生物法制备山梨醇的研究进展

生物法制备山梨醇的研究进展

朱建良　吴振兴

(南京工业大学制药与生命科学学院,江苏南京210009)

摘要　山梨醇是一种存在于许多水果中的多羟基化合物,它作为甜味剂、保湿剂、软化剂被广泛用于食品工业、化妆品、药品的生产。综述了利用运动发酵单胞菌(Z ym om onas mibilis )发酵生产山梨醇的研究进展,讨论了利用运动发酵单胞菌工业化生产山梨醇的可能性,并将它与化学法生产山梨醇以及利用其他微生物生产山梨醇的方法作了比较。关键词　山梨醇　运动发酵单胞菌　葡萄糖果糖氧化还原酶　葡糖酸

收稿日期:2006-03-02

作者简介:朱建良(1964～),男,博士,教授,主要研究方向:生物反应过程开发、生物能源新技术的研究

The R esearch and Development of the Bioproduction of Sorbitol

Zhu Jianliang Wu Zhenxing

(C ollege of Life Science and Pharmaceutical Engineering of N JUT ,Jiangsu Nanjing 210009)

Abstract S orbitol ,a poly ol found in many fruits ,is widely used as sweetener ,humectant and s oftener in the produc 2

tion of food ,cosmetic and medicament.The production of s orbitol by Z.mobilis was reviewed.The possibilities for the in 2dustrial production of s orbitol by Z.mobilis were discussed ,and com pared with the current chemical production method as well as other microbiological processes.

K eyw ords s orbitol Z.ymomonas m obilis G FOR gluconic acid

为了探索一条利用生物法大规模生产山梨醇和

葡糖酸的途径,很多科学家都做出了不懈的努力。本文概述了近年来利用运动发酵单胞菌生产山梨醇的研究进展,并将它与化学法生产山梨醇以及利用其他微生物生产山梨醇的方法作了比较。本文还讨论了山梨醇的性质、应用和市场前景等[1～5]。

1山梨醇的性质、应用和工业化生产

1.1　山梨醇性质和应用

山梨醇(D -s orbitol ),又名山梨糖醇,化学名为1,2,3,4,5,6-己六醇,分子式为C 6H 14O 6,相对分子

质量为18211。山梨醇在自然界如水果、蔬菜、烟草中广泛存在,特别是在梨、桃中的含量高达10%以上[6]。1872年Joseph Boussingault 从山梨树果实的果汁中分离出山梨醇[7],山梨醇由此得名。山梨醇的应用很广泛,除作为合成维生素C 的原料以外,在医药、食品添加剂、牙膏等行业中用量也很大。1.2　化学法制备山梨醇

目前,国内外普遍采用葡萄糖催化加氢法生产山

梨醇。催化加氢法的反应式如下

C 6H 12O 6+H 2

150℃,4.5MPa

镍触媒,pH =8.2

C 6H 14O 6

具体过程为将浓度为53%左右的葡萄糖水溶液定量加入到高压反应釜中,同时加入葡萄糖质量1%的镍催化剂,并把pH 值调至弱碱性,然后通入高压氢气进行加氢反应。最终可得无色透明液体产品,沉降的镍经回收可再利用[8]。

2

运动发酵单胞菌和葡萄糖果糖

氧化还原酶

2.1　运动发酵单胞菌

运动发酵单胞菌最早是从一些植物的发酵液中以及坏掉的苹果酒和啤酒中被分离出来的。它属于革兰氏阴性菌,兼性厌氧,是具有圆端肥粗的杆状细胞,单个或成对,用丝生鞭毛运动,长114～210μm ×410～510μm ,较少成短链,在琼脂平板上生长缓

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74—第20卷第5期2006年5月 化工时刊Chemical Industry T imes Vol.20,No.5

May.5.2006

慢[9],其电镜照片见图2(A )。

运动发酵单胞菌能通过脱氧酮糖酸(E D )途径把1m ol 葡萄糖降解为2m ol 乙醇和2m ol 二氧化碳(图1)。这个过程只需消耗1个三磷酸腺苷(ATP ),只有2%～5%的碳源用于细胞生长[10]。它同样能利用降

解葡萄糖的方法来降解果糖生成乙醇、二氧化

碳[10、12]

。除了以上这两个单糖,蔗糖也能被运动发酵单胞菌用作碳源。蔗糖首先被降解成葡萄糖和果糖,从而进一步在细胞内代谢或聚合成果聚

糖[11、14、16～23]

2.2　葡萄糖果糖氧化还原酶

Leigh 等[4]首次正确地阐明了运动发酵单胞菌生产山梨醇和葡糖酸的代谢路径。他们认为有一个未知的辅助因子把两种酶连接在一起催化葡萄糖和果

糖转化为葡糖酸和山梨醇。两年以后,Z achariou 和Scopes [5]提出运动发酵单胞菌所特有的葡萄糖果糖氧化还原酶(G FOR )负责把葡萄糖和果糖转化为葡糖酸内酯和山梨醇。葡糖酸内酯又可以通过葡糖酸内酯酶(G L )转化为葡糖酸。葡萄糖果糖氧化还原酶是一个四聚物,它具有4个相似的亚基,每个大约有

40000Da [5、25]

,烟酰胺腺呤二核苷酸磷酸(NADP +)作为G FOR 的辅酶,其成熟的酶蛋白位于细胞周质空间。K ingston 等[27]发现G FOR 的结构与6-磷酸葡萄糖脱氢酶极其相似,认为这两种酶可能都是从一个前体发展而来的。

G FOR 的作用机制是一个典型的乒乓机制,首先葡萄糖在被转化为葡糖酸的过程中释放出G FOR ,然后G FOR 将果糖还原成山梨醇[26]。G FOR 的生理学功能可能是当细胞在高葡萄糖浓度中生长时对细胞的渗透压进行调节[35]。

为了使细胞中的G FOR 达到较高的活力,运动发酵单胞菌必须以葡萄糖为唯一碳源[5]。葡萄糖和果糖都是通过葡萄糖转运载体(G LF )进入周质的。山梨醇形成后被一种特殊的载体从周质运输到细胞

质[13、15]

。当G FOR 在细胞外用于生产山梨醇和葡糖酸时,它会变得极不稳定[28～31],但是硫醇试剂和尿

素能保护G FOR 酶活[28、30～33]

。

3利用运动发酵单胞菌制备山梨醇

3.1　运动发酵单胞菌预处理以及固定化方法的探索

在传统的间歇发酵过程中,运动发酵单胞菌利用葡萄糖和果糖发酵生成的主要产物是乙醇,而山梨醇的产量占底物质量的11%[3](图1)。考虑到在传统发酵过程中山梨醇的产量太低,Chun 和R ogers [35]将运动发酵单胞菌Z M4(ATCC 31821)菌株细胞用10%(V/V )的甲苯进行渗透处理,其目的是将细胞内的大部分的可溶辅助因子释放出来,而这些因子对于通过E D 途径生成乙醇和葡糖酸以及其他代谢产物的整个过程来说是必需的(图2)。Chun 和R ogers [35]将运动发酵单胞菌进行固定化以后进行125h 连续发酵,整个过程中山梨醇和葡糖酸的浓度维持在80

～85g ·L -1且生产能力分别为716g (L ·h )和7.2g/(L 1h )。

1:糖激酶;2:6-磷酸葡萄糖脱氢酶;3:6-磷酸葡糖酸内酯

酶;4:6-磷酸葡糖酸脱氢酶;5:2-酮-3-脱氧-6-葡糖酸醛缩酶;6:甘油醛磷酸脱氢酶;7:磷酸甘油激酶;8:磷酸甘油变位酶;9:烯醇酶;10:丙酮酸激酶;11:果糖激酶;12:6

-磷酸葡萄糖异构酶;13:葡萄糖果糖氧化还原酶;14:葡糖酸内酯酶;15:葡糖酸激酶;16:丙酮酸脱羧酶;17:乙醇脱氢酶;18:果聚糖蔗糖酶

图1　运动发酵单胞菌利用葡萄糖和果糖

生产山梨醇、葡糖酸和乙醇的过程

(A )未经渗透处理; (B )渗透处理以后

图2　运动发酵单胞菌细胞的电镜照片

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4—化工时刊　

20061Vol 120,No 15 化工纵横《C omments &Reviews in C 1I 1》