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赤藓糖醇发酵条件优化的研究进展

来源:用户上传      作者:李春芳

摘 要:赤藓糖醇是一种多元醇类甜味剂,口味类似于蔗糖,具有热量低、稳定性高、甜味协调、吸湿性低、无致龋齿性、不发酵及不会引起肠胃不适等特征,是一种新型食品添加剂,在国内外具有广阔的市场。目前,国内赤藓糖醇生产以发酵法为主。本文重点对赤藓糖醇发酵条件优化的研究进展进行分析。

关键词:赤藓糖醇;可替代碳源;工艺改进

1 赤藓糖醇

赤藓糖醇属于多元醇家族,广泛存在于自然界中。因具有甜味特性,1990年作为一种新的天然甜味剂出现在日本市场上,1999年6月被国际食品添加剂委员会批准作为食品甜味剂。赤藓糖醇以其独特的低吸湿性、低热量、高耐受量、保护肝脏以及非致龋齿等特性,广泛应用于无糖食品、饮料、保健品及药品等领域。赤藓糖醇适合于各类人群,尤其是糖尿病患者、肥胖症、少年儿童等人群。目前,健康消费在国民消费支出所占比例逐渐增大,赤藓糖醇的市场需求量仍在不断扩大[1],其广阔的市场前景引起了很多企业和科研人员的重视。微生物发酵法生产赤藓糖醇越来越成熟,是商业化生产的主要方法,但昂贵的发酵底物、副产物的存在致使下游分离提取成本加大,对赤藓糖醇产业的发展造成了一定的限制。有效降低成本是提高赤藓糖醇市场竞争力的关键。本文介绍了高效低成本产赤藓糖醇的研究状况。

2 赤藓糖醇的培养基优化

培养基的组成对微生物的生长有着重要的调节作用,因此在配制培养基时,既要保证微生物的生长需要,又要有利于目标产物的高效生产,同时还要考虑避免副产物的产生。为此不少科研工作者对赤藓糖醇发酵培养基进行优化研究,其中碳源和氮源相关研究较多。

2.1 可替代碳源

大规模生产赤藓糖醇的常用底物是葡萄糖,由于葡萄糖本身是一种价值较高的化合物,可通过应用替代底物进一步降低生产成本。新的生产方法仍在发展和改进中,目前所研究的替代碳源包括甘油、木糖、糖蜜、菊粉、餐饮工业油脂、果糖以及蔗糖等。

现在已经有不少关于甘油作为产赤藓糖醇的新碳源的研究,涉及的甘油主要包括纯甘油和粗甘油两大类。粗甘油主要是生物柴油工业的副产品,因此,其在赤藓糖醇合成中的应用不仅可以有效降低生产成本,而且可以支持废弃物的利用。研究较多的是Yarrowia lipolytica菌株。在Moniliella megachiliensis菌株中同樣能观察到甘油转化为赤藓糖醇。Yarrowia lipolytica不仅能将纯甘油有效转变为赤藓糖醇,还能利用工业废物中的粗甘油。粗甘油的化学成分因来源不同而有所不同,其可能受到甲醇、盐或金属等化合物的污染。但Yarrowia lipolytica菌株能够在不同工业过程中提取的粗甘油中生长。甘油作为底物的另一优点是发酵后的副产物的组成减少。在糖作为碳源的过程中,甘油是主要的副产物之一。但在纯化过程中,甘油与赤藓糖醇的分离尤为困难[2]。甘油用作底物时,不仅可在发酵过程结束前完全消耗掉,而且其他副产物的存在也可减少到10%以下。综合比较葡萄糖和甘油为底物,赤藓糖醇最大浓度水平相当,但后者副产物产率较低。甘油添加量视培养体系差异而不同。甘油原料作为生物柴油工业的副产品,杂质含量高,商品价值低,但其作为生物加工的碳源具有巨大的潜力。

木糖是半纤维素的主要成分,在自然界中含量丰富,作为生物加工的潜在碳源逐渐引起了人们的关注,特别是为富含木糖的工业废料等低成本底物利用开辟了可能性。糖蜜作为廉价的工业副产品,有研究将其作为碳源应用到赤藓糖醇生产中。需要指出的是糖蜜不是直接用于赤藓糖醇的合成,而是用于细胞生长。在第一阶段,糖蜜被用来生产生物量,然后加入甘油以增加渗透压使赤藓糖醇产生[3]。菊粉是一种多糖,存在于菊芋、菊苣、大丽花和雅康等植物的根和块茎中。菊粉与糖蜜一样,具有可再生和廉价碳源的优势。与糖蜜类似,菊粉也被用于Y. lipolytica菌株生产赤藓糖醇的两步发酵过程中。利用Y. lipolytica能够在油上生长的能力,可从废弃食用油中提取赤藓糖醇。

2.2 氮源

在赤藓糖醇生产中氮源的性质及其浓度是非常重要的参数,为得到较大的赤藓糖醇产能,针对不同菌株优化探究最佳氮源类型及添加量。

以纯甘油为碳源恒化培养时,研究无机和有机氮源对Y.lipolytica Wratislavia K1菌株产赤藓糖醇的影响,结果发现含4.6 g/L硫酸铵恒化培养基中赤藓糖醇含量最高达

103.4 g/L,为84.5 g/L,最佳赤藓糖醇产率和转化率亦是在无机氮源(4.6 g/L硫酸铵)培养条件下获得,分别为1.12 g/L/h和0.52 g/g。对于菌株Y.lipolytica Wratislavia K1,Rywińska等人研究了多种无机氮源和有机氮源对赤藓糖醇产量的影响,结果显示氯化铵、硫酸铵和酵母提取物为最佳氮源,最佳赤藓糖醇产率和转化率也是在硫酸铵为氮源条件下获得。与上述结果不同的是,有研究证实有机氮源最适合菌株Y.lipolytica Wratislavia K1产赤藓糖醇。

以葡萄糖为碳源培养时,同样证实硫酸铵比酵母提取物更适合菌株Y. lipolytica mutant 49生产赤藓糖醇,但当葡萄糖和硫酸铵浓度低于或高于最适浓度时,赤藓糖醇产率变化较大[4]。

研究发现以玉米浸泡粉和酵母提取物为氮源时,菌株P. tsukubaensis和Moniliella sp.获得最高赤藓糖醇产量。在Torula sp.中观察到在酵母提取物的存在下可产生最多的赤藓糖醇。

3 赤藓糖醇的生产工艺改进

赤藓糖醇的生产通常是分批模式进行,因为高初始葡萄糖浓度会提高赤藓糖醇的产量。分批发酵过程中,在发酵开始时引入所有必要的底物,在所有底物耗尽后提取产物和副产物。分批发酵操作简单方便,且不需要额外的注意,与其他发酵培养系统相比,赤藓糖醇的产率和浓度较低。

分批发酵赤藓糖醇生产最常见的是分批补料。在整个培养过程中,分批补料可保持高渗透压[5]。迄今为止报道的最有效的赤藓糖醇生产工艺是以P. tsukubaensis为发酵菌株通过分批补料发酵模式获得,生产率高达2.86 g/L/h,与分批发酵未补料条件下的同一菌株相比,赤藓糖醇增加了73%。

低渗透压会导致赤藓糖醇低产量,高渗透压虽有较高的赤藓糖醇产量,但会抑制细胞生长。两步发酵工艺,在低渗透压下促进细胞生长,然后在高渗透压下生产赤藓糖醇,避免了最佳渗透压确定困难的问题。

4 赤藓糖醇的培养条件优化

赤藓糖醇的生产在很大程度上取决于培养条件。渗透压、温度、pH值、溶氧等的优化控制都是与赤藓糖醇生产相关的重要技术指标。

渗透压胁迫是赤藓糖醇产生的主要诱因之一。调控渗透压的方法主要有两种:①使用高浓度底物,如葡萄糖或者甘油;②添加額外的盐。渗透压的调控是一个比较复杂的过程,渗透压升高导致赤藓糖醇产量增加,副产品形成减少。然而,施加压力条件延长了酵母发育的滞后期,导致赤藓糖醇生产率降低。

5 结语

由于对多元醇的需求不断增长,采用微生物生产赤藓糖醇受到了越来越多的关注。人们对培养基成分、培养条件及工艺进行了大量的研究,培养基组成和培养条件都得到了很好的调整,以使产能和转化率最大化。针对不同菌株优化探究最佳氮源类型及添加量,特别是通过考虑使用可替代碳源进一步降低生产成本。通过将各个环节结合起来,可实现高效、低成本的赤藓糖醇生产工艺。

参考文献

[1]陈文,刘璇,杨春晓,等.赤藓糖醇生产及在食品工业上应用的研究进展[J].食品工业,2018,39(2):266-269.

[2]幸修锋,黄婧,杨海军.益生元IMO保健泡腾片的研制[J].发酵科技通讯,2008(2):52-55.

[3]谷大建,徐巍.膜分离技术的应用及研究进展[J].中国药业.2008(6):58-59.

[4]杨海军.赤藓糖醇在食品工业不同领域应用情况概论[J].发酵科技通讯,2007(4):30-35.

[5]刘建军,赵祥颖,田延军,等.低热值甜昧剂-赤藓糖醇[J].食品与发酵工业,2007(9):132-135.


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