林建强
山东大学，生命科学学院，微生物技术国家重点实验室
摘要：菊芋是菊科植物，其地下块茎富含菊粉，成分为聚果糖。菊芋产量高，可以用来提取菊粉。利用菊粉酶还可以把菊粉转化为低聚果糖和果糖，后者还可以作为发酵原料生产其它发酵产品。我们成功构建了高产菊粉内切酶和复合菊粉酶基因工程菌，酶活力分别达到3006 U/ml和4211.8 U/ml，分别为国际最高报道的2.2倍和3倍以上。以上述工具酶为基础，可以建立菊芋深加工产业链，并进一步推动盐碱地和重金属污染土地的治理，带动低聚糖产业、制糖业和生物能源业的发展。
关键词： 菊芋，菊粉，菊粉内切酶，菊粉外切酶，低聚果糖，果糖
菊芋是菊科植物，原产于北美。菊芋抗逆型强，耐寒、耐旱、耐贫瘠，而且产量高。菊芋耐盐，可在盐碱地种植，并且能够吸收盐分，改良盐碱地。菊芋还能够用来修复重金属污染土地。菊芋地下块茎又称为洋姜，富含菊粉。菊粉的成分为-键连接的聚果糖，不能被人消化，可用来生产减肥食品。菊粉经菊粉内切酶水解可以得到低聚果糖，是一种保健品。菊粉经菊粉外切酶水解可以得到果糖，是自然界最甜的甜味剂。果糖可以作为发酵原料，生产燃料乙醇等其它发酵产品。重金属土壤修复种植的菊芋可用于生产燃料乙醇。可见，菊粉内切酶和外切酶产业化可大大增加菊芋的应用范围，建立菊芋产业链（图1），解决盐碱地治理、重金属污染土壤修复、使用粮食生产生物能源的限制等诸多难题。
（一）菊芋种植业与盐碱地改造
我国盐碱地面积9913万公顷，海洋滩涂总面积217.04万公顷。近十几年来，仅黄河入海口平均每年新增滩涂面积6.95万亩。盐碱地治理成本高昂且效果不佳。菊芋耐盐，可在含盐3～6‰的滩涂、盐碱地生长，每年每亩土地可被菊芋带走200～300公斤盐分。盐碱滩涂种植菊芋两、三年后可种植水稻，不仅可以改造盐碱地还可节约土地成本。
菊芋是菊科植物，其地下块茎富含菊粉，成分为聚果糖（图2）。菊芋耐旱，耐寒，耐病虫害，生命力强，对水、肥、农药需求低，田间管理成本低。菊芋产量高，每公斤0.5～0.7元，种植效益高（表1）。
（二）菊芋提取菊粉
菊芋块茎的干物质中菊粉的含量很高。菊粉是-键连接的聚果糖，不能被人消化，不产生热量。菊粉多用作食品配料，特别是欧共体国家以菊粉代替天然油脂，添加到冰淇淋、饮料、巧克力涂酱等产品中，作为非水溶性膳食纤维，还有益生作用。
建一座年产500-1000吨的菊粉加工厂，总投资300-500万元，所需厂房面积500-1000平米，锅炉（2-4吨）1台，提取1吨菊粉需菊芋10-11吨，除提取菊粉外尚余4-5%的饲料。生产成本为1.4万元/吨，售价2.52万元/吨，利润1.12万元/吨，年利润336万元，投资回收期仅需1年，经济效益显著。
目前菊粉大量出口，供不应求。但国产菊粉纯度不高，含大量还原糖。国内高质量菊粉仍依赖进口，进口菊粉国内售价约4万元/吨。我们通过工艺改进，生产的菊粉质量高，与进口产品质量相当。
（三）菊粉内切酶酶制剂
菊粉是-键连接的聚果糖，经菊粉内切酶水解能够生产低聚果糖。天然微生物产生的菊粉酶即含有菊粉内切酶也含有菊粉外切酶，前者水解菊粉产生低聚果糖，后者水解菊粉产生果糖。因此，天然微生物菌株生产的菊粉酶无法用来生产高纯度低聚果糖。必须使用单一组分菊粉内切酶酶制剂才能生产高纯度低聚果糖。目前该酶制剂在国内是空白。
我们利用基因工程技术研发的单一组分菊粉内切酶，酶活力达到3006 U/ml，是国际最高报道的2.2倍。该酶制剂可用来水解菊粉生产高纯度低聚果糖。
（四）菊芋低聚果糖
菊粉成分为聚果糖，利用单一组分菊粉内切酶，可以水解菊粉，不经分离纯化即可得到高纯度低聚果糖。
低聚果糖是果糖分子通过-键连，聚合度3～8的果糖低聚物，不被人类消化，无嗅无味，柔和甘甜，易溶于水，甜度是蔗糖的30～50％，热量极低，为1.5 Kcal/g。低聚果糖具有多种生理功能：(1)是一种宜生素，增殖人体内双歧杆菌；(2)抑制沙门氏菌等有害菌在肠道的定居和繁殖；(3)保护肝、肾，增强免疫力；(4)可降低血清胆固醇、磷脂、甘油三酯和血糖浓度；(5)可以降低结肠癌发生率；(6)可显著提高机体对钙、镁等重要矿物元素的吸收，防止骨质疏松；(7)提高人体免疫功能，抗衰老等作用。
我国乳制品和饮料及其他普通食品中，在标签中声称添加了低聚果糖的，据不完全统计有近60家大中型现代食品企业近300多种食品。低聚糖在日本的应用更加广泛，应用范围包括：乳制品：牛奶饮料、酸奶、奶粉、乳酸菌饮料等；饮料：咖啡、豆奶、茶饮料、清凉饮料、酒类等；糖果糕点：糖果，布丁、果冻、糕点、快餐、中西点心等；面包：普通面包、点心面包、菜肴面包等；其他：保健食品、肉食加工品、水产加工品、豆制品、饲料工业、酿酒行业等。
目前低聚糖年需求量国内约6万吨，国际135万吨。低聚糖年产量国内约7万吨。目前低聚果糖年需求量国内1.5万吨，欧、美等发达国家年需求量约为20万吨～30万吨。各种低聚糖功能相近，可以相互替代。如果低聚果糖成本降低其市场会迅速扩大。国内低聚果糖生产企业约8家，总产能1．5万吨左右。其中，山东德州的保龄宝公司和广东江门量子高科公司是两家主要企业，市场占有率达到了70％以上，都采用传统的以蔗糖为原料经转糖基酶催化合成的工艺（图3(A)）。
低聚果糖最先由日本开发，以蔗糖为原料用酶催化合成，1983年进入市场。由于历史原因，国际上多数国家，包括亚洲和美洲国家，仍以蔗糖为原料采用酶法合成，产物中含蔗糖、葡萄糖且难以去除。反应的副产物葡萄糖是酶的抑制剂，反应进行不彻底，混合物中含有大量葡萄糖（36-38%）和蔗糖（10-12%），低聚果糖占总量55-60%（干基），需要色谱分离才能得到高纯度产品，工艺复杂、生产成本高（图3）。目前市售G型低聚果糖含量为55％，市场接受度低，售价低；P型低聚果糖含量达到95％，需要经过色谱分离纯化，工艺复杂，成本高。
与其它国家不同，欧洲比利时等国采用菊粉降解法生产低聚果糖，显示了菊粉低聚果糖的技术优势（图3）。但该工艺需要高活力单一组分菊粉内切酶，而该酶制剂在我国及亚洲地区未产业化，阻碍了菊芋低聚果糖产业化。利用我们研发的高活力单一组分菊粉内切酶酶制剂生产高纯度低聚果糖极具竞争优势。
（五）复合菊粉酶酶制剂生产项目
菊粉外切酶或复合菊粉酶（即含有菊粉内切酶又含有菊粉外切酶）可以水解菊粉产生果糖，并且复合菊粉酶具有协同效应，酶活力更高。我们构建高效复合菊粉酶基因工程菌，研发了先进发酵工艺，酶活力分别达到4211.8 U/ml，为国际最高报道的3倍以上。该酶制剂可以转化菊粉生产果糖或进一步转化为燃料乙醇或其它生物产品，是菊芋深加工产业所需工具酶之一。
（六）菊芋生产高纯度果糖和结晶果糖项目
果糖是自然界最甜的甜味剂，口感和生理功能优于蔗糖。高果糖浆（含果糖45%或55%），起源于美国，流行于全球，广泛应用于食品、饮料等行业，但生产工艺复杂，产品纯度低（图4）。
菊芋富含菊粉，主成分是聚果糖，经菊粉外切酶或复合菊粉酶酶解，得高纯度果糖，工艺简单（图4）。然而，由于菊粉酶活性低，酶制剂未产业化，阻碍了菊芋果糖产业化。
我们研发的高活力复合菊粉酶活力为国际最高报道的3倍以上，转化200公斤菊粉为高纯度果糖，酶成本只有几元，使高效率、低成本生产菊芋果糖成为可能，有望在国际上率先建立菊芋果糖产业。
（七）重金属污染土地修复与菊芋生物能源项目
菊芋可以修复重金属或化学污染土壤。我国重金属污染严重，治理成本巨大，需耗资4-6万亿。许多地方政府无力负担。并且，目前采用向土壤中加重金属钝化剂的治理方法无法根治污染，被钝化重金属会返回毒性状态。菊芋植物修复法将重金属从土壤中提取出来，一劳永逸地根治污染。被污染的菊芋可用来生产燃料乙醇，获取利润从而减轻治理重金属污染的经济负担，还增加了能源供应。
在生物能源领域，2014北京APEC会议中美气候变化联合声明中，中国承诺2030年中国非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。其中，生物能源将占很大比例。目前我国生物能源产量世界第三，但占比低，只占一次能源的0.5%，主要原料为玉米和小麦。我国人口多，耕地少，用粮食生产生物能源会威胁粮食安全，国家开始限制粮食乙醇，鼓励非粮生物能源。高活力复合菊粉酶突破了生产菊芋乙醇的关键技术。在重金属污染土地或盐碱地种植菊芋生产燃料乙醇，其到土壤修复和增加能源供应的双重效果，大大降低了综合成本，提高了环境和经济效益。该项目可解决国家重大需求，获得政府支持。
以菊粉内切酶和外切酶为基础建立菊芋深加工产业链，可推动盐碱地和重金属污染土地的治理，带动低聚糖产业、制糖业和生物能源业的发展，带动农民致富和产业结构调整，起到经济、社会和环境多重效益。
林建强
山东大学，生命科学学院，微生物技术国家重点实验室
摘要：菊芋是菊科植物，其地下块茎富含菊粉，成分为聚果糖。菊芋产量高，可以用来提取菊粉。利用菊粉酶还可以把菊粉转化为低聚果糖和果糖，后者还可以作为发酵原料生产其它发酵产品。我们成功构建了高产菊粉内切酶和复合菊粉酶基因工程菌，酶活力分别达到3006 U/ml和4211.8 U/ml，分别为国际最高报道的2.2倍和3倍以上。以上述工具酶为基础，可以建立菊芋深加工产业链，并进一步推动盐碱地和重金属污染土地的治理，带动低聚糖产业、制糖业和生物能源业的发展。
关键词： 菊芋，菊粉，菊粉内切酶，菊粉外切酶，低聚果糖，果糖
菊芋是菊科植物，原产于北美。菊芋抗逆型强，耐寒、耐旱、耐贫瘠，而且产量高。菊芋耐盐，可在盐碱地种植，并且能够吸收盐分，改良盐碱地。菊芋还能够用来修复重金属污染土地。菊芋地下块茎又称为洋姜，富含菊粉。菊粉的成分为-键连接的聚果糖，不能被人消化，可用来生产减肥食品。菊粉经菊粉内切酶水解可以得到低聚果糖，是一种保健品。菊粉经菊粉外切酶水解可以得到果糖，是自然界最甜的甜味剂。果糖可以作为发酵原料，生产燃料乙醇等其它发酵产品。重金属土壤修复种植的菊芋可用于生产燃料乙醇。可见，菊粉内切酶和外切酶产业化可大大增加菊芋的应用范围，建立菊芋产业链（图1），解决盐碱地治理、重金属污染土壤修复、使用粮食生产生物能源的限制等诸多难题。
（一）菊芋种植业与盐碱地改造
我国盐碱地面积9913万公顷，海洋滩涂总面积217.04万公顷。近十几年来，仅黄河入海口平均每年新增滩涂面积6.95万亩。盐碱地治理成本高昂且效果不佳。菊芋耐盐，可在含盐3～6‰的滩涂、盐碱地生长，每年每亩土地可被菊芋带走200～300公斤盐分。盐碱滩涂种植菊芋两、三年后可种植水稻，不仅可以改造盐碱地还可节约土地成本。
菊芋是菊科植物，其地下块茎富含菊粉，成分为聚果糖（图2）。菊芋耐旱，耐寒，耐病虫害，生命力强，对水、肥、农药需求低，田间管理成本低。菊芋产量高，每公斤0.5～0.7元，种植效益高（表1）。
（二）菊芋提取菊粉
菊芋块茎的干物质中菊粉的含量很高。菊粉是-键连接的聚果糖，不能被人消化，不产生热量。菊粉多用作食品配料，特别是欧共体国家以菊粉代替天然油脂，添加到冰淇淋、饮料、巧克力涂酱等产品中，作为非水溶性膳食纤维，还有益生作用。
建一座年产500-1000吨的菊粉加工厂，总投资300-500万元，所需厂房面积500-1000平米，锅炉（2-4吨）1台，提取1吨菊粉需菊芋10-11吨，除提取菊粉外尚余4-5%的饲料。生产成本为1.4万元/吨，售价2.52万元/吨，利润1.12万元/吨，年利润336万元，投资回收期仅需1年，经济效益显著。
目前菊粉大量出口，供不应求。但国产菊粉纯度不高，含大量还原糖。国内高质量菊粉仍依赖进口，进口菊粉国内售价约4万元/吨。我们通过工艺改进，生产的菊粉质量高，与进口产品质量相当。
（三）菊粉内切酶酶制剂
菊粉是-键连接的聚果糖，经菊粉内切酶水解能够生产低聚果糖。天然微生物产生的菊粉酶即含有菊粉内切酶也含有菊粉外切酶，前者水解菊粉产生低聚果糖，后者水解菊粉产生果糖。因此，天然微生物菌株生产的菊粉酶无法用来生产高纯度低聚果糖。必须使用单一组分菊粉内切酶酶制剂才能生产高纯度低聚果糖。目前该酶制剂在国内是空白。
我们利用基因工程技术研发的单一组分菊粉内切酶，酶活力达到3006 U/ml，是国际最高报道的2.2倍。该酶制剂可用来水解菊粉生产高纯度低聚果糖。
（四）菊芋低聚果糖
菊粉成分为聚果糖，利用单一组分菊粉内切酶，可以水解菊粉，不经分离纯化即可得到高纯度低聚果糖。
低聚果糖是果糖分子通过-键连，聚合度3～8的果糖低聚物，不被人类消化，无嗅无味，柔和甘甜，易溶于水，甜度是蔗糖的30～50％，热量极低，为1.5 Kcal/g。低聚果糖具有多种生理功能：(1)是一种宜生素，增殖人体内双歧杆菌；(2)抑制沙门氏菌等有害菌在肠道的定居和繁殖；(3)保护肝、肾，增强免疫力；(4)可降低血清胆固醇、磷脂、甘油三酯和血糖浓度；(5)可以降低结肠癌发生率；(6)可显著提高机体对钙、镁等重要矿物元素的吸收，防止骨质疏松；(7)提高人体免疫功能，抗衰老等作用。
我国乳制品和饮料及其他普通食品中，在标签中声称添加了低聚果糖的，据不完全统计有近60家大中型现代食品企业近300多种食品。低聚糖在日本的应用更加广泛，应用范围包括：乳制品：牛奶饮料、酸奶、奶粉、乳酸菌饮料等；饮料：咖啡、豆奶、茶饮料、清凉饮料、酒类等；糖果糕点：糖果，布丁、果冻、糕点、快餐、中西点心等；面包：普通面包、点心面包、菜肴面包等；其他：保健食品、肉食加工品、水产加工品、豆制品、饲料工业、酿酒行业等。
目前低聚糖年需求量国内约6万吨，国际135万吨。低聚糖年产量国内约7万吨。目前低聚果糖年需求量国内1.5万吨，欧、美等发达国家年需求量约为20万吨～30万吨。各种低聚糖功能相近，可以相互替代。如果低聚果糖成本降低其市场会迅速扩大。国内低聚果糖生产企业约8家，总产能1．5万吨左右。其中，山东德州的保龄宝公司和广东江门量子高科公司是两家主要企业，市场占有率达到了70％以上，都采用传统的以蔗糖为原料经转糖基酶催化合成的工艺（图3(A)）。
低聚果糖最先由日本开发，以蔗糖为原料用酶催化合成，1983年进入市场。由于历史原因，国际上多数国家，包括亚洲和美洲国家，仍以蔗糖为原料采用酶法合成，产物中含蔗糖、葡萄糖且难以去除。反应的副产物葡萄糖是酶的抑制剂，反应进行不彻底，混合物中含有大量葡萄糖（36-38%）和蔗糖（10-12%），低聚果糖占总量55-60%（干基），需要色谱分离才能得到高纯度产品，工艺复杂、生产成本高（图3）。目前市售G型低聚果糖含量为55％，市场接受度低，售价低；P型低聚果糖含量达到95％，需要经过色谱分离纯化，工艺复杂，成本高。
与其它国家不同，欧洲比利时等国采用菊粉降解法生产低聚果糖，显示了菊粉低聚果糖的技术优势（图3）。但该工艺需要高活力单一组分菊粉内切酶，而该酶制剂在我国及亚洲地区未产业化，阻碍了菊芋低聚果糖产业化。利用我们研发的高活力单一组分菊粉内切酶酶制剂生产高纯度低聚果糖极具竞争优势。
（五）复合菊粉酶酶制剂生产项目
菊粉外切酶或复合菊粉酶（即含有菊粉内切酶又含有菊粉外切酶）可以水解菊粉产生果糖，并且复合菊粉酶具有协同效应，酶活力更高。我们构建高效复合菊粉酶基因工程菌，研发了先进发酵工艺，酶活力分别达到4211.8 U/ml，为国际最高报道的3倍以上。该酶制剂可以转化菊粉生产果糖或进一步转化为燃料乙醇或其它生物产品，是菊芋深加工产业所需工具酶之一。
（六）菊芋生产高纯度果糖和结晶果糖项目
果糖是自然界最甜的甜味剂，口感和生理功能优于蔗糖。高果糖浆（含果糖45%或55%），起源于美国，流行于全球，广泛应用于食品、饮料等行业，但生产工艺复杂，产品纯度低（图4）。
菊芋富含菊粉，主成分是聚果糖，经菊粉外切酶或复合菊粉酶酶解，得高纯度果糖，工艺简单（图4）。然而，由于菊粉酶活性低，酶制剂未产业化，阻碍了菊芋果糖产业化。
我们研发的高活力复合菊粉酶活力为国际最高报道的3倍以上，转化200公斤菊粉为高纯度果糖，酶成本只有几元，使高效率、低成本生产菊芋果糖成为可能，有望在国际上率先建立菊芋果糖产业。
（七）重金属污染土地修复与菊芋生物能源项目
菊芋可以修复重金属或化学污染土壤。我国重金属污染严重，治理成本巨大，需耗资4-6万亿。许多地方政府无力负担。并且，目前采用向土壤中加重金属钝化剂的治理方法无法根治污染，被钝化重金属会返回毒性状态。菊芋植物修复法将重金属从土壤中提取出来，一劳永逸地根治污染。被污染的菊芋可用来生产燃料乙醇，获取利润从而减轻治理重金属污染的经济负担，还增加了能源供应。
在生物能源领域，2014北京APEC会议中美气候变化联合声明中，中国承诺2030年中国非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。其中，生物能源将占很大比例。目前我国生物能源产量世界第三，但占比低，只占一次能源的0.5%，主要原料为玉米和小麦。我国人口多，耕地少，用粮食生产生物能源会威胁粮食安全，国家开始限制粮食乙醇，鼓励非粮生物能源。高活力复合菊粉酶突破了生产菊芋乙醇的关键技术。在重金属污染土地或盐碱地种植菊芋生产燃料乙醇，其到土壤修复和增加能源供应的双重效果，大大降低了综合成本，提高了环境和经济效益。该项目可解决国家重大需求，获得政府支持。
以菊粉内切酶和外切酶为基础建立菊芋深加工产业链，可推动盐碱地和重金属污染土地的治理，带动低聚糖产业、制糖业和生物能源业的发展，带动农民致富和产业结构调整，起到经济、社会和环境多重效益。
