赤蘚糖醇發(fā)酵條件優(yōu)化的研究進(jìn)展

李春芳

（山東博健生物技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250110）

1 赤蘚糖醇

赤蘚糖醇屬于多元醇家族，廣泛存在于自然界中。因具有甜味特性，1990年作為一種新的天然甜味劑出現(xiàn)在日本市場(chǎng)上，1999年6月被國(guó)際食品添加劑委員會(huì)批準(zhǔn)作為食品甜味劑。赤蘚糖醇以其獨(dú)特的低吸濕性、低熱量、高耐受量、保護(hù)肝臟以及非致齲齒等特性，廣泛應(yīng)用于無(wú)糖食品、飲料、保健品及藥品等領(lǐng)域。赤蘚糖醇適合于各類(lèi)人群，尤其是糖尿病患者、肥胖癥、少年兒童等人群。目前，健康消費(fèi)在國(guó)民消費(fèi)支出所占比例逐漸增大，赤蘚糖醇的市場(chǎng)需求量仍在不斷擴(kuò)大[1]，其廣闊的市場(chǎng)前景引起了很多企業(yè)和科研人員的重視。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)赤蘚糖醇越來(lái)越成熟，是商業(yè)化生產(chǎn)的主要方法，但昂貴的發(fā)酵底物、副產(chǎn)物的存在致使下游分離提取成本加大，對(duì)赤蘚糖醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了一定的限制。有效降低成本是提高赤蘚糖醇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。本文介紹了高效低成本產(chǎn)赤蘚糖醇的研究狀況。

2 赤蘚糖醇的培養(yǎng)基優(yōu)化

培養(yǎng)基的組成對(duì)微生物的生長(zhǎng)有著重要的調(diào)節(jié)作用，因此在配制培養(yǎng)基時(shí)，既要保證微生物的生長(zhǎng)需要，又要有利于目標(biāo)產(chǎn)物的高效生產(chǎn)，同時(shí)還要考慮避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生。為此不少科研工作者對(duì)赤蘚糖醇發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化研究，其中碳源和氮源相關(guān)研究較多。

2.1 可替代碳源

大規(guī)模生產(chǎn)赤蘚糖醇的常用底物是葡萄糖，由于葡萄糖本身是一種價(jià)值較高的化合物，可通過(guò)應(yīng)用替代底物進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。新的生產(chǎn)方法仍在發(fā)展和改進(jìn)中，目前所研究的替代碳源包括甘油、木糖、糖蜜、菊粉、餐飲工業(yè)油脂、果糖以及蔗糖等。

現(xiàn)在已經(jīng)有不少關(guān)于甘油作為產(chǎn)赤蘚糖醇的新碳源的研究，涉及的甘油主要包括純甘油和粗甘油兩大類(lèi)。粗甘油主要是生物柴油工業(yè)的副產(chǎn)品，因此，其在赤蘚糖醇合成中的應(yīng)用不僅可以有效降低生產(chǎn)成本，而且可以支持廢棄物的利用。研究較多的是Yarrowia lipolytica菌株。在Moniliella megachiliensis菌株中同樣能觀察到甘油轉(zhuǎn)化為赤蘚糖醇。Yarrowia lipolytica不僅能將純甘油有效轉(zhuǎn)變?yōu)槌嗵\糖醇，還能利用工業(yè)廢物中的粗甘油。粗甘油的化學(xué)成分因來(lái)源不同而有所不同，其可能受到甲醇、鹽或金屬等化合物的污染。但Yarrowia lipolytica菌株能夠在不同工業(yè)過(guò)程中提取的粗甘油中生長(zhǎng)。甘油作為底物的另一優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵后的副產(chǎn)物的組成減少。在糖作為碳源的過(guò)程中，甘油是主要的副產(chǎn)物之一。但在純化過(guò)程中，甘油與赤蘚糖醇的分離尤為困難[2]。甘油用作底物時(shí)，不僅可在發(fā)酵過(guò)程結(jié)束前完全消耗掉，而且其他副產(chǎn)物的存在也可減少到10%以下。綜合比較葡萄糖和甘油為底物，赤蘚糖醇最大濃度水平相當(dāng)，但后者副產(chǎn)物產(chǎn)率較低。甘油添加量視培養(yǎng)體系差異而不同。甘油原料作為生物柴油工業(yè)的副產(chǎn)品，雜質(zhì)含量高，商品價(jià)值低，但其作為生物加工的碳源具有巨大的潛力。

木糖是半纖維素的主要成分，在自然界中含量豐富，作為生物加工的潛在碳源逐漸引起了人們的關(guān)注，特別是為富含木糖的工業(yè)廢料等低成本底物利用開(kāi)辟了可能性。糖蜜作為廉價(jià)的工業(yè)副產(chǎn)品，有研究將其作為碳源應(yīng)用到赤蘚糖醇生產(chǎn)中。需要指出的是糖蜜不是直接用于赤蘚糖醇的合成，而是用于細(xì)胞生長(zhǎng)。在第一階段，糖蜜被用來(lái)生產(chǎn)生物量，然后加入甘油以增加滲透壓使赤蘚糖醇產(chǎn)生[3]。菊粉是一種多糖，存在于菊芋、菊苣、大麗花和雅康等植物的根和塊莖中。菊粉與糖蜜一樣，具有可再生和廉價(jià)碳源的優(yōu)勢(shì)。與糖蜜類(lèi)似，菊粉也被用于Y.lipolytica菌株生產(chǎn)赤蘚糖醇的兩步發(fā)酵過(guò)程中。利用Y.lipolytica能夠在油上生長(zhǎng)的能力，可從廢棄食用油中提取赤蘚糖醇。

2.2 氮源

在赤蘚糖醇生產(chǎn)中氮源的性質(zhì)及其濃度是非常重要的參數(shù)，為得到較大的赤蘚糖醇產(chǎn)能，針對(duì)不同菌株優(yōu)化探究最佳氮源類(lèi)型及添加量。

以純甘油為碳源恒化培養(yǎng)時(shí)，研究無(wú)機(jī)和有機(jī)氮源對(duì)Y.lipolytica WratislaviaK1菌株產(chǎn)赤蘚糖醇的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含4.6 g/L硫酸銨恒化培養(yǎng)基中赤蘚糖醇含量最高達(dá)103.4 g/L，為84.5 g/L，最佳赤蘚糖醇產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率亦是在無(wú)機(jī)氮源（4.6 g/L硫酸銨）培養(yǎng)條件下獲得，分別為1.12 g/L/h和 0.52 g/g。對(duì)于菌株Y.lipolytica WratislaviaK1，Rywińska等人研究了多種無(wú)機(jī)氮源和有機(jī)氮源對(duì)赤蘚糖醇產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示氯化銨、硫酸銨和酵母提取物為最佳氮源，最佳赤蘚糖醇產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率也是在硫酸銨為氮源條件下獲得。與上述結(jié)果不同的是，有研究證實(shí)有機(jī)氮源最適合菌株Y.lipolytica WratislaviaK1產(chǎn)赤蘚糖醇。

以葡萄糖為碳源培養(yǎng)時(shí)，同樣證實(shí)硫酸銨比酵母提取物更適合菌株Y.lipolytica mutant49生產(chǎn)赤蘚糖醇，但當(dāng)葡萄糖和硫酸銨濃度低于或高于最適濃度時(shí)，赤蘚糖醇產(chǎn)率變化較大[4]。

研究發(fā)現(xiàn)以玉米浸泡粉和酵母提取物為氮源時(shí)，菌株P(guān).tsukubaensis和Moniliella sp.獲得最高赤蘚糖醇產(chǎn)量。在Torula sp.中觀察到在酵母提取物的存在下可產(chǎn)生最多的赤蘚糖醇。

3 赤蘚糖醇的生產(chǎn)工藝改進(jìn)

赤蘚糖醇的生產(chǎn)通常是分批模式進(jìn)行，因?yàn)楦叱跏计咸烟菨舛葧?huì)提高赤蘚糖醇的產(chǎn)量。分批發(fā)酵過(guò)程中，在發(fā)酵開(kāi)始時(shí)引入所有必要的底物，在所有底物耗盡后提取產(chǎn)物和副產(chǎn)物。分批發(fā)酵操作簡(jiǎn)單方便，且不需要額外的注意，與其他發(fā)酵培養(yǎng)系統(tǒng)相比，赤蘚糖醇的產(chǎn)率和濃度較低。

分批發(fā)酵赤蘚糖醇生產(chǎn)最常見(jiàn)的是分批補(bǔ)料。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，分批補(bǔ)料可保持高滲透壓[5]。迄今為止報(bào)道的最有效的赤蘚糖醇生產(chǎn)工藝是以P.tsukubaensis為發(fā)酵菌株通過(guò)分批補(bǔ)料發(fā)酵模式獲得，生產(chǎn)率高達(dá)2.86 g/L/h，與分批發(fā)酵未補(bǔ)料條件下的同一菌株相比，赤蘚糖醇增加了73%。

低滲透壓會(huì)導(dǎo)致赤蘚糖醇低產(chǎn)量，高滲透壓雖有較高的赤蘚糖醇產(chǎn)量，但會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。兩步發(fā)酵工藝，在低滲透壓下促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，然后在高滲透壓下生產(chǎn)赤蘚糖醇，避免了最佳滲透壓確定困難的問(wèn)題。

4 赤蘚糖醇的培養(yǎng)條件優(yōu)化

赤蘚糖醇的生產(chǎn)在很大程度上取決于培養(yǎng)條件。滲透壓、溫度、pH值、溶氧等的優(yōu)化控制都是與赤蘚糖醇生產(chǎn)相關(guān)的重要技術(shù)指標(biāo)。

滲透壓脅迫是赤蘚糖醇產(chǎn)生的主要誘因之一。調(diào)控滲透壓的方法主要有兩種：①使用高濃度底物，如葡萄糖或者甘油；②添加額外的鹽。滲透壓的調(diào)控是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，滲透壓升高導(dǎo)致赤蘚糖醇產(chǎn)量增加，副產(chǎn)品形成減少。然而，施加壓力條件延長(zhǎng)了酵母發(fā)育的滯后期，導(dǎo)致赤蘚糖醇生產(chǎn)率降低。

5 結(jié)語(yǔ)

由于對(duì)多元醇的需求不斷增長(zhǎng)，采用微生物生產(chǎn)赤蘚糖醇受到了越來(lái)越多的關(guān)注。人們對(duì)培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件及工藝進(jìn)行了大量的研究，培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件都得到了很好的調(diào)整，以使產(chǎn)能和轉(zhuǎn)化率最大化。針對(duì)不同菌株優(yōu)化探究最佳氮源類(lèi)型及添加量，特別是通過(guò)考慮使用可替代碳源進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。通過(guò)將各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)高效、低成本的赤蘚糖醇生產(chǎn)工藝。