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). 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, четырехуглеродный полиол, широко встречается в природе. Она может быть отделена от фруктов (груши, виноград, дыни), грибов, алкогольных напитков (пиво, вино, сакэ) и ферментированных продуктов (соевый соус, фасовая паста), а также присутствует в жидкостях организма человека и животных, таких как ткань линзы, сыворотка, плазма, фетальная жидкость и моча [2]. Эритритол был впервые изолирован в 1852 году, но только в 1990 году он появился на японском рынке в качестве нового натурального подсластителя. Эритритол в настоящее время одобрен в качестве пищевой добавки по крайней мере в 55 странах. Как и другие полиолы, такие как ксилитол, сорбитол, маннитол, лактитол или мальтитол, эритритол обладает приятными свойствами. Его сладость составляет от 60% до 70%, что сукроуз, и его вкус и текстура похожи на вкус и текстуру сукроуз. Однако из-за небольшого молекулярного веса метаболизм эритритола в организме человека отличается от метаболизма других сахарных спиртов, что придает ему уникальные физиологические свойства, такие как низкая калория, высокая толерантность, незначительные побочные эффекты и пригодность для диабетиков, а также является некариогенным [3]. Кроме того, эритритол также является свободным радикальным мусорщиком с антиоксидантными свойствами [4].

1. Методы производства эритритола

Методы производства эритритолаВ основном включают прямую экстракцию, химический синтез и микробную ферментацию. Прямой метод экстракции относится к экстракции эритритола из природных источников, таких как фрукты или овощи. Однако, поскольку содержание эритритола в природе является слишком низким, метод прямой экстракции используется редко. По сравнению с другими полиолами эритритол не подходит для химического синтеза. Высокие температурные условия и требуемые никелевые катализаторы затрудняют производство при низкой урожайности и низкой экономической выгоде, поэтому трудно использовать их в крупномасштабном промышленном производстве [5]. Еще в 1950 году эритритол был найден в остатке после ферментации черных мелассов дрожжами, и это открытие открыло новый способ производства эритритола, а именно микробной ферментации. В настоящее время микробная ферментация для производства эритритола становится все более зрелой и является основным методом промышленного производства.

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.

Было проведено много исследований по глицеролу как новому источнику углерода для ферментации эритритола, 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].

Инулин представляет собой полисахарид, встречающийся в корнях и клубнях таких растений, как иерусалимский артишок, цикорий, 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

Источниками азота являются питательные вещества, которые обеспечивают азот для микробных клеток и метаболитов. Широко используемые источники азота можно разделить на две категории: неорганические источники азота (сульфат аммония, нитрат, аммиак и мочевина и т.д.) и органические источники азота (соевая корма, арахисовая корма, хлопчатовая корма, кукурузный сироп, пептон, дрожжевой экстракт и рыбная мука и т.д.). Характер и концентрация источника азота являются очень важными параметрами в процессе ферментации эритритола. Для получения больших производственных мощностей по производству эритритола необходимо оптимизировать тип и количество лучшего источника азота для различных штаммов.

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 оптимальных концентраций, урожайность эритритола значительно варьировалась [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 эффективностиПроцесс ферментации эритритолаПостоянно совершенствуется, в основном за счет пакетной ферментации, фед-пакетной ферментации, двухступенчатой 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].

Высокое осмотическое давление может увеличить выход эритритола, но 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

Эффективность производства эритритола в значительной степени зависит от культурных условий: осмотическое давление, температура, pH, растворенный кислород и т.д., все это важные технические показатели, связанные с ферментацией эритритола.

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

Сегодня все больше и больше людей уделяют внимание здоровому образу жизни, растет и спрос на полиолы. Вопрос о Том, как добиться эффективного и недорогого промышленного производства эритритола, находится в центре внимания многих ученых. Эритритол обладает многими из тех же свойств, что и другие сахарные спирты. 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 - давление; Контроль и контроль Fed-batch (fed-batch) 3. Ферментация Ii. Стратегия для 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.