光州科学技术院（GIST）22日表示，新材料工学系权仁灿（Kwon Inchaan）教授研究团队开发出一项环保型生物转化技术，仅通过酶反应，就能将甘蔗精制过程中产生的副产物“糖蜜（molasses）”转化为高附加值物质“D-甘露醇（D-mannitol）”。
D-甘露醇是一种天然糖醇（sugar alcohol），在食品、医药、化妆品等多种产业中，被用作甜味剂、稳定剂、治疗剂等，是一种高附加值功能性物质。本次研究成果通过将被废弃的农业副产物再利用（升级再造）为新资源，有望为实现循环经济和提升产业竞争力作出贡献.
制糖产业每年排放出大量副产物。加工甘蔗或甜菜时产生的“糖蜜”，除蔗糖外，还含有葡萄糖、果糖、无机物等，是一种粘度很高的副产物。但其大部分仅被用作牲畜饲料或低价乙醇原料，未能实现高附加值利用。
将此类副产物转化为新资源的技术，被视为同时实现解决环境问题和增强产业竞争力的关键战略而备受关注。糖蜜含糖量高，作为生物化学原料再利用的潜力巨大，利用其生产D-甘露醇可成为将废弃副产物再生为工业资源的代表性案例。
以往主要采用微生物发酵法从糖蜜中生产D-甘露醇，但部分果糖被消耗于微生物的生长和维持，导致转化率下降，同时还会生成乳酸、乙醇等不必要的副产物。实际上，既有发酵法的效率仅停留在理论最大值（100%）的60%至90%水平。
为此，研究团队全新设计了“3阶段酶反应系统”，无需化学处理，仅通过酶反应就能将糖蜜转化为D-甘露醇。该系统中，转化酶、甘露醇脱氢酶（MDH）、葡萄糖脱氢酶（GDH）等三种酶发挥自然催化剂的作用，分阶段依次作用，诱导出由蔗糖→葡萄糖、果糖→D-甘露醇的连锁反应。
研究团队通过设计，使在反应过程中被消耗的辅因子（NADH）由葡萄糖脱氢酶（GDH）在氧化葡萄糖时实时再生，从而构建出无需外部额外补充辅因子的自给型系统。首先，转化酶负责将糖蜜中丰富的蔗糖分解为葡萄糖和果糖。如此分解得到的单糖，在后续阶段即可作为其他酶反应的基础原料加以利用。
接下来，甘露醇脱氢酶（MDH）执行将果糖直接转化为D-甘露醇（D-mannitol）的核心反应。此时，为维持反应持续进行，必须有作为酶“燃料”的辅因子（NADH）。在这里，第三种酶——葡萄糖脱氢酶（GDH）发挥关键作用。GDH在氧化糖蜜中的葡萄糖时，自然再生辅因子（NADH），从而帮助甘露醇脱氢酶（MDH）持续不断地将果糖转化为甘露醇。
通过这种三种酶分阶段作用的连锁反应系统，可以高效利用糖蜜中多种糖成分。其结果是，无需使用昂贵化学物质或对原料进行预处理等复杂工序，即可实现环保且经济的生物转化。
研究团队构建了两种方式的酶反应系统，并对性能进行比较。首先，在分阶段应用各酶最适反应条件的两步（two-step）工艺中，生成了137 mM的D-甘露醇，转化效率约为92%。相比之下，在将所有酶一次性混合反应的一锅（one-pot）工艺中，也生成了123 mM的D-甘露醇，记录下约95%这一高效率。
尤其是，各酶在糖蜜所含的多种成分环境中仍能稳定发挥作用，无需额外进行去除杂质或稀释等处理过程，反应也能顺利进行，从而证明该酶系统能够以糖蜜原料的原始形态直接进行转化。
此外，研究团队还确认，在反应过程中葡萄糖被氧化时生成的D-葡糖酸内酯（D-gluconolactone），也可作为另一种高附加值化合物加以利用。由此提出了通过一道工艺同时生产两种高附加值化合物的技术优势。
研究团队开发的这一基于酶的技术，与既有基于微生物发酵的生产方式相比，具有更高的反应速度和选择性，几乎不产生不必要的副产物，被评价为在工艺简化、经济性、环境性方面均具优势的可持续生物制造技术。
权仁灿（Kwon Inchaan）教授表示：“本研究是一项能够从原本被废弃的工业副产物中获取高附加值化合物的升级再造技术，同时兼顾了环境友好性和经济性。今后有望在食品、医药、能源等多种产业领域扩展应用为可持续生物生产工艺。”
本次研究由GIST新材料工学系权仁灿（Kwon Inchaan）教授指导，硕博连读生朴炫宣（Park Hyunseon）承担具体研究工作，获得韩国研究财团先导研究中心项目和博士研究生研究奖励金支援项目的资助。研究结果已于去年9月30日在线发表于国际学术期刊《Industrial Crops and Products》。
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