微生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇研究

劉星宇 吉林省石油化工設計研究院

微生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇是一種比較新型的趕路程生產(chǎn)方法，以往人們主要通過化學合成法來生產(chǎn)，但是生產(chǎn)效率相對比較低，隨著甘露醇需求量的不斷增加，工業(yè)生產(chǎn)方法已經(jīng)不能滿足當前的市場需求。因此，相關研究人員經(jīng)過探索嘗試便發(fā)現(xiàn)了這種微生物生產(chǎn)甘露醇法，該方法不僅生產(chǎn)效率高，而且生態(tài)環(huán)保功能強，具有非常廣闊的市場發(fā)展空間。為了更加全面地對該種甘露醇生產(chǎn)方法加以了解，本文以應用范圍最廣的乳酸菌生產(chǎn)為例進行了簡述。

一、甘露醇的應用范圍和工業(yè)生產(chǎn)進展

（一）甘露醇的應用范圍

甘露醇在食品、醫(yī)藥以及化工行業(yè)等多個領域都有著廣泛應用。其中在食品領域，甘露醇可以給食品增加額外的營養(yǎng)價值，有利于促進人體健康；此外，因為甘露醇含有的糖分較低，口感清爽，使用后不會參與人體代謝，所以還可以作為糖尿病以及減肥患者的功能性食品使用，或者可以用于制作無糖口香糖等食品，甘露醇的存在可以有效延長食品的保質(zhì)期，實際作用價值十分顯著。在醫(yī)藥領域，因為甘露醇化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，無明顯吸濕性，所以可以作為維生素、抗菌藥和抗癌藥的賦形劑使用，而且因為它還具有溶解吸熱性能，亦可用于制備清涼劑和醒酒藥；不僅如此，甘露醇用于預防腎功能衰竭和腦水腫等手術中，還具有良好的滲透性利尿作用而在化工領域當中，甘露醇則可以在特定環(huán)境條件下生成多種化學制品，這些化學制品都可以廣泛應用與化妝品、塑料以及其他日用品等的生產(chǎn)。

（二）甘露醇工業(yè)生產(chǎn)進展

甘露醇的生產(chǎn)方法多種多樣，比如化學合成法、自然提取法以及生物轉(zhuǎn)化法等，都是比較常用的生產(chǎn)工藝。其中化學合成法在過去很長一段時間都被作為甘露醇生產(chǎn)的主流工業(yè)生產(chǎn)方式在使用。該種合成方法的原理是將同比例果糖和葡萄糖混合后，置于高溫高壓環(huán)境中，以雷尼鎳為催化劑，通過氫化處理方法獲得甘露醇。但是由于雷尼鎳催化劑的選擇性較差，所以該合成方法下制備的甘露醇還會帶有較大量的山梨醇副產(chǎn)品，而要想獲得純凈的甘露醇，就必須對二者進行分離，這在當時的工藝技術下存在很大困難，這就導致化學合成法生產(chǎn)甘露醇的效率一直無法得到提升，而且生產(chǎn)成本也不能得到黑控制。

直至最近幾年，人們研究發(fā)現(xiàn)了生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇的方法，這種方法不僅對于原材料的利用率高，而且沒有副產(chǎn)物的生成，相比較于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式而言具有諸多優(yōu)勢，生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇實際上就是一種生物轉(zhuǎn)化，其原理是將蔗糖、果糖以及葡萄糖作為微生物發(fā)酵的底物，最后將其轉(zhuǎn)化成甘露醇，然后再經(jīng)過成分提純獲得甘露醇成品。細菌、酵母菌以及真菌等微生物均可以起到發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇的作用，但是有研究表明，真菌好酵母菌在實現(xiàn)葡萄糖向甘露醇轉(zhuǎn)化的過程中，轉(zhuǎn)化率比較低，而且反應過程不可控。而利用細菌，特別是食品級乳酸菌來發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇，無論在提高食品營養(yǎng)價值還是在促進腸道保健功能方面，都具有良好效果。

二、微生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露的合成途徑

（一）同型發(fā)酵乳酸菌合成甘露醇

同型發(fā)酵乳酸菌經(jīng)糖酵解（EMP）途徑合成甘露醇。該途徑的特征是1，6-二磷酸果糖的形成，它通過1，6-二磷酸果糖醛縮酶分解成3-磷酸甘油醛和二羥基丙酮磷酸，每發(fā)酵1 mol的葡萄糖生成2 mol的乳酸和2 mol的ATP。在進入EMP途徑之前，葡萄糖和果糖等單糖一般會先通過磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS）在相關酶的作用下被磷酸化，之后參與EMP途徑。甘露醇的生物合成開始于糖酵解的中間體6-磷酸果糖，1-磷酸甘露醇脫氫酶催化6-磷酸果糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘露醇，再經(jīng)甘露醇磷酸酶的脫磷酸作用生成甘露醇。葡萄糖或果糖等碳水化合物進入糖酵解途徑后大多數(shù)進行乳酸發(fā)酵，像甘露醇等發(fā)酵產(chǎn)物只有當菌株的乳酸合成途徑受到阻礙時才能生成，因此同型發(fā)酵乳酸菌并不適用于生產(chǎn)甘露醇。

（二）異型發(fā)酵乳酸菌合成甘露醇

異型乳酸菌發(fā)酵合成甘露醇主要是通過磷酸轉(zhuǎn)酮酶實現(xiàn)的。該途徑的特點是會生成5-磷酸木酮糖，然后經(jīng)過磷酸轉(zhuǎn)酮酶再被分解成乙酸磷酸以及3-磷酸甘油醛。根據(jù)以往生成經(jīng)驗，每發(fā)酵1mol的葡萄糖，就能夠生成同等量的二氧化碳、ATP、乙醇以及乳酸。在沒有氧氣的生產(chǎn)條件下，可以利用果糖作為內(nèi)部電子受體，經(jīng)與甘露醇脫氫酶反應而生成甘露醇，果然還原甘露醇時，相應的還原型輔酶也會被氧化，實現(xiàn)其再生作用效果。異型發(fā)酵乳酸菌合成甘露醇途徑中典型的菌株便是明串珠菌，該類珠菌主要以果糖和葡萄糖作為碳源，最后轉(zhuǎn)化所得物有甘露醇、乙酸、乳酸以及二氧化碳。該轉(zhuǎn)化方式也可以單獨以果糖為碳源，但是相比較于葡萄糖和果糖同時使用，果糖的用量要略多一些。將果糖作為單獨的底物，一方面可以將其作為電子受體促進甘露醇轉(zhuǎn)化生產(chǎn)，另一方面可以促進細胞生長，而同時將葡萄糖和果糖作為底物，葡萄糖和果糖就能夠分別用于細胞生長和甘露醇轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化效果更加徹底，該配比不僅能夠減少果糖的消耗，還能夠降低甘露醇的生產(chǎn)成本。

三、結語

經(jīng)過以上分析闡述不難發(fā)現(xiàn)，微生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇的方法具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在新時期背景下，國家大力倡導生態(tài)環(huán)保理念，微生物發(fā)酵生產(chǎn)甘露醇是一種新型、不具環(huán)境破壞力的生產(chǎn)工藝，而且甘露醇轉(zhuǎn)化效率高、生產(chǎn)成本低，有助于實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，這對于促進甘露醇工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型發(fā)展具有十分積極的作用，同時也對我國大量需要甘露醇的行業(yè)有著重要的推動作用。因此，相關行業(yè)工作者應當對這種微生物發(fā)酵法引起足夠重視。