糖酸：连接碳代谢与绿色化工的“桥梁分子”

在现代生物制造领域，科学家们正在重新审视一种被低估的有机酸类化合物——糖酸（Sugar Acids）。这些分子不仅是碳水化合物氧化的终产物，更是连接代谢工程、材料化学与可持续工业的关键节点。

一、糖酸是什么？从单糖到氧化产物

糖酸是指单糖分子中的醛基或羟甲基被氧化为羧基后的衍生物，根据氧化位置不同，可分为：

这些化合物广泛存在于植物细胞壁、果胶、多糖降解产物中，是多种代谢通路（如戊糖磷酸途径、己糖氧化途径）的重要中间体。

二、微生物“工厂”：糖酸的生物合成

传统糖酸生产依赖化学氧化反应（如 HNO₃ 氧化），能耗高且选择性差。而代谢工程提供了新的解决思路。

Avci 等人（2025）总结了三类核心工程策略：

1️⃣ 通量重定向（Pathway Rewiring）

通过过表达 glucose dehydrogenase、galactose oxidase 等关键酶，实现葡萄糖、半乳糖的高效氧化。

删除竞争通路（如乙醛酸途径），提高碳流向目标糖酸的比例。

2️⃣ 转运优化（Transporter Engineering）

工程化 E. coli 和 Corynebacterium 属菌株，使糖酸更高效外排，减少胞内积累毒性。

3️⃣ 辅酶与氧化还原平衡调控

优化 NAD(P)⁺ /NADH 循环，提高氧化反应速率与能量效率。

三、糖酸的应用价值

权威文献指出，糖酸正成为绿色化工的关键平台分子，其衍生物可被用于以下领域：

生物可降解材料：D-Glucaric acid 是高性能聚酯、聚酰胺的前体单体。

医药与食品：Gluconic acid 广泛用于pH缓冲剂、钙补充剂、抗氧化配料。

化妆品与功能助剂：Uronic acid 及其盐类用于保湿、螯合、缓释配方。

绿色化学溶剂与螯合剂：糖酸具有多羧基与多羟基特性，可替代部分传统石化溶剂。

四、科研与产业挑战

虽然糖酸的潜力巨大，但该综述也指出以下难题：

生产效率低：多数菌株产量仍停留在 1–10 g/L 范围。

分离纯化困难：糖酸极易与母糖共存，需高成本提纯。

底物抑制效应：高浓度糖底物可导致氧化酶活性下降。

这些挑战促使科学家正探索 “多层次调控策略”——通过系统代谢建模、动态酶调控、以及生物反应器参数优化来突破瓶颈。

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