性、高持水性、抗氧化性，可作為化妝品原料。蔗糖磷酸化酶還實(shí)現(xiàn)了葡萄糖基轉(zhuǎn)移合成稀有寡糖曲二糖[20]、葡萄糖基阿洛酮糖[21]、葡萄糖基丙二醇[22]等產(chǎn)物；此外，蔗糖磷酸化酶還可以與葡聚糖磷酸化酶偶聯(lián)制備合成淀粉，應(yīng)用于制備可降解生物材料。蔗糖合成酶常用于天然產(chǎn)物的糖基化修飾，它可以催化蔗糖和UDP合成UDPG、果糖。Dai等[23]設(shè)計(jì)由蔗糖合成酶和糖基轉(zhuǎn)移酶組成的雙酶體系，實(shí)現(xiàn)新型人參皂苷Rh2和F12的生物制備，同時(shí)解決UDPG在天然產(chǎn)物糖基化修飾中的成本問題，具有潛在的應(yīng)用前景。另外，蔗糖也可以作為全組分生物利用合成一些功能糖產(chǎn)物，最近研究發(fā)現(xiàn)淀粉蔗糖酶和蔗糖異構(gòu)酶可催化蔗糖分子異構(gòu)合成松二糖、海藻酮糖等產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化率為40%-90%[24]。

由于蔗糖具有多個(gè)羥基，其經(jīng)脂肪酶催化可以與有機(jī)酸反應(yīng)形成蔗糖酯[25-26]，后者可充當(dāng)抗菌劑、乳化劑使用并已應(yīng)用于食品、紡織等行業(yè)中[27]。此外，也有學(xué)者報(bào)道使用蛋白酶催化蔗糖酯的合成，而且效率更高。例如使用來源于Bacilluslicheniformis的protease可用于合成蔗糖丙烯酸酯，經(jīng)24 h反應(yīng)后可以轉(zhuǎn)化90%的蔗糖[28]；王治丹[29]使用蛋白酶N合成蔗糖甲基丙烯酸酯，后者可在海藻酸鈉水溶液中形成凝膠，用作藥物緩釋劑參與潰瘍的治療。

上述生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)大都采用單酶或者雙酶圍繞蔗糖開展高附加值利用研究，主要集中在糖苷轉(zhuǎn)移、異構(gòu)和酯化等幾類反應(yīng)，造成產(chǎn)品種類受限。隨著生物信息學(xué)和合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的酶催化元件和合成途徑被精準(zhǔn)解析，基于酶元件設(shè)計(jì)和構(gòu)建復(fù)雜的體外合成途徑，對實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性利用轉(zhuǎn)化和獲得結(jié)構(gòu)多樣性的產(chǎn)品具有重要意義。因此，相關(guān)研究組合氧化還原、異構(gòu)、脫磷酸、核苷化以及糖苷轉(zhuǎn)移等生化反應(yīng)，構(gòu)筑熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的多酶級聯(lián)催化技術(shù)，轉(zhuǎn)化蔗糖合成高附加值產(chǎn)物。例如，Zhong等[30]構(gòu)建由嗜熱物種來源的蔗糖磷酸化酶、葡萄糖磷酸變位酶、肌醇1-磷酸合成酶和肌醇單磷酸酶組成的四酶反應(yīng)體系，基于纖維素結(jié)合蛋白構(gòu)建蛋白復(fù)合體，解決反應(yīng)體系中酶最適溫度不匹配問題，實(shí)現(xiàn)蔗糖的高效轉(zhuǎn)化合成肌醇，得率達(dá)到0.98 mol/mol。Tian等[31]基于核苷化、異構(gòu)和轉(zhuǎn)苷反應(yīng)構(gòu)建多酶催化體系，篩選來源于擬南芥(Arabidopisisthaliana)和大腸桿菌(Escherichiacoli)的蔗糖合成酶、UDP-葡萄糖4-差向異構(gòu)酶、肌醇半乳糖合成酶、棉子糖合成酶和水蘇糖合成酶，構(gòu)建多酶反應(yīng)體系；為解決級聯(lián)催化過程中酶穩(wěn)定性差和催化效率不匹配問題，優(yōu)化酶使用量和底物濃度，采用分步級聯(lián)和循環(huán)轉(zhuǎn)化方式，成功轉(zhuǎn)化蔗糖合成肌醇半乳糖、棉子糖和水蘇糖3種寡糖，其中棉子糖產(chǎn)量達(dá)到128 g/L，為大豆寡糖的制備提供一種新的合成路線，后期可通過酶分子改造提供關(guān)鍵酶的熱穩(wěn)定性和催化活性，從而提升工業(yè)化應(yīng)用潛力。同時(shí)，多酶催化體系中還可以集成乙?；?、脫水、氨基化等生化反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化蔗糖制備更多種類的高附加值產(chǎn)品(表2)。

表2 蔗糖的生物催化轉(zhuǎn)化利用

Table 2 Utilization of sugarcane-based sucrose through biocatalytic conversion

酶Enzyme產(chǎn)物Products產(chǎn)量/轉(zhuǎn)化率Production/Yield文獻(xiàn)Reference果糖基轉(zhuǎn)移酶Fructosyl transferase低聚果糖FOS57%[16]果糖基轉(zhuǎn)移酶Fructosyl transferase低聚乳果糖LOS224 g/L[18]蔗糖磷酸化酶Sucrose phosphorylase葡萄糖甘油Glucosyl glycerol203 g/L[19]蔗糖磷酸化酶Sucrose phosphorylase曲二糖Kojibiose104.45 g/L[20]

續(xù)表2

Continued table 2

酶Enzyme產(chǎn)物Products產(chǎn)量/轉(zhuǎn)化率Production/Yield文獻(xiàn)Reference蔗糖磷酸化酶、塔格糖3差向異構(gòu)酶Sucrose phosphorylase,tagatose 3epimerase葡萄糖基阿洛酮糖Glucosylalluloside—[21]淀粉蔗糖酶Amylosucrase松二糖Turanose43.4%[24]淀粉蔗糖酶Amylosucrase海藻糖Trehalose81%[24]脂肪酶Lipase肉桂酸蔗糖酯Cinnamate sucrose ester-[25]蛋白酶Protease蔗糖丙烯酸酯Sucrose acrylate esters90%[28]蛋白酶Proteinase N蔗糖甲基丙烯酸酯Sucrose metharylate22.15%[29]菊粉蔗糖酶、菊粉果糖轉(zhuǎn)移酶Inulosucrase,inulin fructotransferase雙果糖酐Difructose dianhydride115 g/L[17]蔗糖合成酶、UDP糖基轉(zhuǎn)移酶Sucrose synthase,UDPglycosyltransferaseF123.98 g/L[23]蔗糖磷酸化酶、葡萄糖磷酸變位酶、肌醇1磷酸合成酶、肌醇單磷酸磷酸酶Sucrose phosphorylase,phosphoglucomutase,inositol 1phosphate syn-thase,and inositol monophosphatase肌醇Inositol89.2 g/L[30]蔗糖合成酶、UDP葡萄糖4差向異構(gòu)酶、肌醇半乳糖合成酶、棉子糖合成酶、水蘇糖合成酶Sucrose synthase,UDPglucose 4epimerase,galactinol synthase,raffinose synthase and stachyose synthase棉子糖Raffinose128 g/L[31]

3 甘蔗基蔗糖的微生物發(fā)酵技術(shù)

許多天然微生物具有代謝蔗糖的途徑。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要分為兩種，即磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸轉(zhuǎn)移酶式(PEP-PTS) 和非磷酸轉(zhuǎn)移酶式(非PTS)[32-33]。在PEP-PTS體系中，磷酸烯醇丙酮酸作為磷酸鹽供體可以將蔗糖磷酸化并攝入細(xì)胞中，所得的蔗糖6-磷酸將被水解為葡萄糖-6-磷酸和果糖；在非PTS體系中，蔗糖由蔗糖透過酶泵入胞內(nèi)，隨后被蔗糖水解酶分解成葡萄糖和果糖，或者被磷酸化酶水解成葡萄糖-1-磷酸和果糖。相比之下，非PTS體系所需的組件更少，也比PEP-PTS更簡單。自然界中，并不是所有的微生物都能高效地?cái)z入蔗糖，有的菌株甚至完全不能利用蔗糖，這是因?yàn)橛械木隂]有蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)酶，蔗糖無法進(jìn)入胞內(nèi)。相關(guān)研究報(bào)道通過在工業(yè)菌株中引入蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，利用蔗糖合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)[34]。

蔗糖在微生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生長所需的能量ATP和中間代謝產(chǎn)物，或者轉(zhuǎn)化為次級代謝產(chǎn)物。近年來，隨著生物工程技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者們對宿主細(xì)胞的合成代謝途徑進(jìn)行重構(gòu)，引入各種蔗糖外源高效轉(zhuǎn)化和利用的元件，成功創(chuàng)建一系列細(xì)胞工廠，可以高效地將蔗糖轉(zhuǎn)化為多種精細(xì)物質(zhì)(表3)。

3.1 化學(xué)品

近年來相關(guān)研究報(bào)道采用蔗糖作為原料，通過菌株改造，發(fā)酵法合成葡萄糖二酸[35]、丁醇[36]等化學(xué)品，尤其是Xin等[37]以克雷伯氏菌為出發(fā)菌株，嘗試用葡萄糖、甘油、木糖和蔗糖4種廉價(jià)碳源合成2,3-丁二醇，研究發(fā)現(xiàn)采用蔗糖發(fā)酵時(shí)，2,3-丁二醇產(chǎn)量最高達(dá)到119.4 g/L，產(chǎn)率為2.18 g·L-1·h-1。

3.2 氨基酸及其衍生物

當(dāng)前已有研究報(bào)道采用經(jīng)代謝工程改造的谷氨酸棒桿菌Corynebacteriumglutamicum發(fā)酵蔗糖合成賴氨酸和谷氨酸。例如Kiefer等[38]比較葡萄糖、果糖和蔗糖發(fā)酵對賴氨酸合成的影響，采用葡萄糖發(fā)酵的賴氨酸產(chǎn)物得率(C-mol/C-mol)比蔗糖高8%，但是在菌株中增強(qiáng)果糖1,6-二磷酸酶的表達(dá)強(qiáng)度后，蔗糖發(fā)酵獲得賴氨酸和谷氨酸的得率提高近3倍，證實(shí)果糖1,6-二磷酸酶在蔗糖發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸和谷氨酸中起到關(guān)鍵作用。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)遺傳操作的干酪乳桿菌Lactobacillussakei發(fā)酵含有蔗糖的米糠抽提液培養(yǎng)基，可將12%的谷氨酸全部轉(zhuǎn)化為γ-氨基丁酸，產(chǎn)量達(dá)到68.1 g/L，轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，并實(shí)現(xiàn)5 000 L的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力[39]。

3.3 功能單糖及糖醇

蔗糖經(jīng)蔗糖酶水解之后生成葡萄糖和果糖，后者可經(jīng)全細(xì)胞催化轉(zhuǎn)化合成功能單糖及糖醇。Yang等[40]設(shè)計(jì)基于蔗糖酶和阿洛酮糖3-差向異構(gòu)酶的轉(zhuǎn)化路線，篩選來源于嗜熱菌株Thermotogamaritima的蔗糖酶和類芽孢菌屬Paenibacillussenegalensis的阿洛酮糖3-差向異構(gòu)酶，構(gòu)建食品級表達(dá)體系，采用全細(xì)胞固定化方法，分級轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)蔗糖轉(zhuǎn)化合成阿洛酮糖，生產(chǎn)效率達(dá)到18.6 g·L-1·h-1。除此之外，蔗糖酶水解蔗糖為葡萄糖和果糖后，甘露醇脫氫酶可催化果糖轉(zhuǎn)化為甘露醇。相關(guān)研究采用來源于植物乳桿菌Lactobacillusplantarum的蔗糖酶和布氏乳桿菌Lactobacillusbuchneri的甘露醇脫氫酶，構(gòu)建雙酶共表達(dá)菌株，優(yōu)化發(fā)酵條件，甘露醇產(chǎn)量達(dá)到45.19 g/L，轉(zhuǎn)化率為37.66%，與乳酸菌直接發(fā)酵蔗糖生產(chǎn)甘露醇相比，產(chǎn)量提高6倍[41]。

3.4 功能寡糖

蔗糖還可用于發(fā)酵合成功能寡糖及其衍生物。Yun等[42]將Aureobasidiumpullulans細(xì)胞固定化，采用半連續(xù)發(fā)酵的方法將蔗糖轉(zhuǎn)化為低聚果糖，并且經(jīng)過循環(huán)使用60次后仍不影響轉(zhuǎn)化效果；Roenneke等[43]通過對谷氨酸棒桿菌的代謝通路重構(gòu)，轉(zhuǎn)化蔗糖合成甘油葡萄糖苷，通過優(yōu)化供體、氮源限制等因素，將甘油葡萄糖(α-GG)的產(chǎn)量提升至2 g/L。

3.5 多糖

研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌[44-45]可以發(fā)酵蔗糖合成Levan果聚糖， Levan果聚糖具有抗腫瘤、免疫調(diào)控、抗感染等作用，還可以作為血漿的替代品。張麗姣等[46]篩選獲得一株解淀粉芽孢桿菌PB6，可發(fā)酵蔗糖合成胞外多糖，通過單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化發(fā)酵條件，果聚糖產(chǎn)量達(dá)到104 g/L；隨后研究者對所獲得果聚糖進(jìn)行乙?；⒒酋；土蛩峄揎?，發(fā)現(xiàn)經(jīng)化學(xué)修飾后，產(chǎn)物的抗氧化性和抗腫瘤活性與未經(jīng)修飾的果聚糖相比顯著提高。除果聚糖，土壤農(nóng)桿菌屬Agrobacterium還可以發(fā)酵蔗糖合成凝膠多糖，產(chǎn)量達(dá)到60 g/L，已經(jīng)被美國FDA于1996年準(zhǔn)許將其作為食品穩(wěn)定劑、增稠劑用于食品配料中[47]。Letisse等[48]使用XanthomonascampestrisATCC13951以蔗糖為唯一碳源進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)黃原膠，轉(zhuǎn)化率可達(dá)60%。黃原膠主要由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸構(gòu)成，由于具有很強(qiáng)的親水性和保濕性，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。

4 甘蔗糖蜜的高附加值利用

甘蔗糖蜜又叫桔水。作為一種甘蔗精制工業(yè)副產(chǎn)物，由于其含有大量糖類，常常直接用作飼料使用[49]；與此同時(shí)，糖蜜還可以用作發(fā)酵培養(yǎng)基或輔料，目前報(bào)道最為廣泛的是釀酒酵母發(fā)酵糖蜜生產(chǎn)生物乙醇[50-51]。除此之外，微生物法發(fā)酵糖蜜還用于合成其他大宗化學(xué)品(表3)，有效降低原料成本。例如Liu等[52]使用Actinobacillussuccinogenes厭氧發(fā)酵糖蜜生產(chǎn)丁二酸，發(fā)酵60 h，產(chǎn)量達(dá)到50.6 g/L；后經(jīng)發(fā)酵優(yōu)化，丁二酸的產(chǎn)量和產(chǎn)率進(jìn)一步提高，最終產(chǎn)量為55.2 g/L；Chen等[53]采用工程E.coliKJ122發(fā)酵也達(dá)到類似的產(chǎn)量。野生型Lactobacillusdelbrueckii經(jīng)紫外誘變后，具有較強(qiáng)的蔗糖糖蜜耐受性和乳酸生產(chǎn)能力，且乳酸的產(chǎn)量與糖蜜的添加量密切相關(guān)，當(dāng)糖蜜添加到190 g/L時(shí)，乳酸的產(chǎn)量達(dá)到166 g/L[54]。聚羥基丁酸(PHB)是一類可降解生物材料，在工業(yè)上具有廣泛應(yīng)用前景，然而目前發(fā)酵生產(chǎn)PHB原料成本占據(jù)總成本50%。Akaraonye等[55]采用BacilluscereusSPV發(fā)酵蔗糖糖蜜生產(chǎn)PHB，產(chǎn)量為4.0 g/L，占細(xì)胞干重的60%以上。此外，也有利用糖蜜生成丁酸[56]、檸檬酸[57]的報(bào)道。

除發(fā)酵糖蜜生產(chǎn)大宗化學(xué)品，也有相關(guān)研究報(bào)道利用糖蜜制備功能性碳水化合物。Yang等[40]成功利用蔗糖糖蜜合成阿洛酮糖，產(chǎn)量達(dá)到61.2 g/L。Cazetta等[58]以糖蜜為底物，利用菌株Zymomonasmobilis發(fā)酵合成山梨醇，在35℃、常壓下可合成得到13.9 g/L產(chǎn)物。該法使用的底物成本更低，因而優(yōu)勢更加明顯。此外，Keshk等[59]嘗試?yán)梦⑸锇l(fā)酵糖蜜生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，通過對發(fā)酵菌株篩選，得到一株最優(yōu)產(chǎn)纖維素菌株AcetobacterxylinumIFO 13772，在培養(yǎng)基中發(fā)酵7 d，可以獲得173.7 mg/L纖維素。另外，陳軍等[60]采用硫酸-熱處理糖蜜，更適合于纖維素的合成，使用紅茶菌發(fā)酵可以制備12.0 g/L細(xì)菌纖維素。

表3 蔗糖及糖蜜的微生物發(fā)酵利用

Table 3 Utilization of sugarcane-based sucrose and molasses through microbial fermentation

菌株Strains產(chǎn)物Products產(chǎn)量Production(g/L)文獻(xiàn)ReferenceE.coli WPolyhydroxyalkanoate,PHA113[34]E.coli葡糖二酸dglucaric acid1.42[35]Clostridium tyrobutyricum丁醇nButanol16[36]Klebsiella sp.丁二醇2,3butanediol119.4[37]Corynebacterium glutamicum賴氨酸Lysine2.66[38]Lactobacillus sakeiγ氨基丁酸γaminobutyric acid68.1[39]Corynebacterium glutamicum阿洛酮糖Allulose225[40]E.coli甘露醇Mannitol45.2[41]Aureobasidium pullulans低聚果糖FOS-[42]Corynebacterium glutamicum甘油葡萄糖αglucosylglycerol,αGG2.0[43]Bacillus amyloliquefaciens果聚糖Levan104[46]Agrobacterium sp.凝膠多糖Curdlan60[47]Xanthomonas campestris ATCC13951黃原膠Xanthan gum25[48]Actinobacillus succinogenes丁二酸Succinic acid55.2[52]Lactobacillus delbrueckii乳酸Lactic acid 166[54]Bacillus cereus SPVPoly (3hydroxybutyrate),PHB4.0[55]Clostridium tyrobutyricum丁酸Butyric acid55.2[56]Aspergillus niger GCMC7檸檬酸Citric acid106.7[57]Zymomonas mobilis山梨醇Sorbitol13.9[58]Acetobacter xylinum IFO 13772纖維素Bacterial cellulose12.0[60]

5 展望

盡管甘蔗基蔗糖生物轉(zhuǎn)化利用合成高附加值產(chǎn)品取得顯著成績，但是依然有若干方向亟待突破。首先，當(dāng)前生物催化技術(shù)大都只利用蔗糖中的葡萄糖或者果糖組分，造成碳原子浪費(fèi)，今后研究中可組合兩種或者多種酶催化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蔗糖的全組分利用，提高碳原子經(jīng)濟(jì)性；其次，當(dāng)前使用糖蜜發(fā)酵會(huì)大幅度降低生產(chǎn)成本，但是由于其成分復(fù)雜，與蔗糖發(fā)酵相比產(chǎn)物產(chǎn)量通常較低，且前期需要復(fù)雜的處理工藝，成本高，后續(xù)研究中可篩選一些耐高鹽、耐高滲、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的酶催化元件或者微生物，直接發(fā)酵糖蜜制備目標(biāo)產(chǎn)品；再次，盡管蔗糖生物轉(zhuǎn)化利用獲得多種附加值產(chǎn)品，但是其市場潛能尚未完全開發(fā)，后期研究中可探索和宣傳已開發(fā)產(chǎn)品的生理功能，提升市場認(rèn)可，促進(jìn)蔗糖產(chǎn)業(yè)升級。