赤蘚糖醇發酵條件優化的研究進展

2021-08-09 15:08:44 來源：食品安全導刊

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李春芳
（山東博健生物技術有限公司，山東濟南 250110）

摘　要：赤蘚糖醇是一種多元醇類甜味劑，口味類似于蔗糖，具有熱量低、穩定性高、甜味協調、吸濕性低、無致齲齒性、不發酵及不會引起腸胃不適等特征，是一種新型食品添加劑，在國內外具有廣闊的市場。目前，國內赤蘚糖醇生產以發酵法為主。本文重點對赤蘚糖醇發酵條件優化的研究進展進行分析。
關鍵詞：赤蘚糖醇；可替代碳源；工藝改進

1　赤蘚糖醇
赤蘚糖醇屬于多元醇家族，廣泛存在于自然界中。因具有甜味特性，1999年6月被國際食品添加劑委員會批準作為食品甜味劑赤蘚糖醇以其獨特的低吸濕性、低熱量、高耐受量、保護肝臟以及非致齲齒等特性，廣泛應用于無糖食品、飲料、保健品及藥品等領域。赤蘚糖醇適合于各類人群，尤其是糖尿病患者、肥胖癥、少年兒童等人群。目前，健康消費在國民消費支出所占比例逐漸增大，赤蘚糖醇的市場需求量，昂貴的發酵底物、副產物的存在致使下游分離提取成本加大，對赤蘚糖醇產業的發展造成了一定的限制。有效降低成本是提高赤蘚糖醇市場競爭力的關鍵。本文介紹了高效低成本產赤蘚糖醇的研究狀況。
2　赤蘚糖醇的培養基優化
培養基的組成對微生物的生長有著重要的調節作用，因此在配制培養基時，既要保證微生物的生長需要，又要有利于目標產物的高效生產，同時還要考慮避免副產物的產生。為此不少科研工作者對赤蘚糖醇發酵培養基進行優化研究，其中碳源和氮源相關研究較多。
2.1　可替代碳源
木糖是半纖維素的主要成分，在自然界中含量豐富，作為生物加工的潛在碳源逐漸引起了人們的關注，特別是為富含木糖的工業廢料等低成本底物利用開辟了可能性。糖蜜作為廉價的工業副產品，有研究將其作為碳源應用到赤蘚糖醇生產中。需要指出的是糖蜜不是直接用于赤蘚糖醇的合成，而是用于細胞生長。在第一階段，糖蜜被用來生產生物量，然后加入甘油以增加滲透壓使赤蘚糖醇產生[3]。菊粉是一種多糖，存在于菊芋、菊苣、大麗花和雅康等植物的根和塊莖中。菊粉與糖蜜一樣，具有可再生和廉價碳源的優勢。與糖蜜類似，菊粉也被用于菌株生產赤蘚糖醇的兩步發酵過程中。利用能夠在油上生長的能力，可從廢棄食用油中提取赤蘚糖醇。
2.2　氮源
在赤蘚糖醇生產中氮源的性質及其濃度是非常重要的參數，為得到較大的赤蘚糖醇產能，針對不同菌株優化探究最佳氮源類型及添加量。
以純甘油為碳源恒化培養時，研究無機和有機氮源對K1菌株產赤蘚糖醇的影響，結果發現含4.6 g/L硫酸銨恒化培養基中赤蘚糖醇含量最高達
103.4 g/L，為84.5 g/L，最佳赤蘚糖醇產率和轉化率亦是在無機氮源（4.6 g/L硫酸銨）培養條件下獲得，分別為1.12 g/L/h和0.52 g/g。對于菌株 K1，等人研究了多種無機氮源和有機氮源對赤蘚糖醇產量的影響，結果顯示氯化銨、硫酸銨和酵母提取物為最佳氮源，最佳赤蘚糖醇產率和轉化率也是在硫酸銨為氮源條件下獲得。與上述結果不同的是，有研究證實有機氮源最適合菌株 K1產赤蘚糖醇。
以葡萄糖為碳源培養時，同樣證實硫酸銨比酵母提取物更適合菌株49生產赤蘚糖醇，但當葡萄糖和硫酸銨濃度低于或高于最適濃度時，赤蘚糖醇產率變化較大[4]。
研究發現以玉米浸泡粉和酵母提取物為氮源時，菌株獲得最高赤蘚糖醇產量。在.中觀察到在酵母提取物的存在下可產生最多的赤蘚糖醇。
3　赤蘚糖醇的生產工藝改進
赤蘚糖醇的生產通常是分批模式進行，因為高初始葡萄糖濃度會提高赤蘚糖醇的產量。分批發酵過程中，在發酵開始時引入所有必要的底物，在所有底物耗盡后提取產物和副產物。分批發酵操作簡單方便，且不需要額外的注意，與其他發酵培養系統相比，赤蘚糖醇的產率和濃度較低。
分批發酵赤蘚糖醇生產最常見的是分批補料。在整個培養過程中，分批補料可保持高滲透壓[5]。迄今為止報道的最有效的赤蘚糖醇生產工藝是以為發酵菌株通過分批補料發酵模式獲得，生產率高達2.86 g/L/h，與分批發酵未補料條件下的同一菌株相比，赤蘚糖醇增加
了73%。
低滲透壓會導致赤蘚糖醇低產量，高滲透壓雖有較高的赤蘚糖醇產量，但會抑制細胞生長。兩步發酵工藝，在低滲透壓下促進細胞生長，然后在高滲透壓下生產赤蘚糖醇，避免了最佳滲透壓確定困難的問題。
4　赤蘚糖醇的培養條件優化
赤蘚糖醇的生產在很大程度上取決于培養條件。滲透壓、溫度、pH值、溶氧等的優化控制都是與赤蘚糖醇生產相關的重要技術指標。
滲透壓脅迫是赤蘚糖醇產生的主要誘因之一。調控滲透壓的方法主要有兩種：①使用高濃度底物，如葡萄糖或者甘油；②添加額外的鹽。滲透壓的調控是一個比較復雜的過程，滲透壓升高導致赤蘚糖醇產量增加，副產品形成減少。然而，施加壓力條件延長了酵母發育的滯后期，導致赤蘚糖醇生產率降低。
5　結語
針對不同菌株優化探究最佳氮源類型及添加量，特別是通過考慮使用可替代碳源進一步降低生產成本。通過將各個環節結合起來，可實現高效、低成本的赤蘚糖醇生產工藝。
參考文獻
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