赤蘚糖醇發酵條件優化的研究進展

李春芳

（山東博健生物技術有限公司，山東濟南 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在日本市場上，1999年6月被國際食品添加劑委員會批準作為食品甜味劑。赤蘚糖醇以其獨特的低吸濕性、低熱量、高耐受量、保護肝臟以及非致齲齒等特性，廣泛應用于無糖食品、飲料、保健品及藥品等領域。赤蘚糖醇適合于各類人群，尤其是糖尿病患者、肥胖癥、少年兒童等人群。目前，健康消費在國民消費支出所占比例逐漸增大，赤蘚糖醇的市場需求量仍在不斷擴大[1]，其廣闊的市場前景引起了很多企業和科研人員的重視。微生物發酵法生產赤蘚糖醇越來越成熟，是商業化生產的主要方法，但昂貴的發酵底物、副產物的存在致使下游分離提取成本加大，對赤蘚糖醇產業的發展造成了一定的限制。有效降低成本是提高赤蘚糖醇市場競爭力的關鍵。本文介紹了高效低成本產赤蘚糖醇的研究狀況。

2 赤蘚糖醇的培養基優化

培養基的組成對微生物的生長有著重要的調節作用，因此在配制培養基時，既要保證微生物的生長需要，又要有利于目標產物的高效生產，同時還要考慮避免副產物的產生。為此不少科研工作者對赤蘚糖醇發酵培養基進行優化研究，其中碳源和氮源相關研究較多。

2.1 可替代碳源

大規模生產赤蘚糖醇的常用底物是葡萄糖，由于葡萄糖本身是一種價值較高的化合物，可通過應用替代底物進一步降低生產成本。新的生產方法仍在發展和改進中，目前所研究的替代碳源包括甘油、木糖、糖蜜、菊粉、餐飲工業油脂、果糖以及蔗糖等。

現在已經有不少關于甘油作為產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。粗甘油主要是生物柴油工業的副產品，因此，其在赤蘚糖醇合成中的應用不僅可以有效降低生產成本，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化為赤蘚糖醇。Yarrowia lipolytica不僅能將純甘油有效轉變為赤蘚糖醇，還能利用工業廢物中的粗甘油。粗甘油的化學成分因來源不同而有所不同，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過程中提取的粗甘油中生長。甘油作為底物的另一優點是發酵后的副產物的組成減少。在糖作為碳源的過程中，甘油是主要的副產物之一。但在純化過程中，甘油與赤蘚糖醇的分離尤為困難[2]。甘油用作底物時，不僅可在發酵過程結束前完全消耗掉，而且其他副產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，但后者副產物產率較低。甘油添加量視培養體系差異而不同。甘油原料作為生物柴油工業的副產品，雜質含量高，商品價值低，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注，特別是為富含木糖的工業廢料等低成本底物利用開辟了可能性。糖蜜作為廉價的工業副產品，有研究將其作為碳源應用到赤蘚糖醇生產中。需要指出的是糖蜜不是直接用于赤蘚糖醇的合成，而是用于細胞生長。在第一階段，糖蜜被用來生產生物量，然后加入甘油以增加滲透壓使赤蘚糖醇產生[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，具有可再生和廉價碳源的優勢。與糖蜜類似，菊粉也被用于Y.lipolytica菌株生產赤蘚糖醇的兩步發酵過程中。利用Y.lipolytica能夠在油上生長的能力，可從廢棄食用油中提取赤蘚糖醇。

2.2 氮源

在赤蘚糖醇生產中氮源的性質及其濃度是非常重要的參數，為得到較大的赤蘚糖醇產能，針對不同菌株優化探究最佳氮源類型及添加量。

以純甘油為碳源恒化培養時，研究無機和有機氮源對Y.lipolytica WratislaviaK1菌株產赤蘚糖醇的影響，結果發現含4.6 g/L硫酸銨恒化培養基中赤蘚糖醇含量最高達103.4 g/L，為84.5 g/L，最佳赤蘚糖醇產率和轉化率亦是在無機氮源（4.6 g/L硫酸銨）培養條件下獲得，分別為1.12 g/L/h和 0.52 g/g。對于菌株Y.lipolytica WratislaviaK1，Rywińska等人研究了多種無機氮源和有機氮源對赤蘚糖醇產量的影響，結果顯示氯化銨、硫酸銨和酵母提取物為最佳氮源，最佳赤蘚糖醇產率和轉化率也是在硫酸銨為氮源條件下獲得。與上述結果不同的是，有研究證實有機氮源最適合菌株Y.lipolytica WratislaviaK1產赤蘚糖醇。

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

研究發現以玉米浸泡粉和酵母提取物為氮源時，菌株P.tsukubaensis和Moniliella sp.獲得最高赤蘚糖醇產量。在Torula sp.中觀察到在酵母提取物的存在下可產生最多的赤蘚糖醇。

3 赤蘚糖醇的生產工藝改進

赤蘚糖醇的生產通常是分批模式進行，因為高初始葡萄糖濃度會提高赤蘚糖醇的產量。分批發酵過程中，在發酵開始時引入所有必要的底物，在所有底物耗盡后提取產物和副產物。分批發酵操作簡單方便，且不需要額外的注意，與其他發酵培養系統相比，赤蘚糖醇的產率和濃度較低。

分批發酵赤蘚糖醇生產最常見的是分批補料。在整個培養過程中，分批補料可保持高滲透壓[5]。迄今為止報道的最有效的赤蘚糖醇生產工藝是以P.tsukubaensis為發酵菌株通過分批補料發酵模式獲得，生產率高達2.86 g/L/h，與分批發酵未補料條件下的同一菌株相比，赤蘚糖醇增加了73%。

低滲透壓會導致赤蘚糖醇低產量，高滲透壓雖有較高的赤蘚糖醇產量，但會抑制細胞生長。兩步發酵工藝，在低滲透壓下促進細胞生長，然后在高滲透壓下生產赤蘚糖醇，避免了最佳滲透壓確定困難的問題。

4 赤蘚糖醇的培養條件優化

赤蘚糖醇的生產在很大程度上取決于培養條件。滲透壓、溫度、pH值、溶氧等的優化控制都是與赤蘚糖醇生產相關的重要技術指標。

滲透壓脅迫是赤蘚糖醇產生的主要誘因之一。調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。滲透壓的調控是一個比較復雜的過程，滲透壓升高導致赤蘚糖醇產量增加，副產品形成減少。然而，施加壓力條件延長了酵母發育的滯后期，導致赤蘚糖醇生產率降低。

5 結語

由于對多元醇的需求不斷增長，采用微生物生產赤蘚糖醇受到了越來越多的關注。人們對培養基成分、培養條件及工藝進行了大量的研究，培養基組成和培養條件都得到了很好的調整，以使產能和轉化率最大化。針對不同菌株優化探究最佳氮源類型及添加量，特別是通過考慮使用可替代碳源進一步降低生產成本。通過將各個環節結合起來，可實現高效、低成本的赤蘚糖醇生產工藝。