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你有没有想过，如果有一种既甜又健康、还不容易长胖的糖，那该多好？如今，科学家们真的从植物中发现了这样的“天然超级甜味剂”，而且他们还找到了一种特别的量产方法——用酵母来“造糖”。
“人工VS天然”：
甜味剂最好还是天然的
我们都知道，吃太多糖有损身体健康，比如容易长胖、得糖尿病，还可能损害牙齿。但甜味是人类最喜欢的味觉之一，很多人离不开它。为了满足人们对甜味的需求，同时又减少糖的摄入，科学家们一直在寻找更健康的甜味剂。
目前已经有一些人工合成的甜味剂，比如阿斯巴甜、糖精钠等，它们的甜度很高，热量却很低。然而，这些人工甜味剂的安全性一直受到质疑，很多人担心它们可能会对身体产生不良影响。相比之下，天然的甜味剂更受欢迎。
甜味剂的分类 表格来源：作者整理
科学家们发现，甜茶苷（rubusoside）和莱鲍迪苷（rebaudiosides）是两种非常有潜力的天然甜味剂。这两种甜味剂都来自植物，甜茶苷主要存在于中国甜茶中，而莱鲍迪苷则来自甜叶菊。它们都是天然的甜味剂，符合人们对健康食品的需求。
展开剩余85%甜茶苷的甜度是蔗糖的 114 倍，而莱鲍迪苷的甜度更是高达蔗糖的 200-350 倍。这些甜味剂几乎不含热量，非常适合减肥人士和糖尿病患者食用。对于那些既想享受甜味又想控制热量摄入的人来说，这无疑是一个巨大的福音。这些甜味剂还具有其他优点，部分莱鲍迪苷的甜味更加纯粹，没有传统人工甜味剂常见的苦涩余味。这使得它们在口感上更加接近蔗糖，能够为消费者提供更好的食用体验。
不过，天然甜味剂在自然界中的含量很低，主要存在于植物中，传统的提取方法不仅成本高，而且对环境不友好，产量也很有限。为了解决这个问题，科学家们尝试了一种新方法：用酵母来合成这些甜味剂。
搭建“酵母工厂”：
为合成天然甜味剂寻找最佳工具
科学家们选择了一种常见的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为“工厂”，通过基因工程的手段，让酵母能够生产甜茶苷和莱鲍迪苷。
酵母是一种单细胞真菌，广泛存在于自然界中。它们不仅在酿酒、烘焙等传统食品工业中有着悠久的应用历史，而且在现代生物技术中也扮演着重要角色。酵母之所以能成为生产甜味剂的“工厂”，主要有以下几个原因：
1.基因组简单
酵母的基因组相对简单，科学家可以通过基因工程手段，精准地改造它们的代谢途径，让它们生产出特定的物质。这种精准性就像在微观世界里进行一场精密的手术，每一个基因的修改都可能带来巨大的变化。
2.生长速度快
酵母在合适的条件下能够快速繁殖，使得其能够在较短时间内实现产物的高效积累。想象一下，一个小小的酵母细胞在适宜的温度、营养条件下，几天内就能繁殖成千上万倍，这种强大的繁殖能力为大规模生产提供了可能。
3.代谢途径丰富
酵母本身的代谢途径非常复杂且灵活，科学家可以通过调整这些途径，引入新的代谢功能。就像一个拥有多个环节、不同功能生产线的工厂，只要调整生产线的流程，就能生产出不同的产品。
4.安全可靠
酵母被认为是“公认安全”（Generally Recognized As Safe, GRAS）的微生物，这意味着它们在食品生产和工业应用中相对安全。人们食用酵母制品已经有几千年的历史，这为酵母作为生产工具的应用提供了坚实的基础。
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化身“工厂负责人”：
保证甜味剂的正常生产与增量
制造天然甜味剂的过程就像搭建一条复杂的生产线。如何生产出甜味剂？如何提高甜味剂的产量？这需要科学家们运用专业知识，通过增加生产线、调动高效劳动力等一系列操作，才能保证工厂的正常运行。
1.搭建生产线，构建代谢途径
科学家将甜味剂的合成途径分解成几个模块，逐步引入酵母中。例如，他们将生产甜茶苷所需的多个基因，如贝壳杉烯合成酶 kaurene synthase (KS)、对映-贝壳杉烯氧化酶 ent-kaurene oxidase(KO)、异贝壳杉烯酸 13α-羟化酶 kaurenoic acid 13α-hydroxylase(KAH)等，整合到酵母的基因组中，形成一个完整的代谢网络。这就像在酵母这个“工厂”里搭建一条新的生产线，每一个基因都代表着一个生产环节，只有将这些环节全部打通，才能最终生产出甜茶苷和莱鲍迪苷。
2.升级设备，减少代谢产物积累
在生产过程中，科学家们发现了一些限制甜味剂产量的“瓶颈”，比如某些酶的活性不足或代谢中间产物的积累对酵母有毒性。科学家们通过蛋白融合和截短策略，提高 P450s 酶的催化效率，从而减少代谢中间产物的积累，提高甜味剂的产量。这就像对生产线上的关键设备进行技术升级，对整个生产流程进行优化，减少浪费，让它们能够更高效地完成任务。
3.增设排污系统，提高酵母适应性
甜味剂的积累可能会对酵母产生毒性，影响其生长。科学家们发现了一种主动运输机制——可以将甜味剂排出酵母细胞，减少了对酵母的伤害，同时也有助于提高甜味剂的产量。这就像在工厂里安装了排污系统，及时排出有害物质，保证工厂的正常运行。
4.调动高效劳动力，集中资源提高产量
通过计算机模拟和实验验证，科学家们找到了一些关键的代谢节点，通过调整这些节点的代谢流量，表达某些基因，增加关键酶的数量和活性，从而提高甜味剂的产量。这些“关键酶”如同生产线上的高效工人，让整个生产效率得到提升。通过基因敲除，减少与甜味剂生产竞争的代谢途径，让更多的资源流向甜味剂的合成途径，就像在工厂里关闭一些不重要的生产线，把资源集中到主要的产品生产上。
从实验室走向市场：
为消费者提供更多甜味选择
目前，利用酵母生产甜茶苷和莱鲍迪苷的研究已经取得了显著的成果。在实验室规模的发酵实验中，科学家们已经能够生产出高浓度的甜味剂。通过优化酵母的代谢网络和工程化 P450s 酶，甜茶苷的产量已经达到了 1368.6 mg/L，莱鲍迪苷的产量也达到了 132.7 mg/L。这些成果表明，酵母生产甜味剂的技术已经从实验室走向了产业化。一些公司已经开始利用这种技术进行大规模生产。
此外，科学家们还在不断探索和优化生产过程。例如，通过进一步的基因工程改造和发酵工艺优化，甜味剂的产量和纯度都在不断提高。同时，研究人员也在开发新的甜味剂品种，以满足不同消费者的需求。
甜蜜的未来：
“绿色工厂”还将持续推广
这项研究的成果令人兴奋。科学家们不仅成功地用酵母生产了甜茶苷和莱鲍迪苷，还为未来大规模生产这些甜味剂奠定了基础。这项研究的意义不仅在于它为低热量甜味剂的生产提供了一种新的方法，更在于它展示了酵母作为一种“绿色工厂”的巨大潜力。这意味着，我们有望在市场上看到更多健康的甜味剂产品。
更重要的是，这种方法还可以应用于其他天然产物的生产，比如药物、香料等。酵母作为一种“绿色工厂”，可以为我们提供更多可持续的、环保的生产方式。未来，我们可能会看到更多由酵母生产的健康、环保的产品，不仅能改善我们的生活质量，还能减少我们对传统农业和工业的依赖。想象一下，一个由微小酵母细胞构成的巨大“绿色工厂”，在可持续的资源利用下，为我们生产出各种各样的必需品，这将是多么令人兴奋的场景。
所以，下次当你享受一块低热量的甜点时，也许应该感谢这些小小的酵母，它们正在为我们的健康和甜蜜生活努力工作！
参考文献
[1]Xu, Y., Wang, X., Zhang, C. et al. De novo biosynthesis of rubusoside and rebaudiosides in engineered yeasts. Nat Commun 13, 3040 (2022).
[2]Yang, T. et al. Hydrophobic recognition allows the glycosyltransferase UGT76G1 to catalyze its substrate in two orientations. Nat. Commun. 10,3214 (2019).
[3]Zhang, Y. et al. Efficient biocatalytic preparation of rebaudioside KA: highly selective glycosylation coupled with UDPG regeneration. Sci. Rep. 10, 6230(2020).
[4]K B W ,Christin A M ,ChristophB , et al. Metabolic effects of the natural sweeteners xylitoland erythritol: A comprehensive review.[J].Critical reviews in food science and nutrition,2020,60(12):1986-1998.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨李卓洋 中国科学院青岛生物能源与过程研究所
监制丨中国科普博览
责编丨一诺
审校丨徐来、林林
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