赤藓糖醇发酵条件优化的研究进展

李春芳

（山东博健生物技术有限公司，山东济南 250110）

1 赤藓糖醇

赤藓糖醇属于多元醇家族，广泛存在于自然界中。因具有甜味特性，1990年作为一种新的天然甜味剂出现在日本市场上，1999年6月被国际食品添加剂委员会批准作为食品甜味剂。赤藓糖醇以其独特的低吸湿性、低热量、高耐受量、保护肝脏以及非致龋齿等特性，广泛应用于无糖食品、饮料、保健品及药品等领域。赤藓糖醇适合于各类人群，尤其是糖尿病患者、肥胖症、少年儿童等人群。目前，健康消费在国民消费支出所占比例逐渐增大，赤藓糖醇的市场需求量仍在不断扩大[1]，其广阔的市场前景引起了很多企业和科研人员的重视。微生物发酵法生产赤藓糖醇越来越成熟，是商业化生产的主要方法，但昂贵的发酵底物、副产物的存在致使下游分离提取成本加大，对赤藓糖醇产业的发展造成了一定的限制。有效降低成本是提高赤藓糖醇市场竞争力的关键。本文介绍了高效低成本产赤藓糖醇的研究状况。

2 赤藓糖醇的培养基优化

培养基的组成对微生物的生长有着重要的调节作用，因此在配制培养基时，既要保证微生物的生长需要，又要有利于目标产物的高效生产，同时还要考虑避免副产物的产生。为此不少科研工作者对赤藓糖醇发酵培养基进行优化研究，其中碳源和氮源相关研究较多。

2.1 可替代碳源

大规模生产赤藓糖醇的常用底物是葡萄糖，由于葡萄糖本身是一种价值较高的化合物，可通过应用替代底物进一步降低生产成本。新的生产方法仍在发展和改进中，目前所研究的替代碳源包括甘油、木糖、糖蜜、菊粉、餐饮工业油脂、果糖以及蔗糖等。

现在已经有不少关于甘油作为产赤藓糖醇的新碳源的研究，涉及的甘油主要包括纯甘油和粗甘油两大类。粗甘油主要是生物柴油工业的副产品，因此，其在赤藓糖醇合成中的应用不仅可以有效降低生产成本，而且可以支持废弃物的利用。研究较多的是Yarrowia lipolytica菌株。在Moniliella megachiliensis菌株中同样能观察到甘油转化为赤藓糖醇。Yarrowia lipolytica不仅能将纯甘油有效转变为赤藓糖醇，还能利用工业废物中的粗甘油。粗甘油的化学成分因来源不同而有所不同，其可能受到甲醇、盐或金属等化合物的污染。但Yarrowia lipolytica菌株能够在不同工业过程中提取的粗甘油中生长。甘油作为底物的另一优点是发酵后的副产物的组成减少。在糖作为碳源的过程中，甘油是主要的副产物之一。但在纯化过程中，甘油与赤藓糖醇的分离尤为困难[2]。甘油用作底物时，不仅可在发酵过程结束前完全消耗掉，而且其他副产物的存在也可减少到10%以下。综合比较葡萄糖和甘油为底物，赤藓糖醇最大浓度水平相当，但后者副产物产率较低。甘油添加量视培养体系差异而不同。甘油原料作为生物柴油工业的副产品，杂质含量高，商品价值低，但其作为生物加工的碳源具有巨大的潜力。

木糖是半纤维素的主要成分，在自然界中含量丰富，作为生物加工的潜在碳源逐渐引起了人们的关注，特别是为富含木糖的工业废料等低成本底物利用开辟了可能性。糖蜜作为廉价的工业副产品，有研究将其作为碳源应用到赤藓糖醇生产中。需要指出的是糖蜜不是直接用于赤藓糖醇的合成，而是用于细胞生长。在第一阶段，糖蜜被用来生产生物量，然后加入甘油以增加渗透压使赤藓糖醇产生[3]。菊粉是一种多糖，存在于菊芋、菊苣、大丽花和雅康等植物的根和块茎中。菊粉与糖蜜一样，具有可再生和廉价碳源的优势。与糖蜜类似，菊粉也被用于Y.lipolytica菌株生产赤藓糖醇的两步发酵过程中。利用Y.lipolytica能够在油上生长的能力，可从废弃食用油中提取赤藓糖醇。

2.2 氮源

在赤藓糖醇生产中氮源的性质及其浓度是非常重要的参数，为得到较大的赤藓糖醇产能，针对不同菌株优化探究最佳氮源类型及添加量。

以纯甘油为碳源恒化培养时，研究无机和有机氮源对Y.lipolytica WratislaviaK1菌株产赤藓糖醇的影响，结果发现含4.6 g/L硫酸铵恒化培养基中赤藓糖醇含量最高达103.4 g/L，为84.5 g/L，最佳赤藓糖醇产率和转化率亦是在无机氮源（4.6 g/L硫酸铵）培养条件下获得，分别为1.12 g/L/h和 0.52 g/g。对于菌株Y.lipolytica WratislaviaK1，Rywińska等人研究了多种无机氮源和有机氮源对赤藓糖醇产量的影响，结果显示氯化铵、硫酸铵和酵母提取物为最佳氮源，最佳赤藓糖醇产率和转化率也是在硫酸铵为氮源条件下获得。与上述结果不同的是，有研究证实有机氮源最适合菌株Y.lipolytica WratislaviaK1产赤藓糖醇。

以葡萄糖为碳源培养时，同样证实硫酸铵比酵母提取物更适合菌株Y.lipolytica mutant49生产赤藓糖醇，但当葡萄糖和硫酸铵浓度低于或高于最适浓度时，赤藓糖醇产率变化较大[4]。

研究发现以玉米浸泡粉和酵母提取物为氮源时，菌株P.tsukubaensis和Moniliella sp.获得最高赤藓糖醇产量。在Torula sp.中观察到在酵母提取物的存在下可产生最多的赤藓糖醇。

3 赤藓糖醇的生产工艺改进

赤藓糖醇的生产通常是分批模式进行，因为高初始葡萄糖浓度会提高赤藓糖醇的产量。分批发酵过程中，在发酵开始时引入所有必要的底物，在所有底物耗尽后提取产物和副产物。分批发酵操作简单方便，且不需要额外的注意，与其他发酵培养系统相比，赤藓糖醇的产率和浓度较低。

分批发酵赤藓糖醇生产最常见的是分批补料。在整个培养过程中，分批补料可保持高渗透压[5]。迄今为止报道的最有效的赤藓糖醇生产工艺是以P.tsukubaensis为发酵菌株通过分批补料发酵模式获得，生产率高达2.86 g/L/h，与分批发酵未补料条件下的同一菌株相比，赤藓糖醇增加了73%。

低渗透压会导致赤藓糖醇低产量，高渗透压虽有较高的赤藓糖醇产量，但会抑制细胞生长。两步发酵工艺，在低渗透压下促进细胞生长，然后在高渗透压下生产赤藓糖醇，避免了最佳渗透压确定困难的问题。

4 赤藓糖醇的培养条件优化

赤藓糖醇的生产在很大程度上取决于培养条件。渗透压、温度、pH值、溶氧等的优化控制都是与赤藓糖醇生产相关的重要技术指标。

渗透压胁迫是赤藓糖醇产生的主要诱因之一。调控渗透压的方法主要有两种：①使用高浓度底物，如葡萄糖或者甘油；②添加额外的盐。渗透压的调控是一个比较复杂的过程，渗透压升高导致赤藓糖醇产量增加，副产品形成减少。然而，施加压力条件延长了酵母发育的滞后期，导致赤藓糖醇生产率降低。

5 结语

由于对多元醇的需求不断增长，采用微生物生产赤藓糖醇受到了越来越多的关注。人们对培养基成分、培养条件及工艺进行了大量的研究，培养基组成和培养条件都得到了很好的调整，以使产能和转化率最大化。针对不同菌株优化探究最佳氮源类型及添加量，特别是通过考虑使用可替代碳源进一步降低生产成本。通过将各个环节结合起来，可实现高效、低成本的赤藓糖醇生产工艺。