生物技术生产木糖醇
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生物技术生产木糖醇

   日期:2011-01-12     来源:发酵工业网    作者:发酵网    浏览:930    评论:0    
  


 木糖醇是一种天然五碳糖醇。在自然界,木糖醇存在于黄梅、覆盆子、草霉、莴苣、花椰菜等许多水果和蔬菜中。作为一种甜味剂,由于它不会导致龋齿,且具有较高的甜度,近年来已引起人们越来越多的关注。木糖醇的代谢无需胰岛素的调节,在临床上被用作糖尿病患者食物中蔗糖的替代品。它的能量与蔗糖相似,因此可供糖尿病人输液使用。同时,它的代谢过程也无需6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用,也是6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏症患者理想的食用甜味剂。最近美国衣阿华州立大学研究人员发现,木糖醇还有一定防止肺部感染的效果。

  工业生产以化学法为主

  木糖醇虽然存在于水果和蔬菜中,但含量很低,直接提取不仅困难而且经济性差,目前工业上主要用木糖催化加氢的方法生产。生产木糖醇的原料广泛,含有较丰富木聚糖的农林副产物如玉米芯、甘蔗渣、秸秆、树皮、木屑等均可利用。将粗原料用稀酸处理,其半纤维素部分水解后得到以木糖为主的水解液,再适当处理后在Raney镍催化下加氢将糖还原为醇,加氢液蒸发、结晶后可得到木糖醇。我国是木糖醇生产大国,年产量达到2万t,占据了国际市场的半壁江山。  

  虽然工业生产木糖醇的原料来源丰富、价格低廉,但是生产过程却比较复杂。原料必须精制到一定程度以避免催化剂中毒;催化加氢反应需在高温高压下进行;并且反应将原料中所有的糖都还原为相应的糖醇,产物中不仅有木糖醇,还有山梨糖醇、阿拉伯糖醇等其他糖醇,这些糖醇性质相近、分离困难。因此,木糖醇的生产成本较高,价格约是蔗糖价格的10倍。

  

  生物技术获重大突破

  生物技术生产木糖醇是在微生物细胞里木糖还原酶的催化下将木糖还原为木糖醇,氢则来源于细胞里还原型辅酶中的氢原子和水中的氢离子,不必单独制氢。这又简化了生产过程并更加安全、节能,但需要消耗一部分糖来再生还原型辅酶。

  

  利用天然微生物生产木糖醇  

  用来生产木糖醇的微生物主要是酵母菌。自然界存在许多酵母菌可以利用木糖作为惟一碳源生长,木糖醇是这些微生物木糖代谢的中间物,不同的微生物代谢木糖的能力不同,木糖醇积累的速度和数量也不同,只有快速和大量积累木糖醇的菌种才可能用来生产木糖醇。  

  生产木糖醇的酵母菌,以假丝酵母最多。Meyrial、Eleonora、Kim、Yahashi、Lee等报道了用假丝酵母发酵木糖生产木糖醇的研究,这些假丝酵母属于不同的种。此外,Dominguez、Sampaio、Nahlik等报道了用德巴利酵母发酵木糖生产木糖醇的研究,Leathers等报道了用毕赤酵母发酵木糖生产木糖醇的研究,国内也有用汉逊酵母生产木糖醇的研究。  

  利用天然微生物生产木糖醇,有一部分木糖必须用于辅酶的再生,因此木糖对木糖醇的转化率不太高。用基因工程的手段构建产木糖醇的工程菌,是提高转化率的有效途径。

  

  基因工程菌生产木糖醇  

  目前大多数生产木糖醇的基因工程菌,都是克隆了毕赤酵母或假丝酵母的木糖还原酶基因,使之在酿酒酵母中表达。  

  酿酒酵母本身不能发酵木糖,表达了木糖还原酶基因后能将木糖还原为木糖醇,生成的木糖醇不能进一步代谢来再生辅酶,因此可得到接近化学计量理论值的高转化率。但是,辅酶再生是完成生物转化所必需的,还需要补充其他物质来实现辅酶再生,通常是补充葡萄糖,葡萄糖的消耗量为木糖的0.5~1倍。  

  工程菌降低了木糖的消耗但增加了葡萄糖的消耗。葡萄糖的价格比木糖低,这是工程菌的优势。但从木糖醇生产的角度看,天然菌与工程菌本身各有千秋,只有分析具体菌株的产木糖醇能力,才能比较优劣。判断微生物产木糖醇能力的主要指标是转化率和产率。

  

  应用前景与展望  

  用生物催化代替化学催化可以降低木糖醇的生产成本。细胞的抗逆能力可以适应较粗放的原料;生化反应可以在常温常压下进行;生物催化剂的底物专一性保证产物中只有木糖醇,这些特点使得生物技术生产木糖醇具有十分广阔的前景。  

  虽然欧、美、日、韩和我国都开展了生物技术生产木糖醇研究,但真正实现产业化的只有很少数企业,其主要原因还是多数菌种的产木糖醇能力不够高。据Leathers总结,目前大多数产木糖醇的天然菌,转化率在0.56~0.74g/g,产率在0.2~0.5g/l.h;工程菌则转化率接近1g/g(但另需葡萄糖),产率在0.6~1.0g/l.h。这样的水平与应用于工业生产还有一定差距。尽管有的文献报道了转化率和产率很高的菌种,但这些报道是在特定条件下的实验结果,并不适合实际应用。  

  从木糖醇生产的过程分析,如果在适合生产的全过程中天然菌的转化率达到0.7g/g以上,产率达到2g/l.h以上,或者工程菌能用廉价培养基培养,并且产率达到2g/l.h以上,则生物技术生产木糖醇即可实现产业化。目前包括我国在内的有些研究工作,已经得到一些菌种能达到或接近这一水平,因此,生物技术大规模生产木糖醇在技术上已基本没有障碍。

  绿色生产工艺前景广阔

  为了实现木糖醇的绿色生产,现有的酸水解工艺可考虑用酶水解来取代。粗原料经预处理后,使半纤维素部分降解并溶于水,再用木聚糖酶彻底水解为木糖后转化得到木糖醇。整个过程不产生污染,但这一过程的实现还有待于原料预处理工艺的改进以及木聚糖酶活力的提高。

  另一条绿色生产木糖醇的路线是以淀粉或葡萄糖为原料来进行生产。早在1969年,Onishi等就报道了从葡萄糖出发,经3种微生物的3步发酵可得到木糖醇。由于过程长、收率低,没有应用价值,这条路线长期被搁置。近来,我国选育到能高效转化葡萄糖为阿拉伯糖醇(木糖醇的同分异构体)的酵母菌,Suzuki等报道了选育到将阿拉伯糖醇高效生物转化为木糖醇的细菌,用葡萄糖生产木糖醇又显现出可能性。用现代生物技术,将以上的酵母菌和细菌中与产木糖醇有关的基因集中到一种微生物里,就有可能在工业规模用淀粉或葡萄糖生产木糖醇。这样,不但可实现绿色生产,而且还可大幅简化生产工艺,可能给木糖醇生产带来真正意义上的革命。

 
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