Как производить порошок ксилитола методом ферментации?

Xylitol (Xylitol)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.

Их всего три.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 13. Ксилозаpurification 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 микроорганизмы для ферментации производства ксилитола

1.1 бактерии (1)

Только несколько бактерий могут производить xylitol, такие как Enterobacter сжижения, Myobactenum smegmatis, и Corynebacterium sp. Виды, такие как M. Smegmatis имеет высокую способность конвертировать xylose в xylitol, со скоростью преобразования до 70%. Когда Escherichia coli ферментируется в среде с начальной концентрацией xylose 100 г/л, производительность xylitol достигает 0,35 г /(л · ч).

Большинство бактерий содержат изомеры xylose, фермент, который преобразует xylose в xylulose. Xylulose далее фосфорилируется до 5- фосфод -xyulose с помощью Xylulose kinase, а затем поступает в путь пентозы фосфата или преобразуется в 3- фосфоглицерат и ацетилфосфат в результате действия Xylulose 5- фосфокетолазы. Штамм рода Bacillus может метаболизировать xylitol, и эти штаммы могут иметь фермент редокс системы, которая сосуществует с или заменяет роль изомера xylose. Эта система может уменьшить xylose до xylitol, который затем дополнительно окисляется до xylulose. Ксилитол является лишь промежуточным продуктом бактериального метаболизма.

1.2 формы

Некоторые формы также могут ферментировать xylose для производства xylitol. В среде, содержащей ксилозу, некоторые филейные грибы, такие как пенициллий, аспергилл, ризопус, коллитотрихум, быссохламы или нейроссора SPP., могут вызывать низкие концентрации ксилола. Xylitol (<) 1 г/л был обнаружен через 2 дня аэробного культивирования штамма фузариума xysporum в среде с начальной концентрацией xylose 50 г/л. Штамм petromyces albertensis достиг концентрации 39,8 г/л xylitol и 2,8 г/л xylulose после 10 дней обработки в среде с начальной концентрацией xylose 100 г/л.

1.3 дрожжи

Среди микроорганизмов дрожжи имеют относительно превосходную способность преобразования xylose для производства xylitol. Дрожжи в роду Candida, такие как C. guilliermondii, C. tropicalis, C. mogii, и C. паразитоз, имеют сильную способность конвертировать xylose. Другие дрожжи с высокой способностью преобразования включают

(1) род Debaryomyces, такие как D. hansenii

2. Род пахисолен, например, p. tannophilus

3. Род saccharomyces

4. Род schyzosaccharomyces

2. Процесс ферментации для производства ксилитола

Процесс производства ксилитола путем микробной ферментации является следующим:

2. Факторы, влияющие на процесс ферментации при производстве ксилитола

2.1 скорость аэрации

В некоторых дрожжевых клетках аэродирование стимулирует перенос сахара. Многие штаммы, такие как Candida, Hanesula, Kluyveromyces и Pichia требуют кислорода для поглощения сахара. Аэробное культивирование увеличивает преобразование ксилозы в ксилол, поскольку производство ксилола непосредственно связано с увеличением биомассы и в значительной степени зависит от потребления кислорода. Некоторые микроорганизмы способны производить ксилитол в микроаэробных условиях. Изучая способность к. гиллермондии производить ксилол из ксилозы и негемицеллюлозных сахаров в микроаэробных условиях, ферментация ксилозы привела к тому, что коэффициент преобразования ксилола составил 0. 63 г/г урожайности ксилитола и следовых количеств этанола, в то время как другие сахара были преобразованы в этанол и биомассу. Штаммы Debaromyces hansenii требуют полуаэробных условий для производства xylitol, так как сокращенный аденозин дифосфат коэнзим, накопленный в аэробных условиях, полностью реокисляется, что приводит к реконверсии производимого xylitol в xylulose.

В целом, поддержание определенной скорости аэрации может увеличить скорость преобразования ксилитола, а небольшая скорость аэрации полезна для производства ксилитола. Однако при выращивании штаммов Pichia stipitis выход ксилитола тесно связан с нехваткой растворенного кислорода, в то время как коэффициент преобразования ксилитола штаммов Pichia tannophilus выше при ограниченных или анаэробных условиях. C. тропикалис может аккумулировать ксилитол в ограниченных кислородных условиях. При использовании штаммов дрожжей с надph coenzyme для xylose редуктазы, содержание кислорода должно контролироваться, чтобы избежать истощения xylitol. В условиях низкого содержания кислорода относительно высокие внутриклеточные концентрации надph и надh ускоряют реакцию на уменьшение ксилозы и накопление ксилитола. В этом случае надх не может быть окислена до NAD+, что приводит к повышению соотношения надх /NAD+ и, следовательно, препятствует активности ксилитол-дегидрогеназы, которая использует NAD+ в качестве кофермента, чтобы предотвратить окисление ксилитола. В таблице 1 приводится краткая информация о воздействии аэрации на деятельность xylose редуктазы и xylitol dehydrogenase.

Для эффективного производства ксилитола первым соображением является быстрое накопление микробных клеток в среде, которые могут быть решены растворенным кислородом в среде. Однако, поскольку производство ксилитола требует аноксических условий, поддержание высокого уровня растворенного кислорода в среде на протяжении всего процесса культуры приведет к повторному окислению ксилитола до ксилулозы. Поэтому необходимо поддерживать высокий уровень растворенного кислорода на раннем этапе культуры, а затем снизить скорость дыхания микроорганизмов в период производства ксилитола.

2.2 концентрация Xylose

Концентрация ксилоза в культуре значительно влияет на производство ксилола. Без увеличения скорости аэрации, увеличение уровня концентрации xylose приведет к снижению темпов роста, что указывает на то, что слишком высокая концентрация xylose будет препятствовать росту клеток. Более высокая начальная концентрация xylose благоприятна для производства xylitol осмотолерантными микроорганизмами. Низкая концентрация xylose приведет к снижению коэффициента преобразования, поскольку при низких концентрациях часть источника углерода будет использоваться для роста клеток, что позволит сократить объем xylose, имеющийся для преобразования. В целом, при пакетных процессах увеличение начальной концентрации сахара может увеличить производительность и коэффициент преобразования, если микроорганизмы могут выдерживать высокие концентрации сахара и высокое осмотическое давление.

Максимальная скорость роста штамма C. guillemondii достигла максимума при начальной концентрации xylose 20-50 г/л. Исследования штамма C. mogii показали, что первоначальная концентрация xylose, при которой μmax достигла максимума, составляла от 5 до 10 г/л. Начальная концентрация xylose увеличилась со 100 г/л до 150 г/л, а культурирование C. тропикалис, рост клеток был сильным, а производительность xylitol увеличилась с 1,78 г /(л · ч) до 2,44 г /(л · ч). В процессе ферментации штаммов, таких как P. tannophilus, C. tropicalis и C. guilliermondii, оптимальные первоначальные концентрации xylose составляли соответственно 60, 200, 100 и 200 г/л. Когда начальная концентрация xylose была увеличена в 5 раз, коэффициент преобразования продукции увеличился в 5,5 раза, а также улучшено среднее потребление единицы и синтез продуктов. Штамм P. tannophilus накапливает ксилол в концентрациях выше 10 г/л. Более низкие концентрации ксилоза (5-8 г/л) и выращивание fed- партии являются более благоприятными для производства этанола и менее благоприятными для производства ксилола. Таннофил и пивные дрожжи (S. cerevisiae) штамм, производство xylitol увеличивается с увеличением концентрации xylose. Влияние первоначальной концентрации ксилоза на производство ксилола показано на рис. 2. Как видно, существует ингибиторный эффект при начальной концентрации xylose 150-200 г/л, в зависимости от штамма дрожжей и условий работы.

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.

Когда первоначальная концентрация ксилоза варьировалась от 10 г/л до 300 г/л, был изучен допуск по кадиде гиллермондии. Было установлено, что увеличение концентрации сахара ускорило производство xylitol, а скорость преобразования xylitol возросла с увеличением xylose в среде. Когда концентрация xylose была увеличена до 300 г/л, коэффициент преобразования xylitol достиг значения 0. 75 г/г, достигнув 82,6% от теоретической скорости преобразования. Выход xylitol достиг максимума при концентрации xylose 200 г/л, в то время как производительность xylitol была в 2,4 раза выше, чем при концентрации xylose 10 г/л. В отличие от производства xylitol, увеличение концентрации xylose препятствовало росту клеток. Темпы роста клеток достигли пика при концентрациях xylose от 20 г/л до 50 г/л. При производстве xylitol штаммом Petromyces albertensis скорость преобразования xylitol достигла пика при концентрации xylose 100 г/л и начала снижаться более чем на 150 г/л. Это может быть связано с воздействием осмотического давления на клетки или негативным воздействием субстрата на D-xylose метаболический фермент.

2.3 источник азота

Источник азота и скорость аэрации очень важны для производства ксилитола некоторыми дрожжевыми штаммами. В городе бревер' дрожжи, путь пентофосфата регулируется азотом, и было установлено, что соли аммония могут стимулировать окислительный путь пентофосфата. Деокси 6- фосфод-глюкозы, как правило, подавляется надф. В P. tannophilus связывание солей аммония стимулировало рост, уменьшило ингибирование надф 6- фосфод-глюкозы и, следовательно, повысило активность пентофосфатного пути. Источники органического азота могут увеличить выход ксилитола C. shehatae.

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 прочие сахара в среде

Добавление глюкозы в субстрат контрпродуктивно влияет на производство xylitol путем ферментации xylose дрожжами. Например, глюкоза препятствует использованию xylose Candida и Schizosaccharomyces. Это в основном потому, что эти виды ассимилируют глюкозу, манносовой нос и галактозу быстрее, чем ксилоза. Эти гексасы в основном используются для роста дрожжевых клеток, и только небольшое количество соответствующих полиолов накапливается. Ингибиторное воздействие глюкозы на потребление ксилозы достигает максимума только через очень короткое время. Как только концентрация глюкозы снижается до определенного значения, преобразование xylose возобновляется немедленно. Этот короткий переходный период и быстрое восстановление поглощения ксилозы указывают на то, что регулирующий механизм не является ингибирующим действием метаболических продуктов. Этот вывод также подтверждает мнение о Том, что в условиях, богатых глюкозом, основным фактором регулирования перевозки xylose является ингибирование, а не отключение и блокировка.

Когда штамм Кандида парапсилоза использовался для ферментации глюкозы и ксилозы смеси, было обнаружено, что глюкоза была впервые потреблена. Причина, по которой производство ксилитола не сокращается, когда содержание глюкозы ниже 5 г/л, заключается в Том, что глюкоза метаболизируется аэробиологически и не производит этанола. Однако, когда содержание глюкозы превышает 5 г/л, избыток метаболизируется анаэробным путем для производства этанола. Эта реакция является редукционной реакцией, так же, как снижение ксилозы к ксилитолу, и оба конкурируют за потенциал редокса, что приводит к сокращению производства ксилола.

Cadida guillermomdii was evaluated for its ability to ferment non-xylose sugars such as glucose, mannose, galactose and Арабинозе (арабский язык), 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 и температура

Различные микроорганизмы имеют различные оптимальные первоначальные значения pH. Оптимальное значение pH для штамма D. hansenii составляет 5,5, для штамма Candida (Candida SPP.) 4-6, для C. паразитоза 4,5-5, для C. guilliermondii 6,0 и для C. boidinii - 7. Оптимальный pH для роста P. tannophilus - 8, а оптимальный pH для ферментации C. tropicalis - 4. Производство продукции зависит от pH. например, когда с. шехатае выращивался путем ферментации fed- партии, производство ксилитола достигло максимального значения при наименьшем измеренном pH, а производство этанола и ксилитола достигло максимального значения pH 4. 5, уровень производства этанола и ксилитола достиг максимума. Когда к. гиллиермондии ферментировала гидролиз рогассы, активность редуктазы ксилозы была наибольшей при pH 4.0-6.0, в то время как активность дегидрогеназы ксилола увеличивалась с увеличением pH и температуры.

Дрожжи могут производить xylitol в диапазоне от 24 до 45 градусов, а нормальный оптимальный температурный диапазон от 28 до 30 градусов. Когда температура повышается с 30 до 37 градусов, производство ксилитола п. таннофила снижается, и происходит накопление ацетальдегида. Максимальный рост C. guilliermondii происходит при 35°C, а максимальная концентрация xylitol и скорость преобразования продукта достигается при 30-35 °C.

Ссылка на сайт

[1] карла джей с. - м. Силва,Ins c. Роберто,process Biochemistry,36:11191124,2001

[2] чэнь, л. - ф. * * * * Гонг, к. - с. По теме, журнал О"  - продукты питания Наука,50:226 ~ 228,1985

[3] домингес, дж. - м. Гонг, к. - с. * * * * - тсао, джи. - ти. - привет. , прикладная биохимия и биотехнология,63-65:117 ~ 127,1997

[4] жирио, ф. - м. - росейро, джей. C.,Si-мачадо,p. , дуарте-рейс, э. - р. * * * * Амарал-коллако, м. - ти. - привет. , фермент микробиологии технологии,16: 1074 ~ 1078,1994

[5] гонг, к. - с. Чен, л. - ф. * * * * - тсао, джи. - ти. - привет. , биотехнологические письма,3: 125 ~ 30,1981

[6] hahnh ·a·Gerdal,B. , джеппсон, эйч. Ског, к. - привет. * * * * Приор, б. - A. ,En- zyme Microbiology Technology,16:933 ~ 943,1994

[7] джинсы  В чем дело?  Параджи 6, эрминия домингес * * * * Jos6 Manuel dominгес,Bioresource technology,65:191 ~ 201,1998

[8] юар  В чем дело?  Парей6, эрминия домингес & Jos6 Manuel dominгес,Bioresource technology,65:203 ~ 212,1998

[9] юань  В чем дело?  Paraj6,Herminia dominгеса &Jos6 Manuel dominгеса,Bioresource technology,66:25 ~ 40,1998

[10] ким, с. - Y. - ким, джей. - эйч. * * * * - о, ди. K., журнал О"  Ферментация биоинженерия,83:267 ~ 270,1997

[11] мейриал,V. - делгенс, джей. П. Молетта, р. * * * * - наварро, джей. - м. , биотехнологические письма,13:281 ~ 286,1991

[12]Nolleau,V. Презиози-белой, л. - делгенс, джей. П. И - наварро, джей. - м. , современная микробиология,4:417 ~ 423,1995

[13]Nolleau,V. Презиози-белой, л. * * * * - наварро, джей. - м. , биографические письма,4:417 ~ 423,1995

[14] оджамо, эйч. Начинаются с h (0) xylose  Обмен веществ И производства ксилитола, центр технических исследований финляндии. VTT publications, эспо, финландия.

[15] Пунам нигам & Dalel sinGh,process Biochemistry,30(2):117124,1995

[16] тонарт, п. G6mez,J. , фукарт, м. * * * * - пако, м. В области медицины Fac- улти лэндбо. Rijksuniversitat Gent,52:1517 ~ 1528,1987

[17] вандеска, э. , амарти, с. , кузьманова, с. * * * * - джеффрис, ти. ,world Журнал по темеo" Микробиология и биотехнология,11:213 ~ 218,1995

[18] вандеска, э. , кузьманова, с. * * * * - джеффрис, ти. Ч. : м.  Journal  O "Fer- mentation Bioengineering,80:513 ~ 516,1995

[19]VonGsuvanlert,V. * * * * Тани, ты где? По теме, журнал O "ферментация" Bioengi- ниринг,67:35 ~ 39,1989

[20] чжан H R, He C X, Liang X Y et al. Acta Bioeng Biotech. 16(3): 304-307, 2000

[21]Huai Wenhui, He Xiuping, Zhang Borun, Bulletin of Microbiology, 27(1): 66 ~ 69, 2000

[22]Feng Jie, Zhang Liping, Huang Xuesong, Food and Fermentation Industry, 27(3): 66 ~ 70, 2000