利用生物技术生产甘露醇的研究进展

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文章篇号:1007-2764(2006)03-0291-103

利用生物技术生产甘露醇的研究进展

汪园

华南理工大学轻工食品学院广州 ５１０６４０　

摘要甘露醇作为一种性能优异的功能性糖醇已广泛应用于医药食品等行业本文介绍了利用生物技术生产甘露醇的方法包括酶法和发酵法并对各种方法的优劣进行了比较

关键词甘露醇生物技术酶法发酵法生产

The Production of Mannitol by Biotechnics

Wang Yuan

(College of Light Industry and Food, South China University of Technology Guangzhou 510640, China)

Abstract: Mannitol, as a functional polyol with notable properties, has been widely used in medicine and food industry. There are many biology processes for the production of mannitol, such as enzymatic technique and fermentation. Both the advantages and disadvantages of each method are also discussed.

Keywords: Mannitol; Biotechnics; Production

甘露醇具不吸湿甜度适宜热量低无毒副作用在人体内代谢与胰岛素无关不提高血糖值不致龋齿等特点可用作糖尿病人肥胖病人的甜味剂

和功能性食品添加剂

[1]

以甘露醇为原料还可以合成多种重要精细化工中间体用生物技术生产甘露醇的方法有酶法发酵法等本文比较了酶法和发酵法的优缺点总体上发酵法优于酶法 1 酶法[2]

酶法生产甘露醇主要是通过甘露醇脱氢酶作用于果糖而得此种方法的可行性较高但可能会导致原料转化不完全如产物的抑制作用此外该反应还需要一个价格昂贵的辅助因子NAD(P)H 因此存在辅助因子的再生问题

+

D-果糖 D-甘露醇

MDH

图1 甘露醇脱氢酶(MDH)催化反应

如图1所示D-果糖还原成D-甘露醇需要以NAD(P)H 为辅酶的甘露醇脱氢酶(MDH)的作用以NADH 为辅酶的MDH(EC1.1.1.67)可以从短乳杆菌肠系膜明串珠菌酿酒酵母Saccharomyces cerevi- siae Rhodobacter sphaeroides Torulaspora delbrückii

收稿日期2006-01-14

作者简介汪园2004级硕士研究生研究方向为食品科学

荧光极毛杆菌Pseudomonas fluorescens 红树红藻(Caloglossa leprieurii )中提纯得到此外以NADPH 为辅酶的MDH(EC1.1.1.138)也已从寄生曲霉Aspe- rgillus parasitius Zymomonas mobilis 和Gluconobacter suboxydans 葡萄糖酸菌中纯化得到

MDH 对辅助因子的依赖性是酶法生产的主要限制因素由于NADH 特别是NADPH 的成本问题使得酶法的可行性不高实现辅助因子的再生可以解决该问题可以用甘露醇脱氢酶和甲酸盐脱氢酶同时转化果糖和甲酸盐的方法再生NADH(如图2)[3]甲酸盐很廉价且形成的CO 2很容易同甘露醇分离开来采用该方法重组荧光极毛杆菌菌株中MDH 的甘露醇容积生产速率可达到2.2g/(L h)

FDH

CO 2 甲酸盐

+

D-甘露醇 D-果糖

MDH

图2 辅助因子的再生

辅助因子也可通过并联葡萄糖脱氢酶和甘露醇脱氢酶的方法再生该反应将葡萄糖和果糖的混和物转化成葡萄糖酸盐和甘露醇反应方程式如图3

甘露糖也能够通过酶法转变成甘露醇但反应可逆它更易将甘露醇氧化成甘露糖因此也不可行[4]

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酶法脱氢在甘露醇生产上的还存在其它一些不足如生产仍然受到反应器中特定膜对辅助因子的截留产物对甘露醇脱氢酶强烈的阻抑作用甘露醇脱氢酶对果糖的高Km 值等因素的影响[5]此外双酶体系也会使生产成本提高

GDH

+

D-甘露醇

MDH 图3 辅助因子的再生

2 发酵法

酵母和丝状霉菌能够将葡萄糖转化成甘露醇但生产速率偏低经济上不可行而且这些微生物都很容易利用甘露醇这使得发酵过程变得难以控制纯化过程(尤其是酵母)也由于培养基中高浓度的甘油而变得异常复杂最重要的问题是这些微生物能否用于食品工业还存在着一些疑问

利用细菌生产甘露醇的发酵时间短生产易受控制因此研究得较多已有多种细菌的MDH 用于果糖的酶法生产甘露醇但研究主要集中在乳酸菌LAB 其它菌种的研究较少乳酸菌被认为是最有潜力的甘露醇生产菌它能发酵高产甘露醇另外乳酸菌还具有其它一些能提高食品营养价值的特性是应用较广的微生物因此在食品中加入产甘露醇

的益生菌

乳酸菌将拥有良好的商业前景 2.1 同型乳酸发酵异型乳酸发酵[6]

乳酸菌生产甘露醇有两种途径根据菌种的己糖发酵途径不同它的合成途径也不同一些同型发酵菌能够产生少量的甘露醇同型发酵菌一般不用来生成甘露醇生产甘露醇最好的乳酸菌是异型乳酸发酵 2.1.1 同型乳酸发酵

同型发酵菌是通过糖酵解即EMP 途径进行已糖发酵此途径中1,6-二磷酸果糖被分解成二羟基丙酮磷酸和3-磷酸甘油醛1mol 葡萄糖发酵生成2mol 乳酸和2mol A TP 在进入糖酵解途径前单糖如葡萄糖和果糖一般先通过磷酸烯醇式丙酮酸相关糖磷酸转移酶进行磷酸化作用然后再转移进入细胞一些乳酸菌如嗜热链球菌Streptococcus thermophilus 通过乳糖透性酶传输系统传输乳糖随后再紧接着一个胞内水解反应和一个磷酸化反应

同型发酵菌的甘露醇合成开始于糖酵解中间体

6-磷酸果糖磷酸甘露醇脱氢酶(EC1.1.1.17)催化6-磷酸果糖和磷酸甘露醇间的可逆转化反应生成的磷酸甘露醇再通过甘露醇磷酸酶脱磷酸得到甘露醇 2.1.2 异型乳酸发酵

异型发酵菌主要有明串珠菌属和乳酸杆菌属Ш这些菌株缺失1,6-二磷酸果糖酶通过6-磷酸葡萄糖酸/磷酸酮酶发酵己糖在厌氧条件下葡萄糖转化成等mol 的乳酸乙醇和二氧化碳每mol 葡萄糖发酵净产生1mol 的A TP 在乙酰磷酸盐转化成乙酸盐而非乙醇的过程中能够产生一个额外的A TP 分子NAD +再生必须通过一个可选择的电子受体来完成有氧条件下氧气为电子受体无氧条件下丙酮酸盐甘油和果糖等化合物通过还原反应接受电子甘露醇是果糖还原反应的最终产物该反应由甘露醇脱氢酶催化

与同型相比异型发酵菌的甘露醇生物合成不产生6-磷酸果糖在葡萄糖和果糖混和物组成的培养基中肠系膜明串珠菌能产生甘露醇每发酵1mol 的葡萄糖约2mol 的果糖被还原成甘露醇反应如下

葡萄糖+2果糖 1CO 2+1乳酸盐+1乙酸盐+2甘露醇

最适条件下每mol 葡萄糖发酵产生2mol 的A TP 果糖完全发酵生成甘露醇如果以果糖作为肠系膜明串珠菌的唯一碳源则果糖既是发酵基质也是电子受体反应式为

3果糖 2+1乳酸盐+1乙酸盐+2甘露醇

该式中1mol 果糖用于发酵2mol 果糖转化成甘露醇因此果糖对于甘露醇的最大转化率是67%每mol 果糖发酵净产生2mol 的A TP 甘露醇产生菌Leuc. pseudomesenteroides 在果糖中的最大生长率是0.55h -1显著高于一株仅能发酵果糖的菌株的生长率(每小时0.39)短乳杆菌Lactobacillus brevis 和肠系膜明串珠菌的果糖发酵模式相同

与同型不同异型发酵菌并不表现出甘露醇磷酸脱氢酶活性它们在以胞内果糖和甘露醇为介质时仅显示出甘露醇脱氢酶活性Leuc. Pseudomesen teroides 甘露醇脱氢酶不能够转化磷酸甘露醇磷酸果糖6-磷酸果糖因此该酶不同于同型发酵菌中的甘露醇磷酸脱氢酶后者只能转化磷酸果糖和磷酸甘露醇到目前还未发现同型发酵菌具有甘露醇脱氢酶活性也未发现异型发酵菌具有磷酸甘露醇脱氢酶的活性 2.2 膜式细胞循环生物反应器生产甘露醇[7]

目前微生物间歇发酵生产甘露醇的研究停留在一般生产水平即产量或容积生产速率通过筛选更高产的菌株可以提高产量而通过膜式细胞循环生物反应器(MCRB)的使用可以提高容积生产速率MCRB 的