発酵法による甘味料キシリトール粉末の製造方法?

1導入

キシリトールに食糧の分野の広い市場スペースがある医療やその他の分野で、大きな発展の可能性があります[1-3]。現在、生物濃縮によるキシリトールの生産は、キシリトールを生産する新しいグリーンで経済的な方法である。キシリトール制作biofermentation暴力を避けるな化学反応論でしたは高温高圧装備や触媒は必要ないので、必ずしもの特異性株による具体性に酵素ため、のユニークさを見出す変換などの特性についての核心biofermentationによるキシリトール製造までも环境保护活动を学び、省エネ型の高効率は長所が多い、産業発展に大きな潜在力がたくさんありこれは、国内外の研究者によって広く研究され、注目されています[4,5]。

は微生物発酵によるキシリトール生産開発とその応用の将来性は高いと言える、まだまだ多くの問題を抱えるすべき中実際経済研究所研究と産業:高性能発酵株を得るどうに、安定しどう歩留まりを上げる総合発酵によって制御、工业化をどのように推進をさらにプロセスを[6]。これによって、現在、農耕によるキシリトール生産に研究を置く微生物発酵異なるxylitol-producingの発酵の研究実績を含むの準備の植物半セルロースミルクペプチドに発酵基板施した、デトックスや発酵条件、固定化の使用する技术multi-batch発酵【7】。本稿では、キシリトールのバイオプロセスによる生産に関する主な研究成果を紹介する。

2発酵によるキシリトール製造用微生物

2。1天然微生物によるキシリトールの発酵

工業発酵生産において、菌株の発酵性能は微生物代謝の生産能力、発酵生産のコスト、および工業規模の生産の難しさに直接関係しています。現在、キシロース/キシリトール変換とキシリトール収率微生物変換によるキシリトール生産のスケールアップを制限するボトルネックの1つであるため、優れた性能を有する高収量のキシリトール株を得ることが特に重要である[8]。

キシロースを利用して、少数の細菌、一部のカビ、およびほとんどの酵母を含むさまざまな代謝経路を介してキシリトールを生産することができる微生物種はたくさんあります[2]。しかし、ほとんどの微生物は、発酵による低変換速度でキシリトールを生産することが報告されている。真菌は、キシロース→キシルロース→キシリトール経路を通じてキシリトールを生産することができるが、真菌の生産効率は一般的に低い[9]。キシリトール発酵では、酵母、特にシュードマレが優れた性能を持ち、最大収量は理論値の84。5%に達することができます。そのため、現在の国内外の研究のほとんどは酵母を使用することに焦点を当てていますキシロースをキシリトールに変換する[10、11]。

2.2発酵によるキシリトール生産のための遺伝子組み換え株の構築

近年の遺伝子工学技術の急速な発展に伴い、一部の研究者は自然界からスクリーニング、クローニング、トランスジェニック手法を用いて高収量株を獲得している。大腸菌は遺伝子組み換えの第一選択と考えられているキシリトール生産のバクテリア容易な調節、容易な栽培、および明確な代謝背景の利点のため[12]。発酵後、大腸菌の細胞にキシロースレダクターゼ遺伝子を導入することにより、キシリトールを検出できることが実証されています。しかし、大腸菌に導入されたキシロースレダクターゼのみが、キシロースレダクターゼ(xr)特異性が比較的低く、キシロースとアラビノースの両方の変換を触媒するなど、特定の欠陥を持っています。アラビノースから生成されるアラビニトールとキシリトールは差動異性体であり、どちらも非常に似た物理化学的性質を持つため、その後の分離・精製が困難になる[13]。そこで、大腸菌にキシロースイソメラーゼ遺伝子とキシリトールレダクターゼ遺伝子を導入し、その中間生成物としてキシルロースを利用してキシリトールを生産する研究者もいます。

図1に示すように、キシロースはキシロースイソメラーゼ(xi)によってキシルロースに異性化され、キシリトールレダクターゼによってキシリトールが生成される。この経路を構築することで、キシリトール生成のための新しい経路であるxr触媒非特異性の問題を効果的に回避することができる[14]。また、大腸菌にl-アラビノースイソメラーゼ遺伝子、アロキサノースイソメラーゼ遺伝子、キシルロースレダクターゼ遺伝子を導入したことは、大腸菌からの新しい代謝経路を構築しただけではありませんL-arabinoseキシリトールは歯垢にしかし、また、アラビニトールの干渉を排除し、これも非常に良好です[15]。王ナツくんら。[16]xylanaseを通じて(xynA)とキシロースレダクターゼ泳がせる大腸菌(xyl1)にと誘導装置などをさらにそのco-expression酵素が働きがを2つは見つけ酵素が酵素が働きを下回る別するようになって気づきましたしかしそれに立証し実行する直接の原料lignocellulosicその際、発酵によってキシリトールの下準備ならなくてもいいんじゃないですか由来hemicellulosicミルクペプチドに、これはまた、キシリトールのバイオプロセスの生産のために開くための新しい経路です。これはまた、キシリトールの生物学的生産のための新しい方法を開きます。

現在では、大腸菌だけでなく、酵母も重要な産業微生物として利用されています。saccharomyces属cerevisiaeは、いくつかの成長阻害剤に対する耐性が高く、急速な成長と低い副生成物のために、遺伝子工学ベクターの重要な研究ターゲットの1つです[17,18]。図1に示すように、酵母細胞におけるキシロース代謝はキシロースレダクターゼによって触媒される。しかし、キシロース関連酵素が不足しているため、自然条件でキシロースを利用することができず、成長と代謝のための炭素とエネルギー源としてグルコースしか利用できない[19]。そのためには、キシロースレダクターゼ遺伝子(xyl1)をsaccharomyces cerevisiaeに導入し、その効率的な発現を行うことが第一条件であるキシリトール生産株の構築.

liら[20]は、saccharomyces cerevisiaeのキシローレダクターゼ遺伝子をsaccharomyces cerevisiaeに導入し、xgh2を含む組換えsaccharomyces cerevisiae株を得たキシロースレダクターゼ遺伝子の高コピーその結果、キシロース還元酵素活性が初期株の80倍に増加した。また、組換え細菌にはキシリトールデヒドロゲナーゼが存在しないため、この組換え株のキシロース変換速度は1.0 g/g以上であり、工業化の可能性が高い。

3ヘミセルロース加水分解物の発酵によるキシリトール生産

原料としての純粋なキシロースの使用生産キシリトールの生物学的方法は、キシリトールの応用分野と市場スペースを制限する高い生産コストを持っています。自然界では、トウモロコシの穂軸、バガス、綿の実の殻などの植物繊維には多量のキシロースが含まれています。キシロースは加水分解され、キシリトール生産のための発酵基質として使用されます[21,22]。純粋なキシロースを大量に存在し、持続的に原料として再生可能な植物繊維に置き換えることで、生産コストを削減し、天然資源のフル活用を実現することができます。

3.1ヘミセルロース加水分解物の調製

促進するために生物学的手法によるキシリトール生産の工業化高品質で効率的な加水分解法を見つけることが非常に重要です。ヘミセルロースの加水分解物の調製には、主に2種類の化学法と酵素法があります。化学的方法の触媒として、希硫酸および塩酸が一般的に使用されている[23]。酸性条件下で加水分解する場合に比べ、希釈酸を使用することで有害物質の含有量を減らすことができますが、発酵していないオリゴ糖が発酵液中に大量に残るため、大きな無駄になります。同時に、希釈酸加水分解は、依然として酵母細胞の成長とキシロースの変換を阻害し、その結果、キシリトールの収率が低下し、残留糖の濃度が高くなる[24]。

酸の副作用を減らすため分解、可能性がて機械手段を軽減するため、例えば、鄭胜弘ら【21】昔、超音波波や酸を楽しみながらhydrolyzeで茶シード粕取焼酎がキシロース気圧准备をしておくから、を少量用いられる酸高キシロース濃度を获得。また、それは発見されましたキシリトールの発酵性能酵素発酵による生産性は、純粋なキシロースほどではないが、酸加水分解発酵よりは著しく良好であった[25]。

トウモロコシの穀粒の場合、穀粒を加水分解するためにキシラナーゼがよく用いられる。トウモロコシ核の直接酵素加水分解と、トウモロコシ核の加水分解である[26]。トウモロコシの穀粒にはセルロースやリグニンが豊富に含まれているため、酵素による直接加水分解におけるキシラナーゼとヘミセルロースの接触面積が小さく、酵素による加水分解速度が低い。前処理により、トウモロコシ核中のリグニンを事前に除去することができますが、残ったセルロースはまだキシランの酵素加水分解を妨げています[27]。そこでdamasoらは、キシラナーゼを用いてトウモロコシの穀粒から最大0.52 g/gのキシロースを得た[28]。

研究者混合構成にxylanase hydrolyze pretreated、トウモロコシが可能ですがxylan分解の比率を高めて分解、が大量のブドウ糖分解によって製作される場合があるセルロース细胞の活性化を抑えるキシロース還元酵素、酵母とエタノールを制造する嫌気性呼吸を通じて減少につながるキシリトールの生産(29)。一方、トウモロコシautohydrolysateカーネル主としてxylan-oligosaccharidesあう歌,大量のブドウ糖してはならないcellulaseで割るをシングルxylanaseで造られるか、とxylan autoミルクペプチドにxylanaseによるトウモロコシの粒が解媒やすいだけでなく分解率を高めと分解時間が短縮され、の酵素の使用量の低下を[30]。異なる加水分解方法を使用すると、異なる品質のヘミセルロース加水分解物が生成され、異なる影響を与えることがわかりますキシリトール発酵.

3.2ヘミセルロース加水分解物の処理

のヘミセルロース加水分解物中のキシロース濃度トウモロコシのカーネルは、発酵の効率と収量に重要な影響を与えるので、キシロースの高濃度でヘミセルロース加水分解物を得る方法は、キシリトールの収量を確保するための重要な前提条件です。同時に、ヘミセルロース加水分解物は、複雑な成分と様々な種で構成されています。特に、酢酸、フルフラール、タンニンなどの有害物質が発酵に及ぼす影響を過小評価すべきではありません[31,32]。したがって、ヘミセルロース加水分解物の発酵の前に、ヘミセルロースの発酵性能に直接影響を与える加水分解物を最初に解毒する必要があります。hemicellulosichydrolysateの解毒方法は、主に真空蒸着、石灰中和、石灰中和、活性炭吸着、イオン交換樹脂吸着、低温蒸着と濃度である[33,34]。

このうち、ライム無彩色とライム無彩色以上が、解毒食品の工業方法が作った大、砂糖の量がデトックス項目で、キシリトールは歯垢の量を少なくし発酵が収益と同時に、石膏の過程で生じる無彩色後続装備と治療手段が必要です生産のコストを増加する[32];活性炭を吸着することで、解毒効果がありますが、吸着しにくいキシロースも大量に吸着しますキシリトール収率の改善で真空濃度の使用は、解毒効果を高めるだけでなく、キシロースを大量に吸着するため、キシリトールの生産性向上にも役立たない。真空濃度は、加水分解物中のキシロースの濃度を改善するだけでなく、フルフラール、酢酸およびいくつかの揮発性毒性成分の大部分を除去することができます[35]。

しかし、真空濃度には適切な濃度比の選択が重要であり、高すぎても低すぎても合理的な解毒はできない[33]。解毒法はそれぞれ特徴があるが、複数の解毒法を組み合わせて加水分解液を段階的に処理すれば良い結果が得られる。活性炭吸着とイオン交換樹脂を組み合わせることで、過剰石灰よりも解毒効果が高いことがわかりました[36]。martinezら[37]が達成した79%キシリトール収益率石灰を中和した後、少量の活性炭で処理する。したがって、複数のデトックス法の組み合わせは、高品質のヘミセルロース加水分解物を生成する重要な方法です。

3.3ヘミセルロース加水分解物を基質とした発酵条件の最適化

でヘミセルロース加水分解物を用いたキシリトール発酵基質としてのキシロースからキシリトールへの変換の度合いは、基質、温度、ph、無機イオン、曝気、発酵方式など、さまざまな発酵条件によって左右される[38,39]。これらの条件には、基質、温度、ph、無機イオン、曝気、発酵方法が含まれる[38、39]。これらの条件を調整することで、バクテリアの発酵性能をさらに向上させることができます。これらの条件の中で、基質と曝気が特に重要です。

ヘミセルロース加水分解物中のキシロースの濃度は、キシリトールの生産に大きな影響を与える。発酵過程におけるキシロースの消費速度とキシリトールの生産速度は正の相関関係にあり、加水分解物中のキシロース濃度がキシリトールの生産速度を効果的に増加させることが示された[40]。しかし、一定の範囲を超えると細菌の増殖や代謝が阻害され、キシリトール産生が減少するため、加水分解液中のキシロース濃度を最適化することが重要な調節因子となりますキシリトールの生産速度を向上させます[38]。一般的に、ほとんどの酵母の初期キシロース濃度は低いが、糖に強い酵母の中には、適切な初期キシロース濃度が100 g/ lに達するものもある[41]。

さらに、グルコース、マンノース、ガラクトース、アラビノースなどの他の糖もヘミセルロース加水分解物に存在する[39]。加水分解物に含まれるマンノース、ガラクトース、アラビノースの量が少ないため、細菌はそれらにあまり敏感ではなく、キシリトールの発酵にほとんど影響を与えません[42]。ブドウ糖の存在ははじめ、優先的に使われるように細菌自己成长のため、代谢がアップしますいつまで消費のキシロースを免れて、血液中のブドウ糖の割合の違いのミルクペプチドに変わるのけん引するだけでなく、成長潜在力にoxidation-reductionれる影响を及ぼす活動やの割合の酵素関連代謝をキシロース代謝抑止力効果も真剣に抑えてみることができることをキシリトール発酵の経路[32]。さらに、グルコース濃度が一定の範囲を超えると、細菌はキシリトール発酵を阻害するエタノールを一定量生産することがあります[37]。そのため、菌の増殖や代謝、キシリトールの発酵に適した糖度を最適化して得る必要があります。

発酵の初期段階で、培地中の十分な溶存酸素を増加させることは、一方で、細菌の急速な成長をもたらし、キシリトール発酵に不利な副産物、例えばエタノールの生産を減少させることができます;その一方で、酢酸やフルフラールなどの阻害剤を摂取して停滞期間を短縮させることもある[43]。しかし、十分に溶解した酸素下では、キシリトールデヒドロゲナーゼによって生成されたnadhは呼吸鎖によってnad +に酸化され、さらに酸化される」キシリトールのxyluloseを形成する。したがって、キシリトールは、厳密に限られた酸素供給条件の下でのみ大量に蓄積することができ、異なる曝気および発酵戦略の選択は、キシリトールの生産に大きな影響を与えます[44]。上記の問題を解決するために、いくつかの研究者は、異なる曝気速度下でキシリトールの発酵を調査し、一定の好気発酵のための適度な曝気速度を選択した[41]。

他の研究者は、発酵の開始時に高い好気性速度を使用して細菌をたくさん成長させ、それに応じて好気性速度を減少させてキシリトールの蓄積を確実にする、高、低好気性発酵の戦略を採用しています。preziosi blloyら[45]が達成したキシロース80%変換高と低部分酸素化を使用してカンディアuilliermondiiのヘミセルロース加水分解物で。さらにwangら[46]は、キシリトール発酵において、ヘミセルロース加水分解物を基質とする3段階の酸素化法を用いた。すなわち、まず、細菌を繁殖させるために高い曝気を行った。細菌が一定濃度に達した後、短時間中曝気を維持して細菌を適応させた後、曝気を低下させ続けてキシリトールを蓄積させ、この方法を適用することでキシリトールの生産性がさらに向上した。

4キシリトール生産の発酵における固定化の適用

現在、固定化技術の使用キシリトールの発酵も有望な開発方向である。遊離発酵と比較して、固定化された細胞発酵は、再利用性の利点があり、発酵生産サイクルを短縮し、製品の分離、精製、後処理を促進し、高いセル密度、高い安定性と酸、アルカリ、温度変化に対する強い耐性を持っています[47,48]。そのため、重要な研究価値と経済的価値がある。の固定化缓和細胞の安定性を向上さ醗酵と、発酵产効率を大幅に偏執症連続multi-batch発酵など、プラカシュはら創立[49]スナイパーd . hanseniiアルギン酸カルシウムとともに初期キシロース100 g / Lの濃度が、変換0.82に達してキシリトール承認率g / g 98%で同様の水準を維持し、理论的連続5日値回に分け、発酵だ。キシリトール変換は5回連続発酵バッチで理論値の98%を維持した。

細胞固定化技術の鍵は固定化担体の性能にあり、高品質担体には非毒性、良好な物質移動、低価格、長寿命という利点がある[50]。固定化発酵では、細胞の種類や特性に応じて異なる固定化方法が必要になります[51]。近年、無機材料と有機材料を組み合わせて形成される複合キャリアは、両者の長所を生かした材料として注目されています。

頳Lihongらた。[52]粒子の質量は濃度燐酸PVA大きく影响のセル粒子の抵抗と機械強度業績をの制御は極めて重要だする合成搬送アルギン酸ナトリウムポリビニルアルコール(PVA)も使用された合成埋め込みPseudohyphae tropicalis細胞です一般的に用いられている固定化法は、吸着法、共有結合法、架橋法、埋め込み法の4つである[53]。例えば、liらは[18]クローニングで得られた二重補酵素依存的なpasteur picchu酵母x-33をアルギン酸カルシウムゲル埋め込み法で固定化し、キシリトールの変換率は37.5%であったキシロース醗酵. wangら[53]ポリウレタンを用いて熱帯性pseudohyphomyces酵母を固定化した。ポリウレタンはコーン核内で脱糖やイオン交換を行わずに加水分解された。王ら[53]を捌いポリウレタン彼らの右側のtropicalisに直接変換キシローストウモロコシの粒のミルクペプチド消色もイオン交換もないキシリトール収益率や製造率71.2% 20 g / (L-h) 1000と米ドル、それぞれ発酵21日の12回も実験の方法を固定化である産業開発可能性を秘めている。

5概要

の生物濃縮によるキシリトールの生産かけがえのない利点と発展の大きな潜在力を持っています。本稿では、キシリトール生産株、ヘミセルロース加水分解物を基質としたキシリトール発酵、キシリトールの固定化技術の適用の3つの側面をまとめた。キシリトールの评価の一方の主な研究の方向をbioprocessingによる生産量すなわち、遺伝子工学技術の使用の遺伝子組み換え細菌の築堤工事、高効率高収益の遺伝子操作、によってhemicellulosicの使用のミルクペプチド基板としてキシリトール発酵技術固定化の使用さまざまな固定媒体と固定方法を使用して、発酵の効率と生産速度を向上させます。これらの研究の方向性の段階的な深化に伴い、キシリトールの生物生産プロセスがより成熟し、将来的にキシリトールの生物生産工業化のための一定の基礎を築くと考えられている。

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