发酵法生产赤藓糖醇的研究综述.pdf

5 O 第 1 2 期( 总第 1 9 4期) 2 0 0 9年 1 2月 农产品加工 创新版 I n n o v a t i o n a l Ed i t i o n o f F a r m Pr o d uc t s P r o c e s s i n g No 1 2 DC C 发酵法生产赤藓糖醇的研究综述 李树 东 ，宋微 ，魏春红 z ， 曹龙奎 z ( 1 黑龙江摇篮乳业股份有 限公司 ，黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 3 6 ；2 黑龙 江八一农垦大学 食 品学 院，黑龙江 大庆1 6 3 3 1 9 ) 摘要：微生物发酵法生产赤藓糖醇是现代发酵工程研究的热点之一。该法生产赤藓糖醇所需的发酵菌株主要是耐高 渗透酵母菌，其发酵工艺主要受碳源 、渗透压、无机盐浓度及培养方式等因素的影响。检测赤藓糖醇含量常用的方 法有高碘酸氧化法和薄层色谱法及液相色谱法等，其 中液相色谱法可直接测定，是目前较理想的一种分析方法。同 时指出，选育理想菌株、消除终产物抑制现象及提高产率仍然是发酵法生产赤藓糖醇研究的重点。 关键词：微生物；赤藓糖醇；发酵；研究进展 中图分类号 ：T S 2 0 5 5 文献标志码 ：A S u mma r i z a t i o n o n Re s e a r c h f o r Er y t h r i t o l P r o d u c t i o n b y F e r me n t a t i o n L i S h u d o n g ，S o n g W e i ， W e i C h u n h o n g z ， “ Ca o L o n g k u i 2 ( 1 H e i l o n g j i a n g Y a o l a n D a i r y S h a r e C o ，L t d ，H a r b i n ，H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 3 6 ，C h i n a ；2 F o o d s t u ff C o l l e g e ，H e i l o n g j i a n g A u g u s t F i r s t L a n d R e c l a m a t i o n U n i v e r s i t y ，D a q i n g ，He i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Er y t h r i t o l p r o d u c t i o n b y mi c r o b i a l f e r me n t a t i o n i s o n e o f t h e f o c u s e s i n mode r n f e rm e n t a t i o n p r o c e s s T h i s a r t i c l e s h o ws s o me k e y p o i n t s o f t h e mi c r o b i al f e rm e n t a t i o n Du r i n g t h e p r o c e s s o s mo p h i l i c y e a s t i s s e r v e d a s t h e ma i n mi c r o b e s t r a i n Th e d i s s o l u b l e o x y g e n c arb o n r e s o u r c e s mi c r o b e s t r a i n ， t h e d e n s i t y o f me t a l i o n a n d the P h d e g r e e wi l l h a v e s o me e ff e c t s o n t h e f e rm e n t i n g t e c h n o l o g y Ma n y me a n s c a n b e u s e d t o e x a mi n e t h e c o n t e n t o f e r y t h r i t o 1 Th e y are t i t r a t i o n me t h od P h d e g r e e me tho d p a p e r c h roma t o gra p h y a c i d s h e e t c h r o ma t o g r a - p h y g a s c h roma t o gra p h y e t c Amo n g t h e m ，l i q u i d c h roma t o gra p h y i s a l l i d e a l me t h o d f o r i t C an d i r e c t l y fi n d o u t t h e c o n t e n t o f e r y t h r i t o 1 Th i s a r t i c l e a l s o fi gu r e s o u t s o me ma i n p o i n t s f o r t h e e r y t h r i t o l p r od u c t i o n Th e y are i d e al mi c rob e s t r a i n s ， c l e a r i n g fi n al i n h i b i t i o n a n d i mp r o v i n g t h e p r od u c t i o n Ke y wo r d s ：mi c r o b e ；e r y thr i t o l ；f e r me n t a t i o n ；p rogre s s 0 引言 1 发酵菌株 赤 藓糖 醇 为 1 ，2 ，3 ，4 一丁 四醇 ，分 子式 为 c 4 H， 0 O 。赤藓糖醇在 自然界中的分布非常广泛 ，地衣 类植物、海藻、蘑菇类及各种植物果实中均含有。由 于细菌 、霉菌和酵母可 以发酵产生赤藓糖醇 ，因此赤 藓糖醇也存在于果酒 、啤酒 、酱油等发酵食品中。此 外 ，它还存在于哺乳动物的体液中 1 1 。 赤藓 糖醇 是 一种 新 型营养 型甜 味剂 ，其 特 点 是对热稳 定性好 、吸湿性 小 、冰点较 低 ，其应 用 领域 十分广泛 ，如食 品 、医药 、化 妆 品 、化 工等 许多方面 。其生产方法 主要有 化学合成法 和微生 物发酵法 ，化学法是将淀粉用高碘酸法生成双全 淀粉 ，再经氢化裂解成赤藓糖醇和其他衍生物 ，因 此化学法 的流程长 ，成 本高 。与化 学合成法相 比 ， 微生物发酵法生产过程温 和 ，容易控制 ，更具有生 产优势 。 赤藓糖醇生产菌多属于酵母 ，少部分为霉菌和细 菌 。从菌种生产能力和产物情况来看 ，耐高渗透酵母 是比较适宜的菌种。在工业上也主要是用耐高渗透酵 母和其他生产赤藓糖醇的微生物发酵生产。S p e n c e r 等人 3 1最早发现许多耐高渗透酵母 能产生赤藓糖醇 。 此后又有许多研究者对高产赤藓糖醇的微生物进行筛 选 ，发 现 能 生产 赤 藓 糖 醇 的菌 种 有 假 丝 酵母 属 ( C a n d i d a )、球 拟酵母 属( T o r u l o p s i s )、毛孢子 菌属 ( T r i c h o s p o r u m) 、三角酵母 属( T r i g o n o p s i s ) 、毕赤酵 母 属( P i c h i a )，以及 Mo n i l i e l l a 、T r i c h o s p o r o n o i d e s 、 Au r e o b a s i d i u m和 Z y g o p i c h i a 等属。 赤藓糖醇 的开发利用在 日本 、韩 国 、比利时研 究较 多。 日本研究者从土壤 、发酵食 品 、果实和花 粉中采样进行分离 、筛选 、诱 变育种 ，得 到了产赤 藓 糖 醇 的 耐 高 渗 透 酵 母 菌 株 A u r e o a s id i u m s p 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 0 2 1 作者简介：李树东 ( 1 9 8 1 一 ) ，男 ，辽宁人，初级工程师 ，研究方向：乳粉生产。E ma i l ：l i s h u d o n g O 0 0 1 1 6 3 t o m。 为通讯作者：曹龙奎， 教授，研究方向：农产品加工。 2 0 0 9 年第 l 2 期 李树东，等 ：发酵法生产赤藓糖醇的研究综述 5 1 S N 一 1 1 5 ，以葡 萄 糖 为 基 质 ，赤 藓 糖 醇 的得 率 为 5 0 4 J ；韩国筛选得到 C a n d i d a m a g n o l i a e 。我 国发酵 法生产赤藓糖醇的研究开发工作起步较晚。江南大 学 的范光先等人筛选 出一株单产赤藓糖醇 的球状酵 母 O S 一 1 9 4 16 1 ，江苏省微生物研究所吴燕等人筛选得 到一株圆酵母( T o r u l a s p )f 7 J 。 部分产赤藓糖醇发酵菌株的生产比较见表 1 。 表 1 部分产赤藓糖醇发酵菌株的生产比较 注 ：+为发酵过程中伴有甘油产生 ；一为发酵过程中没有甘油产 2 发酵工艺 菌株是发酵的关键 ，但好的发酵工艺要有合适的 环境条件，才能使其生产潜力充分表现出来。一般来 讲 ，在发酵过程中 ，要注意控制渗透压 、无机盐的浓 度 、p H值 、发酵培养基成分及浓度等参数。 2 1 碳源和副产物的影响 不同的碳源对微生物发酵产赤藓糖醇的影响不 同。生产赤藓糖醇的碳源有烷烃 、单糖和双糖等，其 中，用葡萄糖 、果糖 、甘露糖和蔗糖等糖类 与甘露 醇 、山梨醇 、甘油等多元醇来生产赤藓糖醇 ，可获得 较高的产量。而阿拉伯醇 、半乳糖 和木糖 的利用很 慢 ，而且不会产生赤藓糖醇。综合考虑成本和产量问 题 ，葡萄糖是最适宜的碳源。 Y a n g 等人认 为，C ma g n o l i a e是生产该糖醇的最 好菌株 ，能够利用单糖 和双糖 ，且不产生其他 多元 醇 ；培养该菌的变异株 M ，将葡萄糖质量浓度提高 到 2 0 0 g L时 ，获得 的生产率 为 0 5 4 g ( L h ) ，产率 43 。 范光先等人认为，葡萄糖 、果糖、甘露糖和蔗糖 等都是生产赤藓糖醇的 良好碳源 ，其中甘露糖的转化 率最高，达 3 1 5 t6 。 吴燕等人试验 了葡萄糖质量浓度对发酵产赤藓糖 醇的影响 ，发现葡萄糖质量浓度大于或等于 2 0 0 g L 时，赤藓糖醇产量与对糖转化率均相差不多，糖浓度 越高 ，残糖越多 ，故质量浓度为 2 0 0 g 门 L 的葡萄糖最 为适宜7 1 。 K i m等人发现，在赤藓糖醇的分批发酵培养中， 由于柠檬酸 、丁酸等有机酸的积累，使得赤藓糖醇的 产率下降 。 2 2 渗透压的影响 许多研究证明，渗透压的改变对微生物产赤藓糖 醇有一定的影响。 K i m应用 T r i g o n o p s i s V a r i a b l i l i s 菌株 ，采用分段 发酵方式调节葡萄糖的渗透压，即在生长阶段加入葡 萄糖质量浓度为 1 0 0 g L，渗透压为 1 4 k P a ，而在生 产阶段再加入葡萄糖质量浓度为 2 0 0 g L ，使渗透压 增加到 3 7 k P a ，赤藓糖醇 的产量提高到 4 6 g L ，比 一 次性 加入 葡萄糖 质量浓度为 3 0 0 g ， L的产量 提高 2倍【 埘 。 K i m等人认为 ，当葡萄糖和盐具有同样的渗透压 时 ，葡萄糖 更加有 利于 细胞生 长和赤藓 糖醇 的生 产。这个结论与 O n i s h提出的在高渗透压下耐高渗 酵母更能够忍受糖的压力一致。K i m等人研究盐的 渗透压对 r “ s p 生长及赤藓糖醇产量 的影响时发 现 ，当培 养 基 中 含有 浓 度 为 0 3 mo l L的 N a C 1 或 O 4 m o l L的 K C 1 时 ，赤藓糖醇产量最大 ；而盐浓度 再 增 大 ，则 细 胞 生 长 及 耗 糖 率 下 降 1 1 8 ；对 于 D e b a r y o m y c e s h a n s e n ij而 言 ，培养 基 中含 有浓 度为 1 mo l L的 N a C l ，可以明显提高赤藓糖醇的产量 ，并 且 抑制甘 油 的积 累 1 8 。 2 3 无机盐的影响 韩国的 L e e 等人研究发现 ，Mn 和 c u 可以提高 赤 藓 糖 醇 的生 产 力 和 产 率 ，认 为 是 M n 改 变 了 T o r u l a s p 细胞膜的渗透性 ，而 c u 的存在增加了细胞 内赤藓酮糖还原酶的活性所致 ，其他的无机盐如 C a 2 ， c r ，N V 缸使赤藓糖醇的产量下降嘲 。 我 国范光先等人发现 ，随着磷浓度的升高 ，球 状酵母 O S 一 1 9 4对于赤藓糖醇的产量是减少的，这与 P e t e r s o n提 出的在多元醇生产时要限制无机磷浓度的 说法一致 6 1 。但是 L e e等人认为 ，适当舔 加肌醇和肌 醇六磷酸( 植酸)能够促进 T o r u l a s p菌体 的生长 ， 提高赤藓酮糖还原酶活性 ，进而提高赤藓糖醇 的产 量【 1 。 2 4 培养条件及发酵方式的影响 氧的存在、温度的不同、转速的改变等对于微生 物生长 、生产的影响是不同的。S p e n c e r 和 S a l l a u s 提 出，许多耐高渗酵母在有氧条件下能有利于多元醇如 乙醇 、甘油和赤藓糖醇的生产 。 P e t e r s o n等人证实 了以上 观点 ，同时提 出 ，通 风量 要充足但 是不要 过大 ，部分 限制 N A D H 的氧 化 ，使其参与还原 生成多元醇圈 。若生腾雄 等人 发 现 ，温度也是很 重要 的限制 因素 ，在 3 0生长很 好的树叶酵母 的赤藓糖醇产量却低 于 3 7培养 时 的产量 。 P a r k等人报道 ，利用 T r i c h o s p o r o n s p 重复补料分 5 2 农产品加工 创新版 2 0 0 9年第 l 2期 批发酵 ，赤藓糖醇 的容量生产率为 1 8 6 g ( L h 1 ，产 率为 4 5 E 2 1 。 0 h等人用 T o r u l a s p 补料分批培养中 ，设定初始 葡萄糖质量 浓度 为 3 0 0 g L ，后来控 制葡 萄糖质 量 浓 度在 2 2 5 g L ，磷源 采用肌 醇六磷 酸 ，赤 藓糖 醇 产量为 1 9 2 g L ，容量生产率为2 2 6 g (L h ) ，产率为 48 t z 2 1 3分析方 法 赤藓糖醇的工艺研究和工艺控制都需要精确检测 发酵液中赤藓糖醇及残糖的含量。通常采用的方法有 高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱法等。目 前， 最精密的方法当数液相色谱法。一般在研究过程 中 ，菌种的筛选通常采用薄层层析法来定性 ，然后使 用高碘酸氧化法来定量。与气相色谱法和高效液相色 谱法相比，此法不需要昂贵的仪器设备，不需要对发 酵液进行去除蛋白、有机酸 、多糖及糖醇的衍生化等 预处理，仅需离心发酵液去除酵母细胞即可，使得分 析测定时间大为缩短 。对于测定大批量 的发酵液样 品 ，高碘酸氧化法是可靠的方法 。 4展望 目前影 响赤藓糖醇生产的主要 问题是菌种 的筛 选 ，因此菌种仍是发酵过程的关键因素。我们可以从 自 然界筛选优良的高产菌种，结合诱变育种等方法不 断提高菌种产糖能力 ；在赤藓糖醇生产过程中，要尽 量降低产物抑制的影响，提高赤藓糖醇产量。在提高 赤藓糖醇的产量和转化率的同时 ，也要简化后续的纯 化工艺，降低成本。此外，还应加大赤藓糖醇在传统 食品及功能性食品的加工 、品质改善等领域的应用研 究 ，充分发挥赤藓糖醇的优 良特性 。 参考文献： 郑建仙 功能性食品生物技术 M】 北京 ：中国轻工业出 版社 ，2 0 0 4 ：1 6 8 1 7 0 杨海军 赤藓糖醇的发展及应用 J 中国食品添加剂 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ：1 0 0 1 0 2 J F T S p e n c e r ，J M Ro x b u r g h，H R S a l l a n s F a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e p r o d u c t i o n o f p l y h y d r i c a l c o h o l s b y o s mo p h i l i c y e a s t s【 】 A g r i c u l t r u a l a n d F o o d C h e m i s t r y ， 1 9 5 7 ，5 ： 6 4 671 若生腾雄，石博明 A u r e o a s i d i u m s p S N 一 1 1 5 I Z土工 l J 灭 I J 一 ， 生产 发酵工 学 【 J 】 发酵 工学 ，1 9 8 8 ，6 6 ( 4 ) ： 21 7- 2 23 Ya n g S W ， P a r k J B， Ha n N S， e t a1P r o d u c t i o n o f e r y t h r i t o l f r o m g l uc o s e b y a n o s mo p hi l i c mu t an t o f Ca n di da m a g n o l i a e J 】 B i o t e c h L e t t ，1 9 9 7 ，1 9 ( 8 ) ：7 2 7 - 7 2 9 范光先，张海平 ，诸葛健 耐高渗酵母产赤藓糖醇的影 【 8 9 【 1 0 1 1 2 【 1 3 【 1 4 】 【 l 5 】 【 1 6 】 【 l 7 【 1 8 【 l 9 】 【 2 1 】 【 2 2 】 响因素 【 J 1 无锡轻工大学学报，2 0 0 1 ，2 0( 2 ) ：1 3 3 1 3 6， 1 41 吴燕 ，吕惠敏，施大林 ，等 新型甜味剂一 赤藓糖醇产生 菌的筛选 J 生物技术，2 0 0 0 ，1 0( 2 ) ：1 7 1 9 L e e J K， Ha S I ， Ki m S Y， e t a 1 I n c r e a s e d c r y t I l ri t o l p r o d u c t i o n i n T o r u l a s p b y M n “a n d C u “ J 1 B i o t e c h L e u ， 2 0 0 0 ，2 2 ( 1 2 ) ：9 8 3 9 8 6 K i m S Y，Le e K H， K i m J H，e t a1 E r y t h i t o l p r o d u c t i o n b y c o n t mn i n g o s mo t i c p r e s s u r e i n T ri g o n o p s i s v a r i a b i l i s J B i o t e c h L e t t ，1 9 9 7 ，l 9 ( 8 ) ：7 2 7 7 2 9 I s h i z uk a H ， W a k o K， Ka s umi T， e t a 1 Br e e di ng o f a mu t a n t o f Au r e o b a s i d i u m s p wi t h h i g h e r y t h ri t o l p r o d u c t i o n J 1 F e r m e n t B i o e n g ，1 9 8 9 ，6 8 ：3 1 0 3 1 4 H a j n y G J ，S mi t h J H，G a r v e r J C E r y t h r i t o l p r o d u c t i o n b y a y e a s t l i k e f u n g u s【 J 1A p p l Mi c r o b i o l ， 1 9 6 4 ， 1 2 ： 2 40 -2 46 P a r k J B， Yo o k C， P a r k Y KP r o d u c t i o n o f e r y t h r i t o l n e w l y i s o l a t e d o s m o p h i l i c T r i c h o s o p o r o n s p 【 J 】s t a r c h s t a e r k e ， 1 9 9 8，5 0： 1 2 0 1 2 3 Ao k i MAY，P a s t o r e G M ，P ark Y K Mi c r o b i al t r ans f o rma t i o n o f s u c r o s e a n d glu c o s e t o e r y t h r i t o l J 】 Bi o t e c hn o l Le t t ， 1 9 93， 1 5：38 3 388 杨晓伟 ，吴燕 ，吕惠敏 ，等 赤藓糖醇发酵工艺研究 【 J 】 生物技术 ，2 0 0 5 ，1 5 ( 4 ) ：6 3 6 5 Ya n g S W ， P a r k J B， Ha n N S， e t a1P r o d u c t i o n o f e r y t h r i t o l f r o m g l u c o s e b y an o s mo p h i l i c mu t a n t o f Ca n d i d a ma g n o l i a e J B i o t e c h n o l o g y L e t t ，1 9 9 9 ，2 1 ：8 8 7 - 8 9 0 Ry u Y W ， P a r k C Y， P ark J B， e t a 1 Op t i mi z a t i o m o f e r y t h r i t o l p r o d u c t i o n b y C a n d i d a ma g n o l i a e i n f e d- b a t c h c u l t u r e【 J 】 I n d u s t ri a l Mi c r o b i o l o g y a n d B i o t e c h n o l o g y ， 2 0 o0。25： 1 00 -1 03 O n i s h H S t u d i e s o n o s mo p h i l i c y e a s t P a r t XV nl e e ff e c t o f h i g h c on c e n t r a t i o n o f s od i u m c hl o ride o n p o l y l o l p r o d uc t i o n 【 J 】 A g r B i o l C h e n ，1 9 6 3 ，2 7 ( 7 ) ：5 4 3 - 5 4 7 Ki m K A， No h B S， Ki m S Y， e t a 1 Efi e c t o f o s mo t i c p r e s s u r e o f s a l t s o n g r o