微生物产木糖醇的研究进展及应用前景分析

微生物产木糖醇的研究进展及应用前景分析
发布时间：2023-05-16T08:22:15.985Z 来源：《新型城镇化》2023年9期作者：田强孟雯雯孔莉莉董睿谢秀云石娜娜贾海霞于华[导读] 目前，世界上对微生物发酵法生产木糖醇的研究很多，已取得不少成果，令人关注。

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摘要：目前，世界上对微生物发酵法生产木糖醇的研究很多，已取得不少成果，令人关注。

微生物发酵法不需要化学合成法所必需的高压高温反应条件，还可综合利用像树枝、落叶等大量未利用生物量资源，既解决了原料问题，还解决了环境问题，为木糖醇的生产开辟了新途径。

关键词：微生物发酵；木糖；木糖醇；阿拉伯糖；阿拉伯糖醇；
工业生产中，生产木糖醇的原料主要是纸浆和玉米芯中所含有的多缩木糖（Xytan）成分，调制生产得到木糖，然后使用镍作催化剂，在氧化还原作用（加氢作用）下生产得到木糖醇制品。

关于木糖醇发酵生产法的研究目前世界已经有许多，在生产性和成本上比化学还原法，其优位性还不低。

1 从木糖开始的木糖醇生产
1.1 可产生木糖醇的微生物
众所周知，能资化（同化）木糖的酵母在特定的培养条件下，可以在培养基质中积累木糖醇代谢产物。

在有关发酵法生产木糖醇的研究中，这类酵母是最常利用的。

作为从木糖到产生木糖醇的酵母有假丝酵属、毕赤氏酵母菌属、德巴利氏酵母属等多种。

特别是热带假丝酵母等酵母大多产生木糖醇的能力高，收率（生成物质量/消耗基质质量）大约在70%~85%（如下页表1）。

另外，还发现了丝状菌、细菌肠杆菌科、肠杆菌属变种和纤维单胞菌菌属等，也能利用木糖转化生产木糖醇。

1.2 酵母生产木糖醇的机制（机理）
假丝酵母菌属（Candida）的酵母通过如图1所示的代谢路线生产木糖醇。

木糖原料（基质）首先在木糖还原酶（XR）作用下还原成木糖醇。

然后在木糖醇脱氢酶作用下氧化生成D-木糖。

D-木糖磷酸化以后，通过戊糖磷酸代谢路线代谢。

相对于第一个反应的催化剂主要利用的辅酶NAD PH，第二个反应的催化剂XDH（木糖醇脱氢酶）是利用NAP+作为辅助酶发生作用的，XR是利用NAD PH和NADH两者而存在。

酵母细胞内NADP主要通过戊糖磷酸的代谢路线转化成NAD PH。

另一方面NADH在好气条件下经过呼吸反应链（氧化的磷酸化）的反应后，再生成NAD+（见图1）。

图1 假丝酵母的木糖代谢路线
2木糖醇生产
木糖醇由于其特殊的理化性质在众多领域被广泛应用，全球需求量日益增多。

富含多缩戊糖的农业废弃物用来生产木糖醇，如玉米芯、麦秆、棉籽皮等。

目前，木糖醇的生产多采用生物转化法，生物转化法需要的条件温和、质量稳定、安全性高，因此成为生产木糖醇理想的方法。

生物转化法分为微生物发酵法、酶催化法，其中用微生物发酵法生产木糖醇，因为酶的底物专一性和酵母的专一性，可以不使用高压设备、不添加大量催化剂加快反应速率，同时还可以节约一部分开支，减少能耗。

3 由葡萄糖转化生产木糖醇
3.1 通过D-阿拉伯糖介入的转换
如果使用毕赤氏酵母菌属、假丝酵母菌属德巴利氏酵母属等不同的好渗透压性酵母在好气条件下培养后，葡萄糖就大量生成D-阿拉伯糖醇。

这些酵母由于保持了细胞内的渗透压、氧化还原状态和p H等条件，便合成了D-阿拉伯糖醇。

D-阿拉伯糖醇是木糖的差向（立体）异构体。

利用汉氏德巴利氏酵母将葡萄糖氧化为D-阿拉伯糖醇，然后D-阿拉伯糖醇经过弱氧化醋酸杆菌氧化为D-木糖，最后用季也蒙氏假丝酵母还原为木糖醇，木糖醇的收率为12%，全部反应需要耗时211h。

在这一连串的反应中，D-阿拉伯糖醇→D-木糖→木糖醇的两阶段反应是用葡萄糖氧化菌做菌种，在一个发酵槽内进行的。

味之素公司研究小组总结的一个报告：使用该方法从D-阿拉伯糖醇转变为木糖醇的培养时间为27 h，收率为56%。

然后，研究添加了作为辅加基质的葡萄糖和乙醇，结果由D-阿拉伯糖醇转化为木糖醇的收率达到了极高的98%。

此外，用发酵法将葡萄糖制成D-木糖后，最后还考察研究了使用木糖醇转化的添加酶（木糖醇脱氢酶）和进行加氢的方法。

3.2 利用木糖醇磷酸脱氢酶的变换
在资化木糖醇的格兰氏阳性细菌中，已研究成功了有磷酸化木糖醇的独特的代谢路线（过程）。

丹尼斯克公司的研究小组分离了乳杆菌属细菌和难辩梭状芽孢杆菌）产生的木糖醇磷酸脱氢酶（XPDH）的遗传基因后，通过导入XPDH制得了D-核糖磷酸异构酶和反式酮酶缺陷型枯草芽孢杆菌变异株，制成将葡萄糖原料转换成木糖醇的体制。

该菌株是五碳糖磷酸代谢路线（过程）的中间产物D-木糖-5-磷酸，通过XPDH还原成木糖醇磷酸以后，在细胞内的糖磷酸经过磷酸酶作用下脱磷酸化生成木糖醇。

培养该菌300 h后，收率为23%。

3.3 木糖醇生产菌
味之素公司的研究小组研究发现了葡萄糖醋酸菌（Glucomobacter Acetobacter）是以葡萄糖为基质生成木糖醇及D-木糖的菌株。

培养基中50 g/L的葡萄糖经过4 d培养后产生了0.3 g/L~0.5 g/L的木糖醇及0.3 g/L~2.3 g/L的D-木糖。

3.4 未利用生物量用于生产木糖醇
3.4.1 开发木糖特异性的XR（木糖还原酶）
假丝酵母等资化木糖的微生物中的XR是称之为木糖还原酶的酶类，其基质特异性广，也能还原L-阿拉伯糖成L-阿拉伯糖醇。

zhao等的研究发现了粗糙链孢霉的XR对木糖有高特异性（是L-阿拉伯糖的2.4倍），其次，阿卡帕（ァカパン）霉菌的XR进行随机排列的变异后，对木糖的特异性成功提高到约16.5倍。

3.4.2 从L-阿拉伯糖到木糖醇的转变
神原祥清等人的研究筛选出能够将木糖和L-阿拉伯糖两者都能生产木糖醇的菌株。

为此，首先用遗传因子重组的方法导入大肠杆菌（E.coli）新的代谢体系，进行L-阿拉伯糖到木糖醇的转化。

为了再生辅助酶（NADH），添加了辅助基质甘油，构筑成基因重组的大肠杆菌培养36 h，L-阿拉伯糖转化为木糖醇的收率为92%。

4产物的分离
用微生物法生产木糖醇后预处理液中还有一定量的木糖，因此必须除去它们，才能得到高浓度的木糖醇浓缩液。

除去木糖的方法有很多，如把单糖转化为糖脖三甲基硅醚衍生物，或将单糖还原、酰化，生成糖醇乙酸脂等。

因这些方法需要试剂和有机溶剂，不适于工业化生产。

5结束语
作为微生物发酵法的有利点（优点）在于葡萄糖和未利用的生物量等廉价原料得以利用。

虽然目前尚未正式应用在工业生产中，可是，近年来随着遗传工程和生物代谢工程学等的发展，从木糖以外的糖制作木糖醇的新途径已经被研究发现。

而且，未利用生物量由于近年来用于乙醇的生产研究非常盛行，使得迄今为止视为瓶颈的糖化技术有望得到彻底解决。

那么，一旦发酵法生产生物乙醇实现了工业化生产，就可以期望利用微生物发酵法生产木糖醇，此项技术将具有极大的发展前景。

参考文献：
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[2]赵玉国；丁勇；梁爽；王树青；郭静；张云东.木糖醇压片糖果的研发[J]. 现代食品，2019（24）
[3]熊荣园；王黎明；罗通彪；尚英；叶明芬；康林芝.木糖醇金针菇酸奶发酵工艺研究[J]. 食用菌，2019（06）。