発酵法でキシリトール粉末を製造する方法?

キシリトールis an important functional polyhydric alcohol. Xylitol does not require insulin to metabolize in the body, does not raise blood sugar levels after consumption, and can be used in diabetic foods. It is not fermented by microorganisms in the mouth, preventing the development of tooth decay. Xylitol can also be used as an energy source for parenteral nutrition. It is precisely because of these functional properties that xylitol is widely used in the food and pharmaceutical industries.

3つのmethods of producing xylitol: extraction, chemical synthesis and biosynthesis. Currently, industrial production mainly uses chemical synthesis. The biosynthesis method uses the reductase enzyme in microorganisms to produce xylitol, which can effectively reduce the production cost of xylitol. The fermentation method is a promising production method that not only has the potential to eliminate the キシロースpurification step, but also simplifies the xylitol separation step. Enzymatic synthesis of xylitol is a continuous and efficient production method achieved through metabolic balance of the xylose reductase coenzyme factor. This article focuses on the fermentation method of xylitol production and the factors affecting production.

1キシリトール製造の発酵方法のための微生物

1.1細菌

キシリトールを生産できる細菌はenterobacter liqufaciens、myobactenum smegmatis、corynebacterium sp.など少数である。 smegmatisは、70%までの変換率で、キシロースをキシリトールに変換する高い能力を持っています。大腸菌を最初のキシロース濃度100 g/ lの培地で発酵させると、キシリトールの生産速度は0.35 g/(l・h)に達する。

ほとんどの細菌は、キシロースをキシルロースに変換する酵素であるキシロースイソメラーゼを含む。キシルロースはさらにキシルロースキナーゼによって5-リン酸化- d-キシロースにリン酸化され、ペントースリン酸経路に入るか、キシルロース- 5-リン酸ホスホケトラーゼの作用によって3-ホスホグリセリン酸とアセチルリン酸に変換される。バシラス属の株はキシリトールを代謝することができ、これらの株はキシロースイソメラーゼと共存またはその役割を置き換える酵素酸化還元系を持っている可能性がある。この系は、キシロースをキシリトールに還元し、さらにキシルロースに酸化する。キシリトールは細菌の代謝の中間生成物に過ぎない。

1.2進行

一部の金型では、キシロースを発酵させてキシリトールを生成することもできます。キシロースを含む培地では、ペニシリウム、aspergillus、rhizopus、colletotrichum、byssochlamys、neurospora spp.などの糸状菌が低濃度のキシリトールを産生する。キシリトール(<最初のキシロース濃度50 g/ lの培地でfusarium xysporum株を好気性栽培して2日後に1 g/ l)が検出された。petromyces albertensis株は、最初のキシロース濃度100 g/ lの培地で10日間栽培した後、39.8 g/ lキシリトールおよび2.8 g/ lキシルロースの濃度に達した。

1.3酵母

微生物の中では、酵母はキシロースをキシリトールに変換する能力が比較的優れている。c . guilliermondii、c . tropicalis、c . mogii、c . parasilosisといったカンジダ属の酵母は、強いキシローズ変換能力を持つ。他にも強い変換能力を持つ酵母がある

(1) d . hanseniiのような属debaryomyces

2. p. tannophilusのような属pachysolen

3. それがsaccharomyces属

4. schyzosaccharomyces属

2. キシリトールを製造するための発酵プロセス

微生物発酵によるキシリトールの製造工程は以下の通りである。

2. キシリトールを生産するための発酵プロセスに影響を与える要因

2.1通気性率

いくつかの酵母細胞では、曝気は糖の輸送を刺激する。candida、hanesula、kluyveromyces、pichiaなどの多くの株は、糖の吸収に酸素を必要とする。好気性栽培は、キシリトールの生産がバイオマスの増加に直接関連しており、酸素消費量に強く影響されるため、キシロースのキシリトールへの変換を増加させる。いくつかの微生物は、微小好気性条件下でキシリトールを生産することができる。c . guillermondiiが微酸素条件下でキシロースと非ヘミセルロース系糖からキシリトールを生産する能力を研究した結果、キシリトールの変換率は0になった。63 g/gのキシリトールの収率とエタノールの微量ながら、他の糖はエタノールとバイオマスに変換された。debaromyces hansenii株は、好気条件下で蓄積されたアデノシン二リン酸補酵素が完全に再酸化され、生成されたキシリトールがキシルロースに再変換されるため、半好気条件下でキシリトールを生成する必要がある。

一般的に、一定の曝気速度を維持することはキシリトールの変換速度を増加させることができ、わずかな曝気速度はキシリトールの生産に有利である。しかし、pichia stipitis株の栽培では、キシリトールの収量は溶存酸素の不足と密接に関係しており、pichia tannophilus株のキシリトール変換率は、限られた嫌気条件下でより高い。c . tropicalisは限られた酸素条件下でキシリトールを蓄積することができる。キシロースリダクターゼのためにnadph補酵素を持つ酵母株を使用する場合、キシリトールの枯渇を避けるために酸素含有量を制御する必要がある。低酸素条件下では、nadphとnadhの細胞内濃度が比較的高いため、キシロース還元反応とキシリトールの蓄積が促進される。この場合、nadhはnad +に酸化されないため、nadh / nad +比が上昇するため、nad +を補酵素として利用するキシリトールデヒドロゲナーゼの活性が阻害され、キシリトールの酸化が抑制される。表1にキシロースレダクターゼとキシリトールデヒドロゲナーゼの活性に対する曝気の影響をまとめました。

キシリトールを効果的に生産するためには、まず培地内に微生物細胞が急速に蓄積することが重要です。しかし、キシリトールの生産には無酸素状態が必要であるため、培地中の溶存酸素を培養過程を通じて高いレベルに維持すると、キシリトールからキシルロースへの再酸化につながります。したがって、培養の初期段階で高いレベルの溶存酸素を維持し、キシリトールの生産期間中に微生物の呼吸数を減らす必要があります。

2.2キシロース濃度

培地中のキシロース濃度はキシリトールの生成に大きく影響する。曝気速度を上げないと、キシロース濃度が上昇すると成長速度が低下し、キシロース濃度が高すぎると細胞の成長が阻害されます。高い初期キシロース濃度は、浸透圧に強い微生物によるキシリトールの生産に有利である。低濃度では、炭素源の一部が細胞の成長に使用され、変換可能なキシロースが減少するため、変換速度が低下する。一般的に、バッチプロセスでは、微生物が高い糖濃度と高い浸透圧に耐えることができれば、初期糖濃度の増加は生産速度と変換速度を増加させることができます。

成長率が最大μマックス・c・guillemondii株時であるにかけ、最大濃度が初期キシロース20 ~ 50 g / Lを有する。c . mogii株に関する研究初期キシロース集中力を発揮しに上ってμマックス最高/ L 5 ~ 10 gであった。キシロースの初期濃度を100 g/ lから150 g/ lに増加させ、c . tropicallisを培養すると、細胞増殖が活発になり、キシリトールの産生速度が1.78 g/(l・h)から2.44 g/(l・h)に増加した。p . tannophilus、c . tropicalis、c . guilliermondiiなどの株の発酵過程で、最適な初期キシロース濃度はそれぞれ60、200、100、200 g/ lであった。初期キシロース濃度を5倍にすると製品変換率が5.5倍になり、単位中消費量と製品合成量も改善した。p . tannophilus株は、キシロース濃度が10 g/ lを超えるとキシリトールを蓄積する。キシロース濃度が低い(5 - 8 g/ l)ことと、fed-batch栽培はエタノール生産に有利であり、キシリトール生産には不利である。 タンノフィルスとビール酵母(s . cerevisiae)株では、キシロースの濃度が高まるとキシリトールの生産量が増加する。最初のキシロース濃度がキシリトール産生に与える影響を図2に示す。このように、150 - 200 g/ lの初期キシロース濃度では、酵母株や使用条件にもよりますが、抑制効果があります。

At low xylose concentrations and low aeration rates, the cell concentration will be low. Under these conditions, it is possible to start producing xylitol early in the cell culture. At higher xylose concentrations and higher aeration rates, the cell concentration is high and xylitol production is also high.

最初のキシロース濃度を10 g/ lから300 g/ lに変化させたとき、カディダ・ギレルモンディの耐性を調べた。その結果、糖濃度の増加はキシリトールの生成を促進し、培地中のキシロースの増加に伴ってキシリトールの変換速度が増加することがわかった。キシロース濃度を300 g/ lまで上げると、キシリトールの変換速度は0に達した。75 g/g、理論変換率の82.6%に達した。キシロース濃度200 g/ lでの収量は最大であり、キシロース濃度10 g/ lでの生産速度の2.4倍であった。キシリトールの生産とは対照的に、キシロース濃度の増加は細胞の成長を阻害した。細胞の成長速度は20 g/ lから50 g/ lのキシロース濃度でピークに達した。petromyces albertensis株によるキシリトールの生産では、キシロース濃度が100 g/ lでピークに達し、150 g/ lを超えると減少し始めた。これは浸透圧の細胞への影響か、基質のd-キシロース代謝酵素への悪影響である可能性がある。

2.3窒素ソース

窒素源と曝気速度は、いくつかの酵母株によるキシリトールの生産にとって非常に重要です。brewer&で#酵母のペントースリン酸経路は窒素によって調節され、アンモニウム塩は酸化的なペントースリン酸経路を刺激することができることが知られている。6-リン酸- d-グルコースのデオキシは通常nadphによって阻害される。p . tannophilusでは、アンモニウム塩の結合は成長を刺激し、nadphによる6-リン酸- d-グルコーデヒドロゲナーゼの阻害を減少させ、したがってペントースリン酸経路の活性を増加させた。有機窒素源はc . shehataeのキシリトール収量を増加させることができる。

By comparing eight inorganic nitrogen sources and four organic nitrogen sources, it was found that ammonium salts are the best inorganic nitrogen sources and yeast extract is the best organic nitrogen source. When using these two nitrogen sources, the xylitol conversion rates were 16. 7g/L and 30.6g/L, respectively. Haritsu et al. used 3, 10, and 20g/L yeast extract as nitrogen sources, respectively, and found that the xylitol production rate was 1.78 g/(L·h) at a yeast extract concentration of 20g/L, an aeration rate (90 % oxygen) was 400 mL/min and the initial xylose concentration was 100 g/L, the xylitol production rate was 1.78 g/(L·h), reaching a maximum value. In Pichia strains, the formation of polyols is greatly affected by the carbon-nitrogen ratio, and this strain produces more polyols in a low-nitrogen medium than in a high-nitrogen medium.

2.4媒体中の他の糖

基質へのグルコースの添加は、酵母によるキシロースの発酵によるキシリトールの生産に逆効果をもたらす。例えば、グルコースはカンジダおよびシゾサッカマイセスによるキシロースの利用を阻害する。これは主に、これらの種がグルコース、マンノース、ガラクトースをキシロースよりも早く同化するためである。これらのヘキソースは主に酵母細胞の成長に使用され、対応するポリオールはわずかに蓄積されます。グルコースのキシロース消費に対する阻害効果は、ごく短い時間で最大に達する。グルコース濃度が一定の値に低下するとすぐに、キシロースの変換が直ちに再開する。この短い移行期間とキシロースの取り込みの急速な回復は、制御機構が代謝産物の阻害ではないことを示している。この発見は、グルコースが豊富な条件下では、キシロース輸送の主な制御因子は不活性化や閉塞ではなく阻害であるという見解を支持している。

グルコースとキシロースの混合物を発酵させるためにカンジダ傍肥大症株が使用されたとき、グルコースが最初に消費されたことが発見された。グルコースの含有量が5 g/ l以下でキシリトールの生産が減少しないのは、グルコースがエアロビティで代謝され、エタノールが生成しないためである。しかし、グルコースの含有量が5 g/ lを超えると、その過剰分は嫌気的に代謝されてエタノールになる。この反応は、キシロースがキシリトールに還元されるのと同じ還元反応であり、両者は酸化還元電位を競ってキシリトールの生産を減少させる。

Cadida guillermomdii was evaluated for its ability to ferment non-xylose sugars such as glucose, mannose, galactose and arabinose, which are often present in hemicellulose hydrolysates. It was found that these microorganisms can rapidly ferment and utilize these sugars. However, they only use them for cell growth and ethanol production, and no corresponding polyols from these sugars are found in the culture medium.

2.5 ph温度

微生物によって最適初期ph値は異なります。d . hansenii株の最適phは5.5、カンジダ株(candida spp.)は4 ~ 6、c . parasilosisは4.5 ~ 5、c . guilliermondiiは6.0、c . boidiniiは7である。p . tannophilusの生育に最適なphは8であり、c . tropicalisの発酵に最適なphは4である。製品の生産はphの影響を受けます。例えば、シェハタエをfed-batch発酵で栽培した場合、キシリトールの生産量は最小phで最大となり、エタノールとキシリトールの生産量は最大4となりました。5、エタノールとキシリトールの生産速度が最大に達した。c . guilliermondiiがバガス加水分解物を発酵させると、ph 4.0 ~ 6.0でキシロースレダクターゼの活性が最も高くなり、phと温度の上昇に伴ってキシリトールデヒドロゲナーゼの活性が上昇した。

酵母はキシリトールを24 ~ 45°cの範囲で生産でき、通常の最適温度は28 ~ 30°cである。温度が30℃から37℃に上昇すると、p . tannophilusのキシリトール産生が減少し、アセトアルデヒドが蓄積する。c . guilliermondiiの最大成長は35°cで起こり、最大キシリトール濃度と生成物の変換速度は30 - 35°cで達成される。

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