赤藓糖醇发酵条件优化的研究进展

2021-08-09 15:08:44 来源：食品安全导刊

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李春芳
（山东博健生物技术有限公司，山东济南 250110）

摘　要：赤藓糖醇是一种多元醇类甜味剂，口味类似于蔗糖，具有热量低、稳定性高、甜味协调、吸湿性低、无致龋齿性、不发酵及不会引起肠胃不适等特征，是一种新型食品添加剂，在国内外具有广阔的市场。目前，国内赤藓糖醇生产以发酵法为主。本文重点对赤藓糖醇发酵条件优化的研究进展进行分析。
关键词：赤藓糖醇；可替代碳源；工艺改进

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，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，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
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，菊粉也被用于菌株生产赤藓糖醇的两步发酵过程中。利用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K1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 K1，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 K1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49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，菌株获得最高赤藓糖醇产量。在.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
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。
参考文献
[1]陈文,刘璇,杨春晓,等.赤藓糖醇生产及在食品工业上应用的研究进展[J].食品工业,2018,39(2):266-269.
[2]幸修锋,黄婧,杨海军.益生元IMO保健泡腾片的研制[J].发酵科技通讯,2008(2):52-55.
[3]谷大建,徐巍.膜分离技术的应用及研究进展[J].中国药业.2008(6):58-59.
[4]杨海军.赤藓糖醇在食品工业不同领域应用情况概论[J].发酵科技通讯,2007(4):30-35.
[5]刘建军,赵祥颖,田延军,等.低热值甜昧剂-赤藓糖醇[J].食品与发酵工业,2007(9):132-135.