Erythritol 분말 그것은 무엇으로 만들어지는가?

(2R,3S)-부탄-1,2,3,4-tetrol로 알려진 Erythritol은다 hydric 알코올 (또한 당 알코올)의 가족에 속합니다.Erythritol는 분자량 122.12의 4 탄소 당 알코올로, 당 알코올 가족에서 가장 작은 것입니다.광학적으로 활동하지 않으며 대칭적인 형태, 즉 레이세메이트 [1]로만 존재한다.

4 탄소 폴리올인 Erythritol는 자연에서 널리 발견됩니다.과일 (배, 포도, 참외), 버섯, 알코올 음료 (맥주, 와인, 사케) 및 발효 식품 (간장, 된장)에서 분리할 수 있으며, 수정체 조직, 혈청, 혈장, 태아액, 소변 [2] 등 인간과 동물의 체액에서도 발견된다.Erythritol는 1852년에 처음으로 격리되었습니다, 그러나 1990년까지 새로운 자연 감미료로 일본 시장에 나타났습니다.Erythritol는 지금 적어도 55개국에서 식품 첨가물로 승인되었습니다.크실리톨, 소르비톨, 만니톨, 락티톨 또는 말티톨과 같은 다른 폴리올과 같이, erythritol에는 감미하는 특성이 있습니다.단맛은 자크로스의 약 60%~70% 정도이며 맛과 질감은 자크로스와 비슷하다.그러나 작은 분자량 때문에 인체 내 erythritol의 대사는 다른 당 알코올과 다르며 낮은 칼로리, 높은 내성, 부작용이 거의 없으며 당뇨병 환자에 적합성과 같은 독특한 생리 특성을 부여할 뿐만 아니라 비 cariogenic [3].게다가, erythritol는 또한 항산화 특성 [4]을 가진 자유 라디칼 청소기입니다.

1. Erythritol 생산 방법

Erythritol 생산 방법주로 직접추출, 화학합성, 미생물발효가 포함된다.직접 추출 방법은 과일 또는 야채와 같은 자연적인 소스에서 erythritol의 추출을 말합니다.그러나, 자연에서 erythritol의 내용이 너무 낮기 때문에, 직접 추출 방법은 거의 사용되지 않습니다.다른 폴리올과 비교하여, erythritol는 화학 합성에 적합하지 않습니다.요구되는 고온 조건과 니켈 촉매로 인해 제품 수율이 낮고 경제적 이익이 좋지 않아 대규모 산업 생산에 채택되기 어렵다 [5].일찍 1950년에, erythritol는 효모로 검은 당밀을 발효한 후에 잔류물에서 발견되었고,이 발견은 erythritol을 생산하는 새로운 방법 즉 미생물 발효를 열었습니다.현재, erythritol을 생산하는 미생물 발효 방법은 점점 더 성숙해지고 있고, 그것은 산업 생산을 위한 주요한 방법입니다.

erythritol 발효 생산 방법의 최적화 2

배양액의 최적화 2.1

배양액의 조성은 미생물의 생장에 중요한 조절작용을 한다.따라서 배양액을 조제할 때에는 미생물의 성장 수요를 충족시키는 동시에 목표 산물의 효율적인 생산을 가능하게 하는 것이 필요하다.이와 동시에 부산물의 생산을 피면하도록 고려하여야 한다.이를 위해 많은 학자들이 erythritol 발효배양매체의 최적화에 대한 연구를 수행하였으며, 표 1과 같이 탄소원과 질소원에 초점을 맞춘 연구가 더 많았다.

2.2대체 탄소원

erythritol의 산업 생산을 위해 일반적으로 사용되는 기질은 좋은 발효 결과를 가지고 있지만 상대적으로 비싼 포도당입니다.현재, 더 일반적인 접근법은 대체 기판을 사용하여 생산 비용을 더 줄이는 것입니다.현재 보고된 포도당의 대체 탄소원으로는 표 2에 나타낸 바와 같이 글리세롤, 자일로스, 당밀, 이눌린, 레스토랑 업계의 오일 및 지방, 프럭토스, 수크로스 등이 있다.이 가운데 글리세롤은 포도당의 대체 탄소원을 위한 연구 거점으로 꼽힌다.

에리트리톨의 발효를 위한 새로운 탄소원으로서 글리세롤에 대한 많은 연구가 있어왔으며, 글리세롤은 주로 순수 글리세롤과 조산 글리세롤을 포함하고 있다.원유 글리세롤은 주로 바이오디젤 산업의 부산물이다.erythritol의 발효 생산에 그것을 사용하면 효과적으로 erythritol의 생산 비용을 감소시킬 뿐만 아니라 바이오 디젤 산업을 위한 폐기물 처리 문제를 해결합니다.현재, Yarrowialipolytica 균주에 대한 더 많은 연구가 이루어지고 있다.또한, 글리세롤이 erythritol로 전환되는 것도 Moniliellamegachiliensis [11]에서 관찰할 수 있다.

Y. lipolytica 균주는 순수한 글리세롤을 효과적으로 erythritol로 변환할뿐만 아니라 산업 폐기물의 조잡한 글리세롤을 사용할 수 있습니다.게다가 원유 글리세롤의 화학적 조성은 불순물이 많아 복잡하다.원료에 따라 주요 불순물이 다르며, 메탄올, 염 또는 금속 등의 화합물에 오염될 수 있다.

균주 Yarrowialipolytica는 글리세롤을 이용할 수 있고 다른 출처로부터 원유 글리세롤을 먹고 자랄 수 있다는 것을 언급 할 가치가 있습니다.erythritol의 발효 기질로 글리세롤을 사용하는 또 다른 장점은 발효 후 부산물의 생산을 효과적으로 줄일 수 있다는 것입니다.글리세롤은 포도당을 탄소원으로 사용하는 발효 중 주요 부산물 중 하나이다 [12].게다가, 글리세롤은 정화 도중 erythritol에서 분리하기 특히 어렵습니다.글리세롤을 발효 기질로 사용하면 발효과정이 끝나기 전에 완전히 섭취할 수 있으며, 다른 부산물의 함량도 10% 이하로 감소할 수 있다 [13].종합적인 분석 결과 포도당과 글리세롤 발효 공정에 대한 최대 erythritol 농도 수준은 비교할 수 있지만 후자의 수율은 더 낮은 것으로 나타났다.첨가되는 글리세롤의 양은 배양 시스템에 따라 다릅니다.글리세롤은 바이오디젤 산업의 부산물로 불순물 함량이 높지만 상업성은 낮다.그러나 바이오처리를 위한 탄소원으로서의 가능성이 크다는 것이 많은 보고를 통해 밝혀지고 있다.

자일로스는 헤미셀룰로오스의 주성분이며 자연계에 풍부하다.최근 자일로스는 미생물 발효의 잠재적인 탄소원으로 점차 관심을 끌고 있으며, 특히 자일로스가 풍부한 산업폐기물과 같은 저가의 기질을 사용할 수 있다는 가능성을 가지고 있다.저렴한 산업 부산물로서 당밀은 erythritol 생산을위한 탄소 원으로 연구되었습니다.당밀이 erythritol 합성에 직접 사용되지 않고, 세균 세포의 성장을 위해 사용된다는 것을 주목해야합니다.당밀은 미생물 발효 초기에 세균 세포를 축적하기 위해 사용되며, glycerol은 나중에 첨가되어 삼투압을 증가시키고 erythritol 생성을 촉발시킨다 [14].

이눌린은 예루살렘 아티초크, 치커리, 달리아, 야콘 등 식물의 뿌리와 덩이줄기에서 발견되는 다당류다.당밀과 마찬가지로 이눌린은 재생 가능하고 저렴해 미생물 발효에 이상적인 탄소원이 된다.당밀과 유사하게, 이눌린은 erythritol [15]을 생산하기 위해 Y. lipolytica 균주와 함께 2단계 발효 공정에 사용되기도 했다.또한, Y. lipolytica&를 이용하여#39;s 기름을 먹고 자라는 능력, 그것은 폐식용유에 첨가되었고, 발효 후, 발효 시스템에서 erythritol을 추출했다 [16].

C. magnoliae KFCC 11023 균주는 포도당보다 프럭토스를 탄소원으로 선호한다는 보고가 있다.프럭토스를 탄소원으로 하는 회분식 발효 방식으로 발효하면 에리트리톨 농도는 탄소원인 포도당의 21.25배이지만 부산물인 글리세롤 생성량이 77 g·L-1 [17]이나 된다.더욱이,이 균주를 기질로서 수크로스를 발효시키는데 사용할 때, 에리트리톨 농도는 65 g·L-1, 전환율은 0.21 g·g-1, 수율은 1.0 g·L-1·h-1로 주로 수크로스인 저렴한 산업 부산물 당밀을 탄소원으로 사용하여 비용을 더욱 절감할 수 있음을 의미한다.

2.3대체 질소원

질소원은 미생물의 세포와 대사산물에 질소를 공급하는 영양소이다.일반적으로 사용되는 질소원은 무기 질소원 (황산암모늄, 질산염, 암모니아 및 요소 등)과 유기 질소원 (대두떡분, 땅콩떡분, 목화씨떡분, 물엿, 펩톤, 효모 추출물 및 어분 등)의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.질소원의 성질 및 농도는 erythritol의 발효 생산에 있는 매우 중요한 매개변수입니다.큰 erythritol 생산 능력을 얻기 위하여, 다른 균주를 위한 최고의 질소원의 종류 및 양을 최적화하는 것이 필요합니다.

순수한 glycerol을 탄소원으로 하여 일정하게 배양하는 조건에서 Y. lipolytica Wratislavia K1 균주에 의한 erythritol의 생성에 미치는 무기 및 유기 질소원의 영향을 연구하였다.4.6 g·L-1 ammonium sulfate를 포함하는 일정한 배양액에서 erythritol 함량이 103.4 g·L-1로 높게 나타났으며, 무기질소원 (4.6 g·L-1 ammonium sulfate), 1.12 g·L-1 및 99.6%의 조건에서 최적 erythritol 수율 및 전환율도 각각 얻었다. L-1다.또한 무기 질소원 (4.6 g·L-1 황산암모늄), 1.12 g·L-1·h-1 및 0.52 g·g-1의 배양 조건에서 각각 [18] 최고의 erythritol 수율과 전환율을 얻었다.사용 Rywi ń 스 카 et 알다.y lipolytica Wratislavia K1 실험 개체하 듯이, 그리고 실험 erythritol 발효 실시 했 다양 한 무기질과 유기 질소 소스를 사용하고 있다.그 결과 염화암모늄, 황산암모늄, 효모추출물이 가장 좋은 질소원이었으며 [9] 질소원으로 황산암모늄 이하에서도 가장 좋은 erythritol 수율과 전환율을 얻었다.이상의 결과와는 달리 유기질소원이 Y. lipolytica Wratislavia K1 균주 [21]에 의한 에리트룰로스의 발효에 더 적합하다고 보고되었다.

또한 포도당을 탄소원으로 하여 배양하였을 때, 황산암모늄이 효모 추출물보다 Y. lipolytica 돌연변이 49 균주에 의한 에리트룰로스의 발효에 더 적합함을 확인하였다.그러나 포도당과 황산암모늄의 농도가 최적 농도보다 낮거나 높을 때 erythritol 생산량은 크게 다양했다 [8].

또한, 발효 질소원으로 P. tsukubaensis와 Moniliella sp. 균주를 옥수수 담금분 및 효모 추출물과 혼합하였을 때 가장 높은 erythritol 수율을 얻는 것으로 나타났다 [22, 23].Torula sp. 균주의 경우 효모 추출물을 유일한 질소원으로 사용하였을 때 가장 높은 erythritol 수율을 얻었다 [6].이는 균주에 따라 질소원의 선택이 다르며, 질소원의 종류에 따라 발효 중 균주가 생산하는 erythritol의 생산성과 생산성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여준다.

3발효과정 개선

배양 시스템은 발효 후 erythritol의 최종 농도를 결정하는 중요한 요인 중 하나입니다.효율성을 높이기 위해,,erythritol 발효 과정표 3에 나타낸 바와 같이 주로 회분식 발효, fed-batch발효, 2단계 발효, 연속 발효 등 지속적으로 개선되었다.

Erythritol 생산은 보통 배치 모드에서 수행되고, 더 높은 초기 포도당 농도는 Erythritol 생산을 증가시킬 수 있습니다.회분식 발효에서는 발효 시작과 동시에 필요한 모든 기질을 도입하고, 모든 기질이 고갈된 후에 산물과 부산물을 추출한다.간단한 회분 발효는 작동하기 쉽지만, erythritol의 수율과 농도는 낮습니다.

erythritol을 발효시키는 가장 일반적인 문화 과정은 배치 먹이입니다.일괄 급식은 배양 과정 내내 높은 삼투압을 유지할 수 있습니다.현재까지 보고된 가장 효율적인 erythritol 생산공정은 P. tsukubaensis 균주를 발효균주로 사용하여 fed-batch 발효한 것으로 생산성이 최대 2.86 g·L-1·h-1 이며, 회분식 조건에서 동일 균주 대비 73%의 erythritol 생산이 증가하였다 [22].

높은 삼투압은 erythritol의 생산량을 증가시킬 수 있습니다, 그러나 그것은 또한 세균 세포의 성장을 억제합니다.이 문제를 해결하기 위해 2단계 발효과정이 개발되었는데, 발효과정 초기에는 삼투압이 낮은 조건에서 세균 세포의 성장을 촉진하고, 이후 발효과정 단계에서는 삼투압을 높여 세균에 의한 erythritol의 대사를 촉진시킨다 [24].

또한, erythritol의 생산을 위한 미생물 발효 방법에 연속 발효 방법이 적용되었다고 보고되었다.지속적인 발효 과정에서 배양액의 일부는 정기적으로 신선한 배양액으로 교체됩니다.이 방법은 효과적인 생산 단계를 확장하여 생산성을 향상시킬 수 있습니다.단점은 외부 세균에 의한 오염 가능성이 크고, 변종이 돌연변이로 변성되기 쉽다는 것이다.용액은 pH를 낮춰 세균의 오염을 막는 것 [13].

배양조건의 최적화 4

erythritol의 생산 효율은 배양 조건에 크게 의존합니다:삼투압, 온도, pH, 용존 산소 등은 모두 erythritol의 발효와 관련된 중요한 기술 지표입니다.

삼투압 스트레스는 erythritol 생산의 주요 원인의 하나입니다.삼투압을 조절하는 방법은 크게 두 가지가 있는데, 하나는 포도당이나 글리세롤 등 고농도의 기질을 이용하는 것이고, 다른 하나는 소금을 추가로 넣는 것이다 [28].삼투압 조절은 비교적 복잡한 과정이다.삼투압의 증가는 erythritol 생산의 증가와 부산물 형성의 감소로 이어집니다.그러나 너무 높은 삼투압은 발효균주의 발육지연 단계를 연장시켜 erythritol 생산성 [24]을 감소시킨다.

연구결과 온도, pH, 용존산소는 균주별로 erythritol 생성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 최적값은 표 4에 나타낸 바와 같이 다양하게 나타났다.

5 전망

요즘 들어 건강한 라이프스타일에 관심을 갖는 이들이 늘면서 폴리올에 대한 수요 또한 커지고 있다.erythritol의 효율적이고 저렴한 산업 생산을 달성하는 방법은 많은 학자들의 관심의 초점이되었습니다.Erythritol에는 다른 당 알코올과 같은 속성의 많은 것이 있습니다.그러나 자연발효과정을 통해 산업적으로 생산되는 유일한 당알코올이다.학자들은 생산 능력을 높이기 위해 많은 연구를 진행해왔다.첫째, 고성능 erythritol-producing 균주 확보를 바탕으로 수율과 전환율을 극대화하기 위하여 배양액의 조성과 배양조건을 잘 최적화하고 조절하였다.

특히 저렴한 재생 가능한 탄소 원의 고려를 통해 효과적으로 생산 비용을 줄이기 위해 많은 노력도 투입되었으며, 부산물 재활용의 관점에서도 erythritol 공동 생산의 연구 및 개발이 어느 정도 성공적으로 수행되었습니다.그러나 erythritol 대사 유전자 발현 조절에 대한 연구는 상대적으로 적었다.대사 과정의 일부 주요 효소가 확인되었지만, erythritol 미생물 대사 경로는 여전히 유전자 수준에서 불분명하다.앞으로 유전자 조절 분야는 erythritol의 합성에 관여하는 유전자와 조절 인자를 포괄적으로 이해하는 것을 목표로 해야 합니다.이것은 의심할 여지없이 erythritol의 미생물 발효를 효과적으로 조절하기 위한 강력한 참조로 복무할 것입니다, 그럼으로써 erythritol의 효율적인, 산업 생산을 더 달성합니다.

참조:

[1] 조큐이, 후영홍, 양웬지 외.erythritol [J]의 발효생산 대사조절에 관한 연구 진행.Cereals, Oils and Foodstuffs Science and Technology, 2015, 23(4):98-102.

[2] 채위, 장안지, 장충 외.부제:Optimization of conditions 을the 발효of erythritol by Metschnikowia pulcherrima (J.식품과학, 2013, 34(21):259-263.

[3] 리쥔린, 궈촨좡, 왕성장 외.erythritol [J]의 특성 및 적용에 대한 연구 진행.중국식품첨가물, 2019, 30(10):169-172.

[4] den Hartog G JM,Boots A W,Adam-Perrot A 등이 있다. Erythritol는 달콤한 항산화 제 [J]입니다.영양학,2010,26(4):449-458.

[5] 청레이, 장젠, 천주징 외.효모에 의한 erythritol의 발효에 관한 연구 (Research progress on the fermentation of erythritol by yeast [J.중국조미료, 2018, 43(12):181-186.

[6]  Saran S,Mukherjee S,Dalal J,et al. 에의 에의 asorbosivorans SSE-24로부터 erythritol의 높은 생산과 Streptococcus mutans의 생물막 형성 저해효과 (J.바이오자원기술,2015(198):31-38.

[7] Savergave L S,Gadre R V,Vaidya B K 등이 있다. 변종 향상된 개선 및 통계 매체 최적화 칸디다에서 최소한의 부산물을 가진 erythritol 생산 목련 돌연변이 R23[J].생명화학공학회지, 2011,55(2):92-100.

[8]Ghezelbash G R,Nahvi I,Emamzadeh R.의 개선 erythrose reductase 활동, 부산물의 삭제 및 enhancederythritol 생산을 위한 통계 매체 최적화 Yarrowialipolytica 돌연변이 49[J]에서.「 Current Microbiology 」, 2014,69(2):149-157.

[9] Rywi ń 스 카 한 Marcinkiewicz, M, Cibis E, et al. 최적화 글리세롤에서 erythritol 생산을 위한 중간 구성의 반응표면 방법론 (J)을 이용한 Yarrowialipolytica.준비 생화학 &생명공학,2015,45(6):515-529.

[10] Guo J,Li J X,Chen Y F, 외 Aureobasidium pullulans의 erythritol 생산을 개선 돌연변이 발생과 중간 최적화에 의한 자일로스로부터 [J.한국생물자원학회지 2016년, Applied Biochemistry and Biotechnology, 180(4):717-727.

[11] Kobayashi Y,Iwata H,Mizushima D,et al. 비정제 글리세롤 폐기물을 탄소로 이용한 Moniliellamegachiliensis의 Erythritol 생산 [J] 원천이다.Letters in Applied Microbiology,2015,60(5):475-480.

[12] 모리오카 S, 아베 T, 마에다 T, 외 고순도 erythritol 크리스탈 생산을 위한 과정:US6030820 [P].2000-02-29.

[13] Miro ń czuk M, Furga   a J,Rakicka M 등 반복 배치 배양에서 glycerol에 Yarrowialipolytica에 의한 erythritol의 생산을 증진시켰다 [J].산업미생물&2014년 생명공학, 41 (1):57-64다.

[14] Miro ń czuk M, Rakicka M, Biegalska A, et al. 2-erythritol 생산의 발효 과정 단계에 의해 효모 y lipolytica 당 밀에서 가 져와 글 리세 롤 [J].바이오원천기술,2015(198):445-455.

'는'[15] Rakicka M, Z, Rywi ń 스 카 한, et al. 효율적인 inulin의 활용도 및 글 리세 롤로 발효 기판 inerythritol과 구연산 생산 사용 Yarrowialipolytica inulinase을 표현하다 [J다]화학논문,2016,70 (11):1452-1459.

[16] 류 XY, 유 X J,Lv J 등 폐식용유로부터 Yarrowialipolytica M53과 erythritoland lipase의 공동 생산을 위한 비용 효율적인 공정.식품 및 생물 제품 가공,2017(103):86-94.

[17]Yu J H,Lee D H,Oh Y J 등의 선택적 활용 erythritol인 Candida magnoliae에 의해 glucose로 fructose 생산자 [J]이다.한국생명공학학회, Applied Biochemistry and Biotechnology,2006, 131(1-3):870-879.

[18] Rakicka M, Rukowicz B, Rywi ń 스 카 한, et al. 기술 효율적인 연속 erythritol 글 리세 롤 [J]에서 생산 한다.청정생산학회지,2016(139):905-913.

[19] Miro ń czuk M, Dobrowolski A, Rakicka M, et al. 새로 고립 된 돌연변이의 Yarrowialipolytica 있습니다 효율적인 erythritol을 위한 적절 한 호스트로 biosynthesis 글 리세 롤 [J]에서다.공정생화학,2015,50(1):61-68.

[20] Rymowicz W, Rywi ń 스 카, 한 Marcinkiewicz m. 높은-생산 수율의 erythritol 원시 글 리세 롤 fed-batch에서에서 야로위알리폴리티카 배양 (cultures of Yarrowialipolytica[J])생명공학편지, 2009,31(3):377-380.

[21] Tomaszewska L, Rywi ń 스 카, 한 Rymowicz w. erythritol 생산의 높은 선택 성 글 리세 롤 로부터 Yarrowialipolytica다 [J다]바이오매스와 바이오에너지,2014(64):309-320.

[22]Jeya M,Lee K M,Tiwari M K,et al. Isolation of a novel higherythritol-producing Pseudozymatsukubaensis and scale-up of erythritol fermentation to industrial level (J.한국미생물학회지 (Applied Microbiology and Biotechnology),2009,83(2):225-231.

[23]Lin S J,Wen C Y,Liau J C,et al.의 Screening and production of erythritol by newly isolated osmophilic yeast-like fungi[J].공정생화학,2001,36(12):1249-1258.

[24] 양 L B, 잔 X B, 정 Z Y 등 소설 삼투 압력 제어 fed-batch  fermentation  전략 for  Yarrowialipolytica에 의하여 erythritol 생산의 개선 글리세롤 [J]에서.바이오자원기술,2014(151):120-127.

[25] 이시즈카 H,Wako K, 카스미 T 등 돌연변이 육성 erythritol 생산이 높은 Aureobasidium sp.의 [J. 발효생명공학회지,1989,68(5):310-314.

[26] Oh D K,Cho C H,Lee J K 등은 포도당 농도를 조절하여 Torula sp.의 fed-batch 배양에서 erythritol 생성을 증가시켰다.산업미생물 및 생명공학회지,2001,26(4):248-252.

[27] Ryu Y W,Park C Y, 박정현 J  B, et al.  에 의해 erythritol 생산의 최적화 Candida magnoliae in fed-batch 배양 [J].한국산업미생물생명공학회지,2000,25(2):100-103.

[28] 양 L B, 다이 X M, 정 Z Y, 외 삼투압에 반응하여 글리세롤로부터 erythritol-producing Yarrowialipolytica의 단백질 분석 [J.Journal of Microbiology and Biotechnology,2015,25(7):1056-1069.

[29] Tomaszewska L,Rakicka M,Rymowicz W,et Yarrowialipolytica 효모세포에서 erythritol과 citric acid에 대한 glycerol 대사에 관한 비교연구 (J.FEMS 효모연구,2014,14(6):966-976.