D-甘露醇（以下简称“甘露醇”）在临床上常被用于降低眼内压、治疗脑水肿、促进药物和毒物排泄，具有抗氧化保护、调节渗透压和不可代谢等特性。这种常态下呈白色或无色结晶粉末状的有机化合物，可作为药物配方剂、食品添加剂、特种化学品，已广泛应用于功能性食品和制药行业。
目前，全球每年消耗约15万吨甘露醇。近年来，作为功能性糖醇和低热量甜味剂，甘露醇的需求持续增长，推动生产端改进工艺，提升制备效率。“工业绿色低碳转型是大势所趋，生物法合成甘露醇的生产工艺正受到更多关注。”浙江华康药业股份有限公司首席科学家李勉告诉记者。
不久前，李勉团队联合中国工程院院士、浙江工业大学教授郑裕国团队在《生物工程学报》发表论文，对现有微生物法制备甘露醇的方法进行了总结。论文指出，通过对工程菌株的开发、发酵和催化工艺调控策略的深入研究，微生物法有望进一步降低工艺成本，扩大应用范围，让甘露醇生产更经济、更环保。
发酵法：高产菌株、发酵工艺是关键
甘露醇存在于植物、地衣、藻类、真菌和细菌中。出于经济成本考虑，目前市场上销售的甘露醇主要通过化学加氢合成法生产。
郑裕国团队成员、浙江工业大学教授柳志强介绍，化学加氢合成法工艺可靠、原料利用率高，不受地理和季节限制，成本较低，但是副产物山梨醇伴生比例高，甘露醇收率低。由于甘露醇是在高温高压的环境下制备，还可能存在安全风险。
相比化学加氢合成甘露醇，微生物发酵法具有专一性强、转化率高、副产物少、条件温和、原料来源广泛、产物易于分离等特点。
已有研究表明，人工定向选育的优良微生物菌种可将葡萄糖、果糖、蔗糖、甘油等不同底物直接发酵转化为甘露醇，进一步分离精制发酵液可获得甘露醇成品。
“高产菌株和发酵工艺是发酵生产甘露醇的关键。几种异型发酵乳酸菌和木兰假丝酵母是目前研究较多、发酵工艺最成熟的具有商业化生产潜力的菌种。”李勉说。
记者了解到，尽管异型发酵乳酸菌具有较高产量，但发酵时间较长，且发酵过程需添加富含多种营养的辅料，导致培养基成本较高。此外，在异型发酵乳酸菌的发酵过程中，副产物有机酸易积累，增加了产物分离难度，因此在发酵过程中对反应物pH值的精确调控尤为重要。木兰假丝酵母发酵时间通常较异型发酵乳酸菌更长，时空产率相对较低，且发酵过程中甘露醇易被转化，因此需要精确控制温度和pH值，以确保较高的时空产率。
李勉介绍，随着合成生物学技术的发展，未来科学家们有望设计开发新型高效的基因表达调控元件，构建经济高效的甘露醇微生物“细胞工厂”，从而在提高甘露醇产量的同时降低发酵成本。然而，这项工作具有较大的不确定性，且耗时较长，目前降低成本的难度依然较高。
催化法：挖掘高活性酶并实现辅因子再生
除了微生物发酵法，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联反应策略，通过多个连续反应模块直接将淀粉逐步分解成葡萄糖，并以其为底物通过酶催化法生成甘露醇。
酶是一种具有特异性的高效生物催化剂，绝大多数酶是活细胞产生的蛋白质。多数酶催化过程中，需要辅因子的参与。辅因子价格昂贵，在催化过程中属于消耗物。为确保催化的稳定性和效率，科研人员开发了一系列辅因子再生策略。
“在甘露醇脱氢酶催化下，D-果糖可直接转化为甘露醇，该过程就需要辅因子NADH或NADPH的参与。”郑裕国团队成员、浙江工业大学青年骨干教师蔡雪说，微生物催化法中，纯酶催化反应对条件要求较高，不适于大规模生产。相比之下，全细胞催化法反应条件温和、对环境要求不苛刻、产率高、副产物少，是目前较为理想的甘露醇制备方法。
所谓全细胞催化法，是指在微生物细胞的作用下，将某种底物转化成特定产物的过程。相比纯酶催化反应，全细胞催化法可以利用细胞内的辅因子和其他酶与主反应耦合，降低催化剂的成本并且提高生物催化的效率。
“全细胞催化法若想大规模应用，仍需要克服辅因子再生难、反应耗时长等问题。”李勉介绍，要解决反应耗时长的问题，就需要挖掘催化活性更高的酶，优化工程菌的表达系统，以提高酶的表达量和催化效率。
李勉说，总体来看，微生物发酵法和微生物催化法各有优劣。相比较而言，微生物发酵法的操作可能更简单。但是微生物发酵法生产甘露醇需要高性能的底盘细胞和精确的条件控制，而微生物催化法如果工程菌设计得当，其效率和产率相较于微生物发酵法有较大的优势。
D-甘露醇（以下简称“甘露醇”）在临床上常被用于降低眼内压、治疗脑水肿、促进药物和毒物排泄，具有抗氧化保护、调节渗透压和不可代谢等特性。这种常态下呈白色或无色结晶粉末状的有机化合物，可作为药物配方剂、食品添加剂、特种化学品，已广泛应用于功能性食品和制药行业。
目前，全球每年消耗约15万吨甘露醇。近年来，作为功能性糖醇和低热量甜味剂，甘露醇的需求持续增长，推动生产端改进工艺，提升制备效率。“工业绿色低碳转型是大势所趋，生物法合成甘露醇的生产工艺正受到更多关注。”浙江华康药业股份有限公司首席科学家李勉告诉记者。
不久前，李勉团队联合中国工程院院士、浙江工业大学教授郑裕国团队在《生物工程学报》发表论文，对现有微生物法制备甘露醇的方法进行了总结。论文指出，通过对工程菌株的开发、发酵和催化工艺调控策略的深入研究，微生物法有望进一步降低工艺成本，扩大应用范围，让甘露醇生产更经济、更环保。
发酵法：高产菌株、发酵工艺是关键
甘露醇存在于植物、地衣、藻类、真菌和细菌中。出于经济成本考虑，目前市场上销售的甘露醇主要通过化学加氢合成法生产。
郑裕国团队成员、浙江工业大学教授柳志强介绍，化学加氢合成法工艺可靠、原料利用率高，不受地理和季节限制，成本较低，但是副产物山梨醇伴生比例高，甘露醇收率低。由于甘露醇是在高温高压的环境下制备，还可能存在安全风险。
相比化学加氢合成甘露醇，微生物发酵法具有专一性强、转化率高、副产物少、条件温和、原料来源广泛、产物易于分离等特点。
已有研究表明，人工定向选育的优良微生物菌种可将葡萄糖、果糖、蔗糖、甘油等不同底物直接发酵转化为甘露醇，进一步分离精制发酵液可获得甘露醇成品。
“高产菌株和发酵工艺是发酵生产甘露醇的关键。几种异型发酵乳酸菌和木兰假丝酵母是目前研究较多、发酵工艺最成熟的具有商业化生产潜力的菌种。”李勉说。
记者了解到，尽管异型发酵乳酸菌具有较高产量，但发酵时间较长，且发酵过程需添加富含多种营养的辅料，导致培养基成本较高。此外，在异型发酵乳酸菌的发酵过程中，副产物有机酸易积累，增加了产物分离难度，因此在发酵过程中对反应物pH值的精确调控尤为重要。木兰假丝酵母发酵时间通常较异型发酵乳酸菌更长，时空产率相对较低，且发酵过程中甘露醇易被转化，因此需要精确控制温度和pH值，以确保较高的时空产率。
李勉介绍，随着合成生物学技术的发展，未来科学家们有望设计开发新型高效的基因表达调控元件，构建经济高效的甘露醇微生物“细胞工厂”，从而在提高甘露醇产量的同时降低发酵成本。然而，这项工作具有较大的不确定性，且耗时较长，目前降低成本的难度依然较高。
催化法：挖掘高活性酶并实现辅因子再生
除了微生物发酵法，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联反应策略，通过多个连续反应模块直接将淀粉逐步分解成葡萄糖，并以其为底物通过酶催化法生成甘露醇。
酶是一种具有特异性的高效生物催化剂，绝大多数酶是活细胞产生的蛋白质。多数酶催化过程中，需要辅因子的参与。辅因子价格昂贵，在催化过程中属于消耗物。为确保催化的稳定性和效率，科研人员开发了一系列辅因子再生策略。
“在甘露醇脱氢酶催化下，D-果糖可直接转化为甘露醇，该过程就需要辅因子NADH或NADPH的参与。”郑裕国团队成员、浙江工业大学青年骨干教师蔡雪说，微生物催化法中，纯酶催化反应对条件要求较高，不适于大规模生产。相比之下，全细胞催化法反应条件温和、对环境要求不苛刻、产率高、副产物少，是目前较为理想的甘露醇制备方法。
所谓全细胞催化法，是指在微生物细胞的作用下，将某种底物转化成特定产物的过程。相比纯酶催化反应，全细胞催化法可以利用细胞内的辅因子和其他酶与主反应耦合，降低催化剂的成本并且提高生物催化的效率。
“全细胞催化法若想大规模应用，仍需要克服辅因子再生难、反应耗时长等问题。”李勉介绍，要解决反应耗时长的问题，就需要挖掘催化活性更高的酶，优化工程菌的表达系统，以提高酶的表达量和催化效率。
李勉说，总体来看，微生物发酵法和微生物催化法各有优劣。相比较而言，微生物发酵法的操作可能更简单。但是微生物发酵法生产甘露醇需要高性能的底盘细胞和精确的条件控制，而微生物催化法如果工程菌设计得当，其效率和产率相较于微生物发酵法有较大的优势。
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