你有沒有想過，如果有一種既甜又健康、還不容易長胖的糖，那該多好？如今，科學家們真的從植物中發現了這樣的“天然超級甜味劑”，而且他們還找到了一種特別的量產方法——用酵母來“造糖”。

“人工VS天然”：

甜味劑最好還是天然的

我們都知道，吃太多糖有損身體健康，比如容易長胖、得糖尿病，還可能損害牙齒。但甜味是人類最喜歡的味覺之一，很多人離不開它。為了滿足人們對甜味的需求，同時又減少糖的攝入，科學家們一直在尋找更健康的甜味劑。

目前已經有一些人工合成的甜味劑，比如阿斯巴甜、糖精鈉等，它們的甜度很高，熱量卻很低。然而，這些人工甜味劑的安全性一直受到質疑，很多人擔心它們可能會對身體產生不良影響。相比之下，天然的甜味劑更受歡迎。

甜味劑的分類 表格來源：作者整理

科學家們發現，甜茶苷（rubusoside）和萊鮑迪苷（rebaudiosides）是兩種非常有潛力的天然甜味劑。這兩種甜味劑都來自植物，甜茶苷主要存在于中國甜茶中，而萊鮑迪苷則來自甜葉菊。它們都是天然的甜味劑，符合人們對健康食品的需求。

甜茶苷的甜度是蔗糖的 114 倍，而萊鮑迪苷的甜度更是高達蔗糖的 200-350 倍。這些甜味劑幾乎不含熱量，非常適合減肥人士和糖尿病患者食用。對于那些既想享受甜味又想控制熱量攝入的人來說，這無疑是一個巨大的福音。這些甜味劑還具有其他優點，部分萊鮑迪苷的甜味更加純粹，沒有傳統人工甜味劑常見的苦澀余味。這使得它們在口感上更加接近蔗糖，能夠為消費者提供更好的食用體驗。

不過，天然甜味劑在自然界中的含量很低，主要存在于植物中，傳統的提取方法不僅成本高，而且對環境不友好，產量也很有限。為了解決這個問題，科學家們嘗試了一種新方法：用酵母來合成這些甜味劑。

搭建“酵母工廠”：

為合成天然甜味劑尋找最佳工具

科學家們選擇了一種常見的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作為“工廠”，通過基因工程的手段，讓酵母能夠生產甜茶苷和萊鮑迪苷。

酵母是一種單細胞真菌，廣泛存在于自然界中。它們不僅在釀酒、烘焙等傳統食品工業中有著悠久的應用歷史，而且在現代生物技術中也扮演著重要角色。酵母之所以能成為生產甜味劑的“工廠”，主要有以下幾個原因：

1.基因組簡單

酵母的基因組相對簡單，科學家可以通過基因工程手段，精準地改造它們的代謝途徑，讓它們生產出特定的物質。這種精準性就像在微觀世界里進行一場精密的手術，每一個基因的修改都可能帶來巨大的變化。

2.生長速度快

酵母在合適的條件下能夠快速繁殖，使得其能夠在較短時間內實現產物的高效積累。想象一下，一個小小的酵母細胞在適宜的溫度、營養條件下，幾天內就能繁殖成千上萬倍，這種強大的繁殖能力為大規模生產提供了可能。

3.代謝途徑豐富

酵母本身的代謝途徑非常復雜且靈活，科學家可以通過調整這些途徑，引入新的代謝功能。就像一個擁有多個環節、不同功能生產線的工廠，只要調整生產線的流程，就能生產出不同的產品。

4.安全可靠

酵母被認為是“公認安全”（Generally Recognized As Safe, GRAS）的微生物，這意味著它們在食品生產和工業應用中相對安全。人們食用酵母制品已經有幾千年的歷史，這為酵母作為生產工具的應用提供了堅實的基礎。

圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛

化身“工廠負責人”：

保證甜味劑的正常生產與增量

制造天然甜味劑的過程就像搭建一條復雜的生產線。如何生產出甜味劑？如何提高甜味劑的產量？這需要科學家們運用專業知識，通過增加生產線、調動高效勞動力等一系列操作，才能保證工廠的正常運行。

1.搭建生產線，構建代謝途徑

科學家將甜味劑的合成途徑分解成幾個模塊，逐步引入酵母中。例如，他們將生產甜茶苷所需的多個基因，如貝殼杉烯合成酶 kaurene synthase(KS)、對映-貝殼杉烯氧化酶 ent-kaurene oxidase(KO)、異貝殼杉烯酸 13α-羥化酶 kaurenoic acid 13α-hydroxylase(KAH)等，整合到酵母的基因組中，形成一個完整的代謝網絡。這就像在酵母這個“工廠”里搭建一條新的生產線，每一個基因都代表著一個生產環節，只有將這些環節全部打通，才能最終生產出甜茶苷和萊鮑迪苷。

2.升級設備，減少代謝產物積累

在生產過程中，科學家們發現了一些限制甜味劑產量的“瓶頸”，比如某些酶的活性不足或代謝中間產物的積累對酵母有毒性。科學家們通過蛋白融合和截短策略，提高 P450s 酶的催化效率，從而減少代謝中間產物的積累，提高甜味劑的產量。這就像對生產線上的關鍵設備進行技術升級，對整個生產流程進行優化，減少浪費，讓它們能夠更高效地完成任務。

3.增設排污系統，提高酵母適應性

甜味劑的積累可能會對酵母產生毒性，影響其生長。科學家們發現了一種主動運輸機制——可以將甜味劑排出酵母細胞，減少了對酵母的傷害，同時也有助于提高甜味劑的產量。這就像在工廠里安裝了排污系統，及時排出有害物質，保證工廠的正常運行。

4.調動高效勞動力，集中資源提高產量

通過計算機模擬和實驗驗證，科學家們找到了一些關鍵的代謝節點，通過調整這些節點的代謝流量，表達某些基因，增加關鍵酶的數量和活性，從而提高甜味劑的產量。這些“關鍵酶”如同生產線上的高效工人，讓整個生產效率得到提升。通過基因敲除，減少與甜味劑生產競爭的代謝途徑，讓更多的資源流向甜味劑的合成途徑，就像在工廠里關閉一些不重要的生產線，把資源集中到主要的產品生產上。

從實驗室走向市場：

為消費者提供更多甜味選擇

目前，利用酵母生產甜茶苷和萊鮑迪苷的研究已經取得了顯著的成果。在實驗室規模的發酵實驗中，科學家們已經能夠生產出高濃度的甜味劑。通過優化酵母的代謝網絡和工程化 P450s 酶，甜茶苷的產量已經達到了 1368.6 mg/L，萊鮑迪苷的產量也達到了 132.7 mg/L。這些成果表明，酵母生產甜味劑的技術已經從實驗室走向了產業化。一些公司已經開始利用這種技術進行大規模生產。

此外，科學家們還在不斷探索和優化生產過程。例如，通過進一步的基因工程改造和發酵工藝優化，甜味劑的產量和純度都在不斷提高。同時，研究人員也在開發新的甜味劑品種，以滿足不同消費者的需求。

甜蜜的未來：

“綠色工廠”還將持續推廣

這項研究的成果令人興奮。科學家們不僅成功地用酵母生產了甜茶苷和萊鮑迪苷，還為未來大規模生產這些甜味劑奠定了基礎。這項研究的意義不僅在于它為低熱量甜味劑的生產提供了一種新的方法，更在于它展示了酵母作為一種“綠色工廠”的巨大潛力。這意味著，我們有望在市場上看到更多健康的甜味劑產品。

更重要的是，這種方法還可以應用于其他天然產物的生產，比如藥物、香料等。酵母作為一種“綠色工廠”，可以為我們提供更多可持續的、環保的生產方式。未來，我們可能會看到更多由酵母生產的健康、環保的產品，不僅能改善我們的生活質量，還能減少我們對傳統農業和工業的依賴。想象一下，一個由微小酵母細胞構成的巨大“綠色工廠”，在可持續的資源利用下，為我們生產出各種各樣的必需品，這將是多么令人興奮的場景。

所以，下次當你享受一塊低熱量的甜點時，也許應該感謝這些小小的酵母，它們正在為我們的健康和甜蜜生活努力工作！

參考文獻

[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 xylitol and erythritol: A comprehensive review.[J].Critical reviews in food science and nutrition,2020,60(12):1986-1998.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨李卓洋 中國科學院青島生物能源與過程研究所

監制丨中國科普博覽

責編丨一諾

審校丨徐來、林林