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1、酶法生产100吨甘露寡糖 项目初步可行性报告2008年7月前 言 随着糖链生物学功能的揭示与认识，糖生物学正成为一个新的科学前沿。继基因工程、蛋白质工程之后，糖工程已成为最引人注目的新生物技术学科。寡糖作为新的生理活性物质，在疾病诊断与防治、营养与保健、植物生长及抗病、畜牧养殖等方面的应用倍受关注，在国际上已经发展成为一个利用基因工程、蛋白质工程、糖工程等现代生物技术手段，并涉及医学、化学、工程等学科，应用于食品、医药、饲料、农业各领域的重要产业。寡糖的开发开辟了许多新的工业应用领域，正使我们在农业、健康、环境等领域的活动能力发生革命。1998年全球的寡糖产量已达13万吨，创造了300亿美元的
2、功能食品市场，100亿美元的功能饲料市场，而寡糖药物更展现了无限商机，寡糖农药、寡糖肥料同样引人注目。寡糖已是全球生物技术产业中突出的亮点。我国具有寡糖产业发展的特色与资源优势，以及在健康、农业、环境等领域压力需求的背景，寡糖将很快在我国形成新的明星产业。甘露寡糖原料资源丰富，功能优异，具有明显的竞争优势，可广泛应用于保健食品、医药、饲料等领域，在寡糖产业中将起到示范作用，具有广阔的市场前景。中国科学院微生物研究所的甘露寡糖项目为：国家 “八五”科技攻关项目、国家 “九五”科技攻关项目、中国科学院重点项目、1999年中国科学院发明奖、2000年国家技术发明奖。已经完成工业化生产试验、开发了新产
3、品，取得了保健食品证书，并启动了系列产品开发计划。一目的意义糖、脂类、蛋白质和核酸是构成有机生物体的四大类化合物。其中糖是一类主要由C、H、O元素组成的化合物，在自然界中分布最广泛，含量最丰富，参与各种生理活动，有着的广谱的化学结构和生物功能。在结构上，糖是由单糖分子组成的长链。若只有一个单糖分子，称之为单糖；若有两个单糖分子，称之为二糖；若有2-10个单糖分子，称之为寡糖；若有更多的分子，称之为多糖。糖在自然界分布极广，我们熟悉的葡萄糖、果糖是单糖；蔗糖、麦芽糖是二糖，属于寡糖范畴；而淀粉、纤维素是多糖。传统意义的寡糖主要是指如麦芽糖、蔗糖、乳糖之类的简单寡糖，是可以被人体分解吸收，是人体不
4、可缺少的能量物质；现在科学家通过化学合成、化学转化、酶法降解及酶法合成等方法得到了一系列新型的寡糖，这些寡糖由于结构上的特殊性而不能被人体消化道的消化酶降解以及被人体吸收利用，所以被称为非吸收性寡糖。但是人们发现这类寡糖在人体肠道中有特异性的促进双歧杆菌机乳酸菌等有益菌群生长的作用，是一类重要的双歧杆菌促生长因子（bifidus factor 简称BF）。双歧杆菌是肠道内重要的原籍菌群，其可以通过营养竞争、粘附位点竞争和产生拮抗物质的方式对诸如产气荚膜杆菌等肠道致病菌有效地抑制，从而维护肠道微生态平衡；并且具有降低肠道pH值，促进肠蠕动，分解有害物质，生产维生素，促进蛋白质吸收和提高人体免疫力
5、的作用。因此，由于能够特异地促生双歧杆菌等有益菌群，非吸收性寡糖是一种良好的肠道保健物质。寡糖的上述作用是作为现有各类保健品原料或辅料的重要原因。然而，这只是寡糖多种功能中的一种，科学家从分子水平了解寡糖链在生命活动中所扮演的调控角色，经过多年来对有机体中寡糖链的研究，取得了令人兴奋的成果。目前，已发现有机体中寡糖的作用有：1）结构功能、稳定功能和保护功能：如维持蛋白结构，保护多肽链不被蛋白酶水解及防止被抗体识别，稳定蛋白质结构，维持组织的结构功能和完整性等。2）毒素受体的功能：许多细菌毒素，植物毒素是以细胞表面特定的寡糖链为受体，并利用这些寡糖作为其进入细胞的途径，如霍乱毒素能极特异地于细胞
6、表面上GM1神经节苷脂结合，流感病毒血凝集素则能特异识别唾液酸及其相关类型。还有一些寡糖链是共生动物肠道病毒和植物根瘤病毒与宿主的结合的介导结构。3）开关和调节功能：蛋白质的糖基化与否和不同形式、程度的糖基化可以决定蛋白质活性的有无和大小。如人b绒毛膜促性激素去糖化后，与受体结合的亲和力没有变化，但失去了传递信号的功能。4）库存功能：发现许多分泌到胞外的生长因子可以被葡萄糖胺链保护性的存储起来靶细胞外的胞外基质中，避免其扩散和被非特异性水解，从而延长其寿命。5）细胞内导向功能：最典型的是甘露糖6磷酸通过与糖结合蛋白的识别、连接将溶酶体酶导向溶酶体的作用。6）介导细胞间识别：如白细胞表面的唾液酸
7、果糖糖链参与了白细胞与内皮细胞、损伤的内皮细胞和激活的血小板或内皮细胞间的识别作用以及哺乳动物的精卵识别。7）调控其它蛋白的活性：如肝素的糖氨聚糖链中的五糖域可以大大提高抗凝血酶III的活性，人工合成的五糖亦验证了这种构效关系。寡糖除了在动物体中有重要功能外，在植物体内及植物与微生物间的互相作用中也发挥重要作用：1）作为信号分子，最为典型的是根瘤菌与其豆科植物宿主间的互相调控；2）激素功能，最为典型的是植物中的寡糖素，在植物抗病机制中，受到微生物感染或诱发物处理后，产生有调节活性的寡糖素，诱导植物合成和积累抗微生物的植物防御素。总之，寡糖链在生物体中的共同特点是介导专一的“识别”和“调控”生物
8、过程的两个作用。在糖蛋白中，蛋白质是生理功能的主要担负者，寡糖链则对蛋白质的功能起到修饰作用，即寡糖链通过其影响蛋白的整体构象来影响蛋白的功能。作为新的生理活性物质，寡糖主要有以下4个方面的应用：寡糖药物、保健食品、饲料添加剂、生化农药等。1保健食品随着食品工业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越注意到饮食对自身健康水平的影响，因而食品消费观念也在逐渐发生变化，目前消费趋势正转向具有合理营养和保健功能的营养健康食品。保健食品（功能食品）的概念也正是在此基础上发展起来的，并已逐渐成为当今世界食品工业发展的新潮流。寡糖具有保健食品的全部属性，被称为第三代保健食品的代表。作为保健食品，寡糖
9、具有促进双歧杆菌增殖、抗龋齿、防肥胖、防止胆固醇积累等功效。特别是随着抗生素（antibiotics）在防治胃肠道感染方面的局限性被越来越多的认识到，人们开始寻找抗生素的替代品。非吸收性寡糖（non-digestable oligosaccharide）是最有前途的益生素（prebiotics），具有抑制肠道致病菌、促进肠蠕动、分解有害物质、产生维生素、促进蛋白质吸收和提高人体免疫力的作用。许多寡糖可有效改善肠道功能，使便秘、腹泻等症状缓解，而且对抑制血糖增高、调节血压和降低血脂以及提高机体免疫力等作用明显。功能食品将是一个市场极大的新型产业。随着科学的进步，人体肠道菌群中结构平衡与人体健康状
10、况的相关性已被认识和接受，维护有益菌群在肠道中的稳定优势和稳定状态是近20年来国内外的重要课题。研究发现，双歧杆菌以及乳杆菌是人体及温血动物肠道内最重要的有益菌。随着年龄增长和饮食结构的变化、疾病发生后各种药物的使用等原因，人体肠道内的双歧杆菌及其有益菌群逐渐减少。特别是经受重大疾病之后，大量的不同种类的药物进入体内（肠道），使这些有益菌生长和发育受到极大阻碍。因此迅速恢复和保持肠道内双歧杆菌的优势状态，对提高机体健康水平及抗衰老等具有重要意义。双歧杆菌对人们健康的功效可总结为四点：a.产生大量醋酸、乳酸，抑制腐败菌、病原菌的生长，形成菌膜屏障，阻止有害菌入侵；b.促进消化吸收；c.合成人体必
11、需维生素；d.分解有害物，提高人体免疫力。根据有关部门对全国15个大中城市的调查，长期或经常食用活菌制剂的被调查对象中，50岁以上者占52，4050岁占30，2040岁占18。因此，对中老年尤为重要的双歧杆菌制剂产品具有广泛的市场基础。双歧杆菌的增殖方法可分为口服活菌制剂和自然增殖两种。90年代以来国内双歧杆菌等活菌制剂产品已创造了很大的市场，自保健食品管理办法1996年颁布实施以来，卫生部已批准的“卫食健字”产品中，具有改善肠道菌群失调功能的活菌制剂产品，主要有三株口服液、昂立一号口服液、乐百氏奶饮料等，1998年销售额已突破百亿元。口服活菌制剂受许多条件限制，存在许多不可逾越的障碍：a.双
12、歧杆菌严格厌氧,易受氧气、PH值、温度等因素影响而死亡，活菌数不能保证；b.无法保证每批产品的理化指标一致，包括菌体的生理状态，菌体活力等；c.活菌通过肠道后，由于消化液的作用，其存活率十分低；d.菌体进入肠道后由于个体差异，无法保证这些外源菌体的存活和繁殖；e.有将抗药或其它有害质粒带入体内的危险。由于活菌制剂的负面影响，美国食品与药品管理局(FDA)未批准活菌制剂产品在美国生产和销售，世界卫生组织(WHO)对原用于治疗儿童腹泻等的表飞鸣、乳酶生等产品已宣布无效而废弃。然而，双歧杆菌在肠道内的自然增殖引起了人们的广泛关注。近年来的研究发现，低聚糖（寡糖）是一种重要的双歧杆菌增殖因子（简称双歧
13、因子），如低聚乳糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖等，一般增殖效果为310倍，同时这种双歧因子还克服了活菌制剂的种种缺陷，因此人们对于低聚糖产品促进肠道菌群结构平衡有益身体健康寄予了厚望。国外的低聚糖市场已有很大发展，据世界卫生组织统计资料显示，世界主要发达国家1998年的低聚糖产量已达到10多万吨，主要应用于保健食品、医药、饲料等方面。日本厚生省批准的特殊功能的机能产品中，低聚糖类产品占半数以上。欧美也已有商品化的低聚糖类保健食品，如比利时的FYOS饮料（果低聚糖），西班牙的SVELTESS、荷兰的Borculo产品等，其市场正在迅速扩大。2寡糖饲料添加剂饲料添加剂是配合饲料的核心，也是
14、促进畜牧养殖与饲料加工业发展的重要因素，而其发展现状依然相当落后。现在使用的激素、抗生素等饲料添加剂，使畜牧养殖业承受着巨大的经济与环境压力，新型饲料添加剂的开发已成为各国发展养殖产业、提高国际竞争力的重要发展战略。寡糖作为促进消化吸收、防止便秘、促进生长发育等的生理活性物质，同时具有刺激动物非特异性免疫、凝集并抑制致病菌等作用，可起到饲用抗生素的作用，在动物营养与保健方面的应用，前景无限，为饲料加工业的发展注入了新的活力。从目前的研究看，寡糖对动物体主要有以下作用：1），促进动物生长2），防治腹泻3），增强动物免疫力，提高动物的抗病能力4），减少粪便及粪便中氨气等腐败物质的量5），提高动物对
15、营养物质的吸收率6），降低血清胆固醇7），通便等因此寡糖的应用，极有利于动物的安全养殖，至今已经用于饲料添加剂的寡糖品种有果寡糖，异麦芽寡糖，木寡糖，半乳寡糖，酵母甘露寡糖等，通过对牛，猪，鸡，兔等喂养试验表明，饲料中添加0.1-0.5的寡糖，一般可使动物增重6-13%，同时提高了饲料利用率，降低了有害物的排放。甘露寡糖直接作为饲料添加剂具有有效剂量低、生理作用明显的特点，对于动物增重及抗病效果特别突出，初步试验表明，饲料中添加0.01-0.05半乳甘露寡糖，动物增重效果优于其他寡糖品种，可以起到抗生素、激素等多重功能，同时，其原料资源非常丰富，且尚待开发。我国目前生产的饲料添加剂品种主要为仿
16、制产品，至今仍是氨基酸、维生素、矿物元素、抗生素、防虫防霉剂等的概念，缺乏创造性的研究领域。而由于饲用抗生素超标问题的逐渐突出，我国的饲料加工与畜牧养殖面临着严峻的挑战。因此，作为我国的创新产品，甘露寡糖的开发及其在饲料中的应用，可创造可观的经济及社会效益，并将带动一个全新寡糖饲料行业的发展，将使我国的饲料工业发生革命性的变化，对于促进我国饲料加工业的发展、缓解畜牧养殖业的经济与环境压力具有重要意义。3,寡糖药物等：寡糖与许多疾病的病理过程密切相关。无论是在基本的生命过程中，如受精、发生、发育、分化、神经系统、免疫系统恒态维持方面，还是在疾病的发生、发展中，如炎症及自身免疫疾病、老化、癌细胞异常增生及转移、
