微生物發酵生產甘露醇研究

劉星宇 吉林省石油化工設計研究院

微生物發酵生產甘露醇是一種比較新型的趕路程生產方法，以往人們主要通過化學合成法來生產，但是生產效率相對比較低，隨著甘露醇需求量的不斷增加，工業生產方法已經不能滿足當前的市場需求。因此，相關研究人員經過探索嘗試便發現了這種微生物生產甘露醇法，該方法不僅生產效率高，而且生態環保功能強，具有非常廣闊的市場發展空間。為了更加全面地對該種甘露醇生產方法加以了解，本文以應用范圍最廣的乳酸菌生產為例進行了簡述。

一、甘露醇的應用范圍和工業生產進展

（一）甘露醇的應用范圍

甘露醇在食品、醫藥以及化工行業等多個領域都有著廣泛應用。其中在食品領域，甘露醇可以給食品增加額外的營養價值，有利于促進人體健康；此外，因為甘露醇含有的糖分較低，口感清爽，使用后不會參與人體代謝，所以還可以作為糖尿病以及減肥患者的功能性食品使用，或者可以用于制作無糖口香糖等食品，甘露醇的存在可以有效延長食品的保質期，實際作用價值十分顯著。在醫藥領域，因為甘露醇化學性質比較穩定，無明顯吸濕性，所以可以作為維生素、抗菌藥和抗癌藥的賦形劑使用，而且因為它還具有溶解吸熱性能，亦可用于制備清涼劑和醒酒藥；不僅如此，甘露醇用于預防腎功能衰竭和腦水腫等手術中，還具有良好的滲透性利尿作用而在化工領域當中，甘露醇則可以在特定環境條件下生成多種化學制品，這些化學制品都可以廣泛應用與化妝品、塑料以及其他日用品等的生產。

（二）甘露醇工業生產進展

甘露醇的生產方法多種多樣，比如化學合成法、自然提取法以及生物轉化法等，都是比較常用的生產工藝。其中化學合成法在過去很長一段時間都被作為甘露醇生產的主流工業生產方式在使用。該種合成方法的原理是將同比例果糖和葡萄糖混合后，置于高溫高壓環境中，以雷尼鎳為催化劑，通過氫化處理方法獲得甘露醇。但是由于雷尼鎳催化劑的選擇性較差，所以該合成方法下制備的甘露醇還會帶有較大量的山梨醇副產品，而要想獲得純凈的甘露醇，就必須對二者進行分離，這在當時的工藝技術下存在很大困難，這就導致化學合成法生產甘露醇的效率一直無法得到提升，而且生產成本也不能得到黑控制。

直至最近幾年，人們研究發現了生物發酵生產甘露醇的方法，這種方法不僅對于原材料的利用率高，而且沒有副產物的生成，相比較于傳統工業生產模式而言具有諸多優勢，生物發酵生產甘露醇實際上就是一種生物轉化，其原理是將蔗糖、果糖以及葡萄糖作為微生物發酵的底物，最后將其轉化成甘露醇，然后再經過成分提純獲得甘露醇成品。細菌、酵母菌以及真菌等微生物均可以起到發酵生產甘露醇的作用，但是有研究表明，真菌好酵母菌在實現葡萄糖向甘露醇轉化的過程中，轉化率比較低，而且反應過程不可控。而利用細菌，特別是食品級乳酸菌來發酵生產甘露醇，無論在提高食品營養價值還是在促進腸道保健功能方面，都具有良好效果。

二、微生物發酵生產甘露的合成途徑

（一）同型發酵乳酸菌合成甘露醇

同型發酵乳酸菌經糖酵解（EMP）途徑合成甘露醇。該途徑的特征是1，6-二磷酸果糖的形成，它通過1，6-二磷酸果糖醛縮酶分解成3-磷酸甘油醛和二羥基丙酮磷酸，每發酵1 mol的葡萄糖生成2 mol的乳酸和2 mol的ATP。在進入EMP途徑之前，葡萄糖和果糖等單糖一般會先通過磷酸轉移酶系統（PTS）在相關酶的作用下被磷酸化，之后參與EMP途徑。甘露醇的生物合成開始于糖酵解的中間體6-磷酸果糖，1-磷酸甘露醇脫氫酶催化6-磷酸果糖轉變為1-磷酸甘露醇，再經甘露醇磷酸酶的脫磷酸作用生成甘露醇。葡萄糖或果糖等碳水化合物進入糖酵解途徑后大多數進行乳酸發酵，像甘露醇等發酵產物只有當菌株的乳酸合成途徑受到阻礙時才能生成，因此同型發酵乳酸菌并不適用于生產甘露醇。

（二）異型發酵乳酸菌合成甘露醇

異型乳酸菌發酵合成甘露醇主要是通過磷酸轉酮酶實現的。該途徑的特點是會生成5-磷酸木酮糖，然后經過磷酸轉酮酶再被分解成乙酸磷酸以及3-磷酸甘油醛。根據以往生成經驗，每發酵1mol的葡萄糖，就能夠生成同等量的二氧化碳、ATP、乙醇以及乳酸。在沒有氧氣的生產條件下，可以利用果糖作為內部電子受體，經與甘露醇脫氫酶反應而生成甘露醇，果然還原甘露醇時，相應的還原型輔酶也會被氧化，實現其再生作用效果。異型發酵乳酸菌合成甘露醇途徑中典型的菌株便是明串珠菌，該類珠菌主要以果糖和葡萄糖作為碳源，最后轉化所得物有甘露醇、乙酸、乳酸以及二氧化碳。該轉化方式也可以單獨以果糖為碳源，但是相比較于葡萄糖和果糖同時使用，果糖的用量要略多一些。將果糖作為單獨的底物，一方面可以將其作為電子受體促進甘露醇轉化生產，另一方面可以促進細胞生長，而同時將葡萄糖和果糖作為底物，葡萄糖和果糖就能夠分別用于細胞生長和甘露醇轉化，且轉化效果更加徹底，該配比不僅能夠減少果糖的消耗，還能夠降低甘露醇的生產成本。

三、結語

經過以上分析闡述不難發現，微生物發酵生產甘露醇的方法具有廣闊的發展前景，尤其是在新時期背景下，國家大力倡導生態環保理念，微生物發酵生產甘露醇是一種新型、不具環境破壞力的生產工藝，而且甘露醇轉化效率高、生產成本低，有助于實現經濟效益最大化，這對于促進甘露醇工業生產模式轉型發展具有十分積極的作用，同時也對我國大量需要甘露醇的行業有著重要的推動作用。因此，相關行業工作者應當對這種微生物發酵法引起足夠重視。