Из чего он сделан?

Эритритол, также известный как (2R,3S)- бутан -1,2,3,4- тетрол, относится к семейству полигидрических спиртов (также известных как сахарные спирты)- да. Эритритол представляет собой четырехуглеродный сахар с молекулярным весом 122,12, наименьший в семействе сахарных спиртных напитков. Он не оптически активен и существует только в симметричной форме, т.е. в виде рацемата [1].

- эритритол, a four-carbon polyol, is widely found in nature. It can be isolated from fruits (pears, grapes, melons), mushrooms, alcoholic beverages (beer, wine, sake) and fermented foods (soy sauce, bean paste), and is also found in the body fluids of humans and animals, such as lens tissue, serum, plasma, fetal fluid and urine [2]. Erythritol was first isolated in 1852, but it was not until 1990 that it appeared on the Japanese market as a new natural sweetener. Erythritol has now been approved as a food additive in at least 55 countries. Like other polyols, such as xylitol, sorbitol, mannitol, lactitol or maltitol, erythritol has sweetening properties. Its sweetness is about 60% to 70% that of sucrose, and its taste and texture are similar to those of sucrose. However, due to its small molecular weight, the metabolism of erythritol in the human body is different from that of other sugar alcohols, giving it unique physiological properties such as low calories, high tolerance, few side effects, and suitability дляdiabetics, as well as being non-cariogenic [3]. In addition, erythritol is also a free radical scavenger with antioxidant properties [4].

1. Методы производства эритритола

Erythritol production methods mainly include direct extraction, chemical synthesis and microbial fermentation. The direct extraction method refers to the extraction of erythritol from natural sources such as fruits or vegetables. However, since the content of erythritol in nature is too low, the direct extraction method is rarely used. Compared with other polyols, erythritol is not suitable for chemical synthesis. The high temperature conditions and nickel catalysts required make it difficult to produce, with low product yield and poor economic benefits, so it is difficult to be adopted in large-scale industrial production [5]. As early as 1950, erythritol was found in the residue after fermenting black molasses with yeast, and this discovery opened up a new way of producing erythritol, namely microbial fermentation. At present, the microbial 3. Ферментацияmethod for producing erythritol is becoming more and more mature, and it is the main method for industrial production.

2 оптимизация метода ферментации эритритола

2.1 оптимизация средств массовой информации

Состав культурной среды оказывает важное регулирующее воздействие на рост микроорганизмов. Поэтому при подготовке культурной среды необходимо обеспечить удовлетворение потребностей роста микроорганизмов, одновременно содействуя эффективному производству целевого продукта. В то же время следует рассмотреть вопрос о недопущении производства побочных продуктов. С этой целью многие ученые провели исследования по оптимизации эритритоловых ферментационных средств массовой информации, уделяя больше внимания источникам углерода и азота, как показано в таблице 1.

2.2 альтернативные источники углерода

Широко используемым субстратом для промышленного производства эритритола является глюкоза, которая имеет хорошие результаты ферментации, но относительно дорогая. В настоящее время более распространенным подходом является дальнейшее сокращение производственных издержек за счет использования альтернативных субстратов. В настоящее время сообщается об альтернативных источниках углерода для глюкозы, включая глицерол, ксилозу, мелассы, инулин, растительные масла и жиры для предприятий ресторанной промышленности, фруктозу, сукроуз и т.д., как показано в таблице 2. Среди них, глицерол является горячей точкой исследований для альтернативных источников углерода для глюкозы.

There have been many studies on glycerol as a new carbon source for the fermentation of erythritol, который в основном включает чистый глицерол и сырой глицерол. Сырой глицерол является главным образом побочным продуктом биодизельной промышленности. Использование его в ферментации производства эритритола не только эффективно снижает себестоимость производства эритритола, но и решает проблему утилизации отходов для биодизельной промышленности. В настоящее время проводятся дополнительные исследования штамма ярровиалиполика. Кроме того, преобразование глицерола в эритритол также наблюдается в Moniliellamegachiliensis [11].

Штамм Y. lipolytica не только эффективно преобразует чистый глицерол в эритритол, но и может использовать сырой глицерол из промышленных отходов. Кроме того, химический состав сырого глицерола является сложным, со многими примесями. Основные примеси варьируются в зависимости от источника и могут быть загрязнены такими соединениями, как метанол, соли или металлы.

Стоит отметить, что штамм Yarrowialipolytica может воспользоваться глицеролом и может расти на сыром глицероле из различных источников. Еще одним преимуществом использования глицерола в качестве ферментационного субстрата для эритритола является то, что он может эффективно сократить производство побочных продуктов после ферментации. Глицерол является одним из основных побочных продуктов ферментации с использованием глюкозы в качестве источника углерода [12]. Кроме того, глицерол особенно трудно отделить от эритритола во время очистки. Когда глицерол используется в качестве ферментационного субстрата, он может быть полностью потреблен до конца процесса ферментации, а содержание других побочных продуктов может быть сокращено до менее 10% [13]. Всесторонний анализ показывает, что максимальные уровни концентрации эритритола в процессах ферментации глюкозы и глицерола сопоставимы, но урожайность последних ниже. Количество добавляемого глицерола варьируется в зависимости от системы культуры. Хотя глицерол является побочным продуктом биодизельной промышленности и имеет высокое содержание примесей, его коммерческая ценность является низкой. Однако многие доклады свидетельствуют о Том, что он обладает большим потенциалом в качестве источника углерода для биопереработки.

Xylose является основным компонентом гемицеллюлозы и обилен в природе. В последние годы ксилоза постепенно привлекала внимание как потенциальный источник углерода для микробной ферментации, особенно в связи с возможностью использования низкозатратных субstrates, таких как богатые ксилозом промышленные отходы. Мелассы, как недорогой промышленный побочный продукт, были изучены в качестве источника углерода для производства эритритола. Следует отметить, что мелассы используются не напрямую в синтезе эритритола, а для роста бактериальных клеток. Мелассы используются для накопления бактериальных клеток в начале микробной ферментации, а глицерол добавляется позже для повышения осмотического давления и тритритола триггера [14].

Inulin is a polysaccharide found in the roots and tubers of plants such as Иерусалим артишокеЦикорий, далия и якон. Как и мелассы, инулин является возобновляемым и недорогим, что делает его идеальным источником углерода для микробной ферментации. Подобно мелассу, инулин также использовался в двухэтапном процессе ферментации штаммом Y. lipolytica для получения эритритола [15]. Кроме того, пользуясь Y. lipolytica'. Способность к росту на масле добавлялась к отработанному растительному маслу, а после ферментации эритритол извлекался из системы ферментации [16].

Сообщалось, что штамм c magnoliae KFCC 11023 предпочитает фруктозу в качестве источника углерода над глюкозой. При ферментации в режиме пакетной ферментации с использованием фруктозы в качестве источника углерода концентрация эритритола в 21,25 раза превышает концентрацию глюкозы в качестве источника углерода, однако побочный продукт производства глюкозы достигает 77 г · л -1 [17]. Кроме того, когда этот штамм используется для ферментации сукроза в качестве субстрата, концентрация эритритола составляет 65 г · л -1, скорость преобразования составляет 0,21 г · г -1, а урожайность 1,0 г · л -1· н -1, что означает, что недорогие промышленные побочные продукты, которые в основном сукроуз, могут быть использованы в качестве источника углерода для дальнейшего снижения затрат.

2.3 альтернативные источники азота

Nitrogen sources are nutrients that provide nitrogen for microbial cells and metabolites. Commonly used nitrogen sources can be divided into two categories: inorganic nitrogen sources (ammonium sulfate, nitrate, ammonia and urea, etc.) and organic nitrogen sources (soybean cake meal, peanut cake meal, cottonseed cake meal, corn syrup, peptone, yeast extract and fish meal, etc.). The nature and concentration of the nitrogen source are very important parameters in the fermentation Производство эритритола. In order to obtain a large erythritol production capacity, it is necessary to optimize the type and amount of the best nitrogen source for different strains.

В условиях постоянной культуры с чистым глицеролом в качестве источника углерода изучалось влияние неорганических и органических источников азота на производство эритритола штаммом Y. lipolytica Wratislavia K1. Было установлено, что содержание эритритола в постоянной культурной среде, содержащей 4,6 г · л -1 сульфата аммония, достигает 103,4 г · л -1, а оптимальная урожайность и коэффициент преобразования эритритола также достигались в условиях источника неорганического азота (4,6 г · л -1 сульфата аммония), 1,12 г · л -1 и 99,6%, соответственно. L-1. Наилучшая урожайность и коэффициент преобразования эритритола были также получены в условиях культуры источника неорганического азота (4,6 г · л -1 сульфат аммония), 1,12 г · л -1· н -1 и 0,52 г · г -1, соответственно [18]. Rywińska et - эл. - привет.использовали Y. lipolytica Wratislavia K1 в качестве экспериментального объекта и проводили эксперименты по ферментации эритритола с использованием различных неорганических и органических источников азота. Результаты показали, что хлорид аммония, сульфат аммония и дрожжевой экстракт являются наилучшими источниками азота, а наилучшая урожайность и коэффициент преобразования эритритола были также получены при использовании сульфата аммония в качестве источника азота [9]. В отличие от приведенных выше результатов, сообщается, что источники органического азота более пригодны для ферментации эритрулозы штаммом Y. lipolytica Wratislavia K1 [21].

При использовании глюкозы в качестве источника углерода было также подтверждено, что сульфат аммония более подходит для ферментации эритрулозы штаммом мутанта Y. lipolytica 49, чем дрожжевой экстракт. Однако, когда концентрации глюкозы и сульфата аммония были ниже или выше, чем оптимальные концентрации,Выход эритритолаСильно различались [8].

Кроме того, было установлено, что наибольший выход эритритола был получен, когда штамм п. цукубаенсис и Moniliella sp. смешивались с порошковым содержанием кукурузы и дрожжевым экстрактом в качестве источника ферментационного азота [22, 23]. Что касается штамма торула, то наибольшая урожайность эритритола была получена при использовании дрожжевого экстракта в качестве единственного источника азота [6]. Это свидетельствует о Том, что различные штаммы имеют различный выбор источника азота, и тип источника азота непосредственно влияет на урожайность и продуктивность эритритола, получаемого штаммом в процессе ферментации.

3 улучшение процесса ферментации

Система культуры является одним из важных факторов, определяющих конечную концентрацию эритритола после ферментации. В целях повышения эффективности процесс ферментации эритритола постоянно совершенствуется, главным образом за счет пакетной ферментации, фед-пакетной ферментации, двухэтапной ферментации и непрерывной ферментации, как показано в таблице 3.

Производство эритритола обычно осуществляется в пакетном режиме, и более высокая начальная концентрация глюкозы может увеличить производство эритритола. При пакетной ферментации все необходимые субстраты вводятся в начале ферментации, а продукт и побочные продукты извлекаются после истощения всех субстратов. Простая пакетная ферментация проста в эксплуатации, но урожайность и концентрация эритритола низки.

Наиболее распространенным культурным процессом для ферментации эритритола является пакетное кормление. Пакетное кормление может поддерживать высокое осмотическое давление на протяжении всего культурного процесса. Наиболее эффективным процессом производства эритритола, о котором сообщалось на сегодняшний день, является фед-пакетная ферментация с использованием штамма п. цукубаенсис в качестве штамма ферментации с производительностью до 2,86 г · л -1· н -1 и увеличением производства эритритола на 73% по сравнению с тем же штаммом в пакетных условиях [22].

High osmotic - давление;can increase the yield of erythritolНо это также препятствует росту бактериальных клеток. Для решения этой проблемы разработан двухэтапный процесс ферментации, который способствует росту бактериальных клеток в условиях низкого осмотического давления на ранней стадии ферментации, а затем увеличивает осмотическое давление на более поздней стадии ферментации для содействия метаболизму эритритола бактериями [24].

Кроме того, сообщалось, что метод непрерывной ферментации применяется к методу микробной ферментации для производства эритритола. В непрерывном процессе ферментации часть культурного носителя регулярно заменяется свежим носителем. Этот метод может повысить производительность за счет расширения стадии эффективного производства. Недостаток заключается в Том, что существует большая вероятность заражения чужеродными бактериями, и штамм подвержен дегенерации из-за мутации. Решение заключается в уменьшении pH для предотвращения бактериального загрязнения [13].

4 оптимизация культурных условий

The production efficiency of erythritol depends to a large extent on the culture conditions: osmotic pressure, temperature, pH, dissolved oxygen, etc. are all important technical indicators related to the fermentation of erythritol.

Напряжение осмотического давления является одной из основных причин производства эритритола. Есть два основных способа регулирования осмотического давления: Один — использование высокой концентрации субстрата, такой как глюкоза или глицерол, а другой — добавление дополнительной соли [28]. Регулирование осмотического давления является относительно сложным процессом. Увеличение осмотического давления приводит к увеличению производства эритритола и уменьшению образования побочных продуктов. Однако слишком высокое осмотическое давление продлевает лаговую фазу развития штамма ферментации, что приводит к снижению производительности эритритола [24].

Исследования показали, что температура, pH и растворенный кислород оказывают значительное влияние на производство эритритола различными штаммами, и оптимальные значения варьируются, как показано в таблице 4.

5. Перспективы на будущее

Nowadays, more and more people are paying attention to a healthy lifestyle, and the demand for polyols is also growing. How to achieve the efficient and low-cost industrial production of erythritol has become the focus of attention of many scholars. Erythritol has many of the same properties as other sugar alcohols- да. Однако это единственный сахар, который производится в промышленности путем естественного процесса ферментации. Ученые провели много исследований для увеличения производственных мощностей. Во-первых, на основе получения высокопроизводительных эритритолопроизводящих штаммов, состав культурной среды и культурные условия были хорошо оптимизированы и скорректированы, чтобы максимизировать урожайность и преобразования.

Много усилий было также направлено на эффективное сокращение производственных издержек, особенно путем рассмотрения вопроса о дешевых возобновляемых источниках углерода, и даже с точки зрения рециркуляции побочных продуктов, исследования и разработки совместного производства эритритола были проведены с некоторым успехом. Тем не менее, было проведено относительно мало исследований по регулированию экспрессии метаболических генов эритритола. Хотя некоторые ключевые ферменты в метаболических процессах были выявлены, эритритоловый микробный метаболический путь все еще неясен на генетическом уровне. В будущем область генного регулирования должна быть направлена на всестороннее понимание генов и регулятивных факторов, связанных с синтезом эритритола. Это, несомненно, послужит мощным ориентиром для эффективного регулирования микробной ферментации эритритола, тем самым обеспечивая дальнейшее эффективное промышленное производство эритритола.

Справочные материалы:

[1] Cao Cuicui, Hu Yonghong, Yang weng и др. Научно-исследовательский прогресс по метаболическому регулированию ферментации производства эритритола [J]. Наука и техника, 2015, 23(4): 98 — 102.

[2] цай вэй, чжан цзяньчжи, цзян чженцян и др. Оптимизация условий ферментации эритритола метшниковой пулчерримой [J]. Наука о еде, 2013, 34(21): 259 — 263.

[3] Li Junlin, Guo Chuanzhuang, Wang Songjiang и др. Прогресс в исследовании характеристик и применения эритритола [J]. Пищевые добавки китая, 2019, 30(10): 169-172.

[4] den Hartog G - J.M,Boots A W,Adam-Perrot A,et al. Эритритол является сладким антиоксидантом [J]. Питание,2010,26(4): 449-458.

[5] Чэн лей, цон чжен, чэнь чжуоцзин и др. Прогресс в исследовании ферментации эритритола дрожжами [J]. Китайская приправа, 2018, 43(12): 181 — 186.

[6]  Saran S,Mukherjee S,Dalal J,et al. Высокое производство эритритола из Candidasorbosivorans SSE-24 и его ингибиторное воздействие на формирование биофтальма стрептококков мутанов [J]. Биоресурсная технология,2015(198):31 — 38.

[7] Savergave L S,Gadre R V,Vaidya B K,et al. - штамм Совершенствование и оптимизация статистических сред для повышения эффективности Производство эритритола с минимальными побочными продуктами от Candida Magnoliae mutant R23[J]. Журнал биохимической инженерии, 2011,55(2):92-100.

[8] гезелбаш г. р., нахви и Эритроз редуктазы активности, удаления побочных продуктов и Оптимизация статистических сред для производства enhancederythritol От Yarrowialipolytica мутант 49[J]. Текущая микробиология, 2014,69(2):149-157.

[9]Rywińska A,Marcinkiewicz M,Cibis E,et al. Оптимизация Среднего состава для производства эритритола из глицерола С помощью метода "Yarrowialipolytica" [J]. Препараты биохимии и Биотехнология,2015,45(6): 515-529.

[10] го дж., ли дж. Х., чэнь и др., и др. совершенствование производства эритритола ауреобацидиевых пулуланов Из xylose от мутагенеза и средней оптимизации [J]. Прикладная биохимия и биотехнология,2016,180(4):717-727.

[11] кобаяши Y, ивата H, мизусима D, и др. производство эритритола Moniliellamegachiliensis с использованием неочищенных глицерольных отходов в качестве углерода Источник [J]. Буквы в прикладной микробиологии,2015,60(5):475 — 480.

[12]Morioka S,Abe T,Maeda T,et al. Процесс производства кристалла эритритола высокой чистоты :US6030820 [P]. 2000-02- 29.

[13] миро граучук а м, фурга   A J,Rakicka M,et al. Улучшённое производство эритритола компанией Yarrowialipolytica на глицероле в многосерийных культурах [J]. Журнал промышленной микробиологии и Биотехнология,2014,41(1):57 — 64.

[14] миро граучюк а м, ракичка м, биегалска а, и др. двухэтапный процесс ферментации производства эритритола дрожжей ю. липолитика из мелассы и глицерола [J]. Биоресурсная технология,2015(198):445-455.

[15]Rakicka M,Lazar Z,Rywińska A, и др. Химическая документация,2016,70 (11):1452 — 1459.

[16]Liu XY,Yu X J,Lv J,et al. Экономичный процесс совместного производства эритритоланда липазы с Yarrowialipolytica M53 из отработанного масла для приготовления пищи [J]. Переработка пищевых продуктов и биопродуктов,2017(103):86 — 94.

[17]Yu J H,Lee D H,Oh Y J,et al От фруктозы до глюкозы Кандида магнолей, эритритол Производитель [J]. Прикладная биохимия и биотехнология,2006, 131(1-3):870-879.

[18]Rakicka M,Rukowicz B,Rywińska A,et al. Технология эффективного непрерывного производства эритритола из глицерола [J]. Журнал более чистого производства,2016 год (139):905-913.

[19] миро граучук а м, добровольский а, ракичка м, и др. недавно изолированный мутант ярровиалиполитики MK1 как правильный носитель для эффективного эритритолового биосинтеза из глицерола [J]. Биохимия процессов,2015,50(1):61 — 68.

[20] Rymowicz W,Rywińska A,Marcinkiewicz M. High-урожайность производства эритритола из сырого глицерола в fed-batch Культура ярровиалиполитики [J]. Биотехнологические письма, 2009,31(3):377-380.

[21]Tomaszewska L,Rywińska A,Rymowicz W. High of erythritol production from glycerol by Yarrowialipolytica[J]. Биомасса и биоэнергия,2014(64):309 — 320.

[22] джея м, ли к м, тивари м к и др. Прикладная микробиология и биотехнология,2009,83(2):225 — 231.

[23]Lin S J,Wen C Y,Liau J C,et al. Биохимия процессов,2001,36(12):1249-1258.

[24] ян л б, чжан х б, чжэн зи и др pressure  Контроль и контроль Fed-batch (fed-batch) fermentation  Ii. Стратегия for  Совершенствование производства эритритола компанией Yarrowialipolytica Из глицерола [J]. Биоресурсная технология,2014(151): 120 — 127.

[25] ишизука х, вако к, касуми т и др. разведение мутанта С высокой производительностью эритритола [J]. Журнал ферментации и биоинженерии,1989,68(5): 310-314.

[26] Oh D K,Cho C H,Lee J K,et al. Увеличение производства эритритола в fed- пакетных культурах торулы sp. путем контроля концентрации глюкозы [J]. Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии,2001,26(4):248-252.

[27] рю у, парк C Y, парк J  B,et al.  Оптимизация производства эритритола Candida magnoliae в fed — пакетная культура [J]. Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии,2000,25(2):100-103.

[28]Yang L B,Dai X M,Zheng Z Y,et al. Протеомический анализ производимой эритритолом ярровиалиполитики глицерола в ответ на осмотическое давление [J]. Журнал микробиологии и биотехнологии,2015,25(7):1056-1069.

[29] Tomaszewska L,Rakicka M,Rymowicz W,et Al. Сравнительное исследование метаболизма глицерола до эритритола и литровой кислоты в дрожжевых клетках Yarrowialipolytica [J]. FEMS дрожжевые исследования,2014,14(6):966-976.