D-阿洛酮糖：食品工业中新一代的潜在大宗甜味剂

《Journal of Agricultural and Food Chemistry》：d-Allulose: A New Generation of Potential Bulk Sweeteners in the Food Industry

d-Allulose作为低热量甜味剂的研究进展及其工业化挑战。

　　

糖是食品工业中最重要的、不可或缺的成分之一。2024年，全球糖的总产量达到了1.879亿吨。然而，与糖代谢相关的慢性疾病（如肥胖、糖尿病和心血管疾病）的发病率正在上升。这促使消费者寻找能够平衡口感、营养和功能的健康甜味剂。过去一个世纪以来，先进生物技术的发展促进了高果糖玉米糖浆（HFCS）的工业化生产，这种淀粉糖产品是最大的甜味剂之一，与蔗糖竞争激烈。不过，HFCS的热量含量与蔗糖相当，过量摄入可能带来健康风险。因此，低热量的功能性糖预计将成为新一代具有商业价值的甜味剂。

d-阿洛酮糖是d-果糖的C-3位异构体，天然存在于某些植物中（如Itea和小麦），但含量极低。它的甜度约为蔗糖的70%，但热量仅为其10%左右，因此是一个很有前景的替代品。d-阿洛酮糖具有多种健康益处，包括降血糖、降血脂、抗炎和神经保护作用。此外，它还能通过美拉德反应改善凝胶性能和风味，使其在食品加工中的应用范围比非还原性糖醇更广。在美国，关于在食品中使用d-阿洛酮糖的GRAS（一般公认安全）认证最早可追溯到2012年；2019年，FDA将其从“添加糖”标签中移除，这凸显了其巨大的市场潜力。d-阿洛酮糖已在包括加拿大、日本、韩国、澳大利亚、新西兰和新加坡在内的多个国家获得批准。欧盟的相关法规早已出台，但最近由于申请人未回应欧洲食品安全局（EFSA）要求提供额外数据，其安全性尚未得到最终确认。多家全球供应商（如Ingredion、Tate & Lyle、Apura Ingredients和Vivion Inc.）已推出d-阿洛酮糖产品，使其成为甜味剂市场中的成熟成分。在中国，d-阿洛酮糖于2025年7月正式被批准作为新型食品成分，超过10家国内企业正在推进其工业化生产。

d-阿洛酮糖最经典的制备方法是利用酮糖3-异构酶（KEase）催化d-果糖的C-3位异构化反应。1993年，Izumori等人从Pseudomonas cichorii ST-24菌株中首次分离出这种酶。目前，已从多种微生物中鉴定出30多种KEase，其中至少8种的晶体结构已被阐明，从而深入理解了它们的结构与功能关系。蛋白质工程成为提高KEase工业应用可行性的关键研究方向。研究人员采用了多种理性设计、半理性设计和定向进化策略来改进KEase的性能，优化参数包括比活性、最佳温度和耐酸性。最近，Li等人开发了一种基于生物传感器的高通量微滴筛选方法，并结合结构导向的理性设计和定向进化，将Sinorhizobium fredii KEase的催化效率提高了17倍。(1)目前，该酶的最高比活性可达1,015 U/mg（针对d-果糖），(2)远高于其他醛糖异构酶或酮糖异构酶。极高的活性是其工业应用的关键特性。耐热性也是工业应用的重要要求。通过对P.cichorii KEase进行半理性亚基表面工程，其耐热性得到了提升，T₅₀²⁰值从67°C提高到了88°C。(3)

高效表达对于实现d-阿洛酮糖的工业化生产至关重要。研究人员采用了多种转录或翻译调控策略来增强KEase的表达水平，(4)最高表达活性可达4,971.5 U/mL。(2)由于这种高表达水平，d-阿洛酮糖的生物技术生产成本已降至相对较低的水平。尽管针对提高KEase操作稳定性的固定化研究很多，但其工业应用仍落后于固定化d-葡萄糖异构酶。据我们所知，目前尚未有商业上可行的固定化KEase被应用于d-阿洛酮糖的工业生产过程中。

KEase可催化d-果糖与d-阿洛酮糖之间的可逆异构化反应，转化率约为30%。d-阿洛酮糖的工业分离通常依赖模拟移动床（SMB）色谱法，但这会增加初始投资。最近，一些策略被开发出来以克服KEase催化异构化反应的热力学限制。其中一种方法是氧化还原反应介导的转化：首先用KEase将d-果糖异构化为d-阿洛酮糖，再通过核糖醇脱氢酶（RDH）将其还原为阿洛醇，最后由阿洛醇脱氢酶（ADH）将其氧化回d-阿洛酮糖。Zhang等人设计了一种基于蛋白酶的可编程开关系统，在工程改造的大肠杆菌中实现KEase和RDH的分别控制，从而实现阿洛醇合成的关闭和d-阿洛酮糖生产的开启。通过两步精细调控的 fed-batch 培养，最终从d-果糖中获得了190.7 g/L的d-阿洛酮糖，转化率为95.4%。(5)

另一种基于热力学的方法是磷酸化-去磷酸化酶级联反应。淀粉可作为底物，通过无ATP的α-葡聚糖磷酸酶（αGP）生成d-葡萄糖-1-磷酸（G1P），再经磷酸葡糖变位酶（PGM）转化为d-葡萄糖-6-磷酸（G6P），随后通过磷酸葡糖异构酶（PGI）异构化为d-果糖-6-磷酸（F6P），最后由A6P异构酶（APE）异构化为d-阿洛酮糖-6-磷酸（A6P），再由A6P磷酸酶（APP）去磷酸化得到d-阿洛酮糖。这种体外多酶级联系统从10 g/L和50 g/L的淀粉中分别获得了88.2%和79.2%的产率。(6) G6P和F6P是微生物中的常见代谢中间体。该级联反应可引入工程菌株中，通过fed-batch培养从廉价甘油或葡萄糖生产d-阿洛酮糖。(7)然而，目前公开报道的产率仍远未达到工业化的经济可行性。

事实上，中国法规已批准两种商业生产d-阿洛酮糖的生物方法：一种是利用KEase从d-果糖进行酶法生产，另一种是通过代谢工程菌株从d-葡萄糖进行微生物合成。MicroCyto公司是唯一获准通过微生物合成d-阿洛酮糖的公司，具有高产率和低成本，但其具体合成途径尚未公开。不过其专利中提出了一种核苷糖基生物合成路径：d-葡萄糖 → d-果糖 → F6P → UDP-d-果糖 → UDP-d-阿洛酮糖 → d-阿洛酮糖。(8)

d-阿洛酮糖已从实验室研究迅速发展为一种具有商业可行性和全球分销能力的功能性甜味剂。其安全性和多种健康益处已得到充分验证。随着工业化进程的推进，主要供应商已实现大规模生产，中国企业也在积极扩大生产规模。尽管如此，目前从d-果糖出发的酶法生产仍受热力学限制，导致产率较低、分离成本较高。新兴的生物技术策略（如微生物细胞工厂的代谢工程和热力学驱动的酶级联反应）为提高产率、降低生产成本以及利用更便宜的底物（如d-葡萄糖或甘油）提供了可行方案。蛋白质工程、酶表达优化和固定化技术的进步进一步提升了大规模可持续生产的可行性。随着消费者对低热量、健康促进型甜味剂需求的增长，d-阿洛酮糖代表了新一代甜味剂，结合了科技创新、法规批准、工业可扩展性和市场潜力，为未来功能性糖的发展和食品工业的应用开辟了新途径。