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甘油葡糖苷(GG) 研究发展50年

来源:国际个人护理品生产商情 发布时间:2022-06-15 1424
食品饮料及个护个人护理品原料配料加工生产设备包装设备及材料其他 配料:配制/测试
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本文进行了精简梳理,力争有助于本领域读者快速了解本文主要内容。

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物制造工程中心以“Biological sources, metabolism, and production of glucosylglycerols, a group of natural glucosides of biotechnological interest”为题,在生物技术领域杂志《Biotechnology Advances》发表综述文章。文章对GG近50年来的研究发展历程进行了系统综述(图1),从GG的生物来源、遗传基础、代谢调控机制、活性功能以及生产技术和市场现状进行了详细阐述,对GG研究中仍然存在的科学问题进行了梳理,并对GG产业未来发展方向进行了展望。

这里我们对该文进行了精简梳理,力争有助于本领域读者快速了解本文主要内容。

甘油葡萄糖苷(Glucosylglycerol,简称GG)是自然界中天然存在的一类异糖苷类活性小分子,可由多种绿色植物(如百合、重生草)、藻类(如多种蓝藻)及部分异养微生物合成,在生命体抵抗、适应逆境环境中发挥重要作用。由于其良好的生物相容性、对生物大分子的稳定性、高保湿性、非致龋性及潜在的保健及治疗功效,GG在化妆品、酶制剂、食品工业及医药领域具有巨大应用潜力。

GG由1个葡萄糖分子和1个甘油分子经糖苷键连接而成,其糖苷键可以建立在葡萄糖的C1位羟基和甘油的任意一位羟基之间。自然界中已发现的GG及衍生物,根据糖苷键构象不同,可分为α构型和β构型(简称为α-GG、β-GG,图2)。两种构型GG化合物在自然界中的分布,各有特点。


1.来源与发现


1.1在高等植物中发现GG


天然GG最早由日本科学家在高等植物中发现。1974年,Kaneda和同事在对麝香百合的叶/茎提取物的分析中,第一次发现了两种由葡萄糖和甘油为主要成分的无色化合物,即β-GG(百合苷B)和它的乙酰化衍生物(百合苷A),含量约为0.1-0.6%。此后,具有不同结构的β-GG及衍生物陆续在多种百合植物中发现,包含了日本百合、卷丹百合、岷江百合、金百合在内的一些种类。GG化合物不仅存在于百合的花、茎、叶等地上部分,也存在于根、鳞茎等地下部分。一般来说,地上部分GG含量高于地下部分,含量约为后者10-100倍。对于GG及其衍生物在这些植物中的生理功能,目前人们仍然知之甚少。一般认为,它们可能在植物抵御病原侵袭、防止紫外/高光伤害等方面发挥作用。

除百合植物外,β-GG也在极度耐旱植物密罗木(又称不死草、重生草)中发现,可能在这类植物的耐旱过程中发挥重要作用。

1.2在蓝藻和其它微生物中发现GG


除上述高等植物外,GG也在很多微生物(尤其是蓝藻)中被作为相容性物质而合成。相容性物质是微生物在遇到高盐环境时,在细胞内合成的一类具有优良水溶性及生物相容性的小分子化合物。它们对于平衡细胞渗透压、保护生物大分子功能、维持细胞生长具有重要作用。很多具有一定耐盐能力的蓝藻都能合成GG来适应高盐环境,包括了来自颤藻、聚球藻、集胞藻、螺旋藻等种类。除了上述光合藻类外,一些异养微生物(如假单胞菌、红细菌)也能够合成GG。与高等植物不同,微生物合成的GG均为α构型(即α-GG),其合成受环境因素(主要为高盐)诱导。

在非诱导条件下,微生物细胞内不会积累GG;当环境中盐度升高时, GG合成过程被激活,细胞开始在体内迅速合成并积累GG,帮助细胞抵抗逆境;而当外部盐度条件降低时,细胞则通过降解或分泌的方式减少体内GG含量,实现对新环境的适应。

1.3发酵食品中发现GG


2000年,日本辰马本家公司在对日本清酒成分的分析中发现了三种α-GG异构体(总含量约为0.5%),这是人们第一次在发酵食品中发现GG。此外,在另外两种日本发酵食品——味噌、甜米酒中,人们同样也发现了GG的存在,其含量约为0.1-0.5%。与植物、微生物在细胞内合成GG不同,这些发酵食品中的GG是非细胞催化的结果。研究者认为,这一过程与酒曲的使用密切相关,即来自曲霉的α-葡萄糖苷酶在在食品发酵过程中催化了甘油(来自酵母)的糖基化,从而形成GG。



图1. GG研究发展历程简图


2. GG的生物合成与降解

2.1 GG的生物合成
2.1.1催化GG合成的GGPS-GGPP途径


在对蓝藻GG的研究中,人们已经清楚揭示了GG合成的深层机理,主要是通过GGPS-GGPP途径实现(图3)。GGPS、GGPP分别为GG-磷酸合成酶和GG-磷酸磷酸化酶。GGPS首先催化ADP-葡萄糖和甘油-3-磷酸合成GG-3-磷酸,然后GGPP催化GG-3-磷酸水解,生成GG。随着基因组测序及分析技术的普及,GGPS-GGPP途径已在多种蓝藻和其它细菌中发现,是微生物合成GG的主要方式。

图2. 自然界中发现的代表性GG及其衍生物(图片来自原文)


2.1.2催化GG合成的GH途径


糖苷水解酶(GH)是一类能够催化糖苷键水解的酶,它们广泛分布于自然界生命体中,在多种生理过程中发挥着重要作用。除了上述GGPS-GGPP途径,也有学者报道了利用不同生物来源的GH,在体外系统中催化GG的合成(图4)。这些GH包括了如α-葡萄糖苷酶、环糊精葡糖基转移酶、蔗糖磷酸化酶、淀粉蔗糖酶、曲二糖磷酸化酶、GG磷酸化酶、β-葡萄糖苷酶等,部分GH已被成功用于GG的工业化生产。例如,德国的Bitop公司与奥地利格拉茨技术大学学者合作,成功开发了基于蔗糖磷酸化酶的GG酶法合成工艺,首次实现了GG的规模化生产,GG的商业化应用之路也由此开启。


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图3. GGPS-GGPP途径(图片来自原文)


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图4. GH途径(图片来自原文)


2.2 GG的生物降解


与GG的生物合成相比,目前人们对于GG的生物降解研究相对有限。直到近期,来自荷兰、德国和我国的学者通过生理、生化实验,证明了蓝藻中GG降解途径的存在,找到了相关的基因及其工作方式。在蓝藻中,GG的降解由gghA基因负责,它编码一个被称为GG水解酶(GghA)的蛋白。该蛋白能够将GG水解为葡萄糖和甘油。利用这一途径,蓝藻细胞能够根据外界环境变化,精细地调节细胞内GG含量,保证细胞适应外界不断变化的盐度环境。

3. GG在微生物中的代谢调控

在微生物中,GG作为一种临时性的相容性分子而被合成,其主要作用是帮助细胞适应环境盐度的变化。可以想象,要想快速而高效地适应这种环境变化,微生物细胞必须根据具体环境条件对细胞代谢过程和生理状态进行及时调整。国内外学者经过多年研究,已经清楚揭示了蓝藻细胞中GG代谢的调控方式。在蓝藻中,GG代谢调控可以在两个水平上进行(图5):(1)基因表达水平,当环境盐度升高时,细胞感受到这种信号,提升体内GG合成相关基因的表达水平,从而促进GG的合成代谢;(2)酶学水平,当细胞遇到高盐环境时,升高的离子浓度能在细胞内快速激活GG合成酶,使其处于高活性状态,开启GG的合成,与此同时GG降解酶的活性被明显抑制,二者效应叠加在一起则表现出胞内GG的快速积累。在酶学水平上的调控是蓝藻调节GG代谢的主要方式,这种调控策略保证了细胞能够及时、快速地适应环境盐度变化。


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图5. 蓝藻体内GG代谢调控示意图(图片来自原文)


4. GG的工业生产

如上所述,利用不同来源及性质的糖苷水解酶(GH),国内外已有多个研究组实现了GG的酶法催化合成,这些方法在催化条件、催化效率、产品结构特异性方面各有不同。2010年前后,德国Bitop公司研究人员与奥地利格拉茨技术大学学者合作,成功开发了基于蔗糖磷酸化酶的GG酶法催化合成技术。该技术利用价格便宜的蔗糖和甘油作为原料,一步催化转化为α-GG产品,当时可实现数百公斤/年的GG产能,建立了第一代GG规模化量产技术。

蓝藻是一类能进行光合作用的绿色细胞,鉴于部分蓝藻具有高效的GG合成能力,利用蓝藻作为细胞工厂,开发蓝藻GG合成技术,具有一定的潜力。基于该策略的GG产品将具有天然来源的特点,符合部分客户和市场对天然来源产品的需求。在多种产生GG的蓝藻中,螺旋藻凭借其生长速度快、培养条件简单易行、营养价值高等优势,已在世界各地被成功大规模商业化养殖并用于营养食品等的生产。最近,中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物制造工程中心成功开发了具有完全自主知识产权的螺旋藻GG先进生物制造技术——SCGP(SmartCyano Glucosylglycerol Polygeneration Technology),该技术通过蓝藻规模化培养、细胞无损伤提取等技术,实现了纯度>99%的α-GG的工业化生产。基于该技术,由该研究团队创立的生物高新技术企业——青岛中科蓝智生物科技发展有限公司建立了第二代GG规模化生产技术,推动了GG应用生产技术的进一步发展。


5. 应用与市场

作为“同一产品多领域、同一领域多功效”的成分新星,GG在化妆品、食品、保健品、医药等领域都展现着广阔的应用前景。

5.1 化妆品领域


在化妆品领域,GG一直被用作保湿剂添加到面膜、保湿水、乳液等护理产品中,近年来国际市场上含GG产品的数量处于快速上升趋势。在护肤方面,除了上述优异的保湿功效,GG还具有抗皱、舒缓等多重生理功效。

中科蓝智公司最近的一项研究表明,GG可以促进血管内皮细胞生长因子VEGF的表达。毛发的生长与脱落取决于毛囊微循环,其与毛囊周围血管形成密切相关,血管内的生长因子VEGF发挥关键性作用。研究人员推测,GG通过促进细胞内VEGF的表达,可能一定程度上起到促进毛发生长的作用。因此,GG在洗发、护发产品中也具有一定应用潜力。

5.2 食品及其他领域


基于一项志愿者味觉测试结果,GG的甜度是大约为蔗糖的一半(55%)。尽管具有一定的甜度,但GG不会像其它糖类一样引起口腔细菌的产酸作用。这些结果暗示GG还可能作为一种非致龋性的糖类,用于食品添加过程。事实上,日本清酒中大约0.5%的GG含量,已起到了口感提升的效果。

随着功效研究的深入,GG在抗炎舒敏、降血糖、营养神经细胞等方面的功效还在不断挖掘, GG在保健品、医药等领域的潜在应用也将得到扩展。

6. 总结

从上世纪70年代在百合植物中首次发现至今,有关GG合成、功能、生产及应用的研究持续受到学术及产业界关注,人们对GG的研究已从“化合物发现”、“合成机理解析”发展到“活性功能鉴定”、“合成/分离技术开发”阶段。目前,通过“生物酶法催化合成”和“微藻细胞无损提取”两种技术,业界已能实现GG的工业化生产,两种方法均可达到数吨至数十吨/年的生产规模。目前,GG主要作为保湿剂用于化妆品生产中。近年来,GG市场需求快速增长,本领域迫切需要继续深化GG功能研究,开发GG应用领域及场景,从化妆品领域向食品、保健品以及医药等领域拓展,更大程度地提高GG应用范围。


原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S073497502200060X?via%3Dihub


文/ 李新 秦小玉
供稿 青岛中科蓝智生物科技发展有限公司


来源:荣格-《国际个人护理品生产商情》

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