발효 방법으로 자일리톨 분말을 생산하는 방법?

Xylitol은 중요한 기능성 polyhydric 알코올입니다다.자일리톨은 체내에서 대사하는 데 인슐린을 필요로 하지 않으며 섭취 후 혈당 수치를 올리지 않으며 당뇨병 식품에 사용할 수 있습니다.입안의 미생물에 의해 발효되지 않아 충치 발생을 막는다.자일리톨은 부모 영양을 위한 에너지원으로도 사용할 수 있다.자일리톨이 식품 및 제약 산업에서 널리 사용되는 것은 바로 이러한 기능적 특성 때문입니다.

자일리톨을 생산하는 방법에는 추출, 화학합성, 생합성 등 3가지가 있다.현재 공업생산에서는 주로 화학합성을 사용한다.생합성 방법은 미생물의 환원 효소 효소를 사용하여 자일리톨을 생성하며, 자일리톨의 생산 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다.발효 방법은 자일로스 정제 단계를 제거할 수있는 가능성뿐만 아니라 자일리톨 분리 단계를 단순화할 수있는 유망한 생산 방법입니다.자일리톨의 효소 합성은 자일로스 환원 효소 조효소 인자의 대사 균형을 통해 달성 되는 지속적이고 효율적인 생산 방법입니다.이 글에서는 자일리톨 생산의 발효 방법과 생산에 영향을 미치는 인자에 초점을 맞춘다.

자일리톨 생산의 발효 방법을 위한 미생물 1

1. 1 박테리아

Enterobacter liquefaciens, Myobactenum smegmatis 등의 몇몇 세균만이 자일리톨을 생산할 수 있으며, M과 같은 Corynebacterium sp. 종도 생산할 수 있다. 스메그마티스는 자일로스를 자일리톨로 전환하는 능력이 높아 전환율이 최대 70%에 달한다.초기 자일로스 농도가 100 g/L인 매질에서 대장균을 발효시키면 자일리톨의 생성률은 0.35 g/(L·h)에 이른다.

대부분의 세균은 자일로스를 자일룰로스로 전환시키는 효소인 자일로스 이성질화효소를 함유하고 있다.자일룰로스는 자일룰로스 키나아제에 의해 5-phospho-D-xyulose로 더 인산화되고, 펜토스 인산 경로로 들어가거나 자일룰로스 5-phosphate phosphoketolase의 작용에 의해 3-phosphoglycerate와 acetyl 인산염으로 전환된다.Bacillus 속의 균주는 자일리톨을 대사시킬 수 있으며, 이러한 균주는 자일로스 이성질화효소와 공존하거나 자일로스 이성질화효소의 역할을 대체하는 효소 산화환원 시스템을 가질 수 있다.이 시스템은 자일로스를 자일리톨로 환원시킬 수 있으며, 자일로스는 자일룰로스로 더 산화된다.자일리톨은 세균 대사의 중간 생성물일 뿐이다.

1. 2 모히칸

어떤 곰팡이는 또한 그럴 수 있습니다자일리톨을 만들기 위해 자일로스를 발효시킨다다.자일로스를 함유한 매질에서는 Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Colletotrichum, Byssochlamys 또는 Neurospora spp.와 같은 일부 실 형태의 곰팡이가 저농도의 자일리톨을 생성할 수 있다.자 일리 톨 (<1 g/L)는 초기 자일로스 농도가 50 g/L인 배지에서 Fusarium xysporum 균주를 2일간 호기성 재배한 후 검출되었다.petromyces albertensis 균주는 초기 자일로스 농도가 100 g/L인 매질에서 10일간 재배한 후 39.8 g/L 자일리톨과 2.8 g/L 자일루로스의 농도에 도달하였다.

1. 3 이스트

미생물 중에서는 효모가 자일로스를 전환하여 자일리톨을 생성하는 능력이 비교적 우수하다.C. guilliermondii, C. tropicalis, C. mogii, C. parasilosis와 같은 칸디다속 효모들은 자일로스를 전환시키는 능력이 강하다.강한 전환 능력을 가진 다른 효모들은 다음과 같습니다

(1) D. hansenii와 같은 Debaryomyces 속

2. p. tannophilus와 같은 pachysolen 속

3. 사카로마이세스 속 (saccharomyces)

4. 학명 schyzosaccharomyces

2. 자일리톨을 생산하기 위한 발효 공정

미생물 발효에 의해 자일리톨을 생산하는 공정은 다음과 같다:

2. xylitol을 생산하기 위한 발효과정에 영향을 미치는 인자

2.1기화율

일부 효모 세포에서는 공기가 당 수송을 촉진시킨다.Candida, Hanesula, Kluyveromyces, Pichia와 같은 많은 균주들은 당 흡수를 위해 산소를 필요로 한다.호기성 재배는 자일로스의 자일리톨로의 전환을 증가시키는데, 자일리톨의 생산은 바이오매스의 증가와 직접적으로 연결되어 있고 산소 소비량의 영향을 강하게 받기 때문이다.일부 미생물은 소호기성 조건하에서 자일리톨을 생산할 수 있다.C. guillermondii의 자일로스와 비헤미셀룰로오스당으로부터 자일리톨을 생산하는 능력을 미호기성 조건에서 연구한 결과 자일리톨 발효시 자일리톨 전환율이 0.63 g/g 자일리톨 수율과 미량의 에탄올을 제조하였으며, 기타 당류는 에탄올과 바이오매스로 전환하였다.Debaromyces hansenii 균주는 호기성 조건에서 축적된 환원된 아데노신이중인산 조효소가 완전히 재산화되어 생성된 자일리톨이 자일룰로오스로 재전환되기 때문에 자일리톨 생산을 위한 반 호기성 조건이 필요하다.

일반적으로, 특정 에어레이션 비율을 유지하면 크실리톨의 전환율을 증가시킬 수 있으며, 약간의 에어레이션 비율은 크실리톨 생산에 유익합니다.그러나 Pichia stipitis 균주의 재배에 있어서 자일리톨의 생산량은 용존산소 부족과 밀접한 관련이 있는 반면 Pichia tannophilus 균주의 자일리톨 전환율은 제한조건이나 혐기조건에서는 더 높다.C. tropicalis는 제한된 산소 조건에서 자일리톨을 축적 할 수 있습니다.자일로스 환원효소에 NADPH 조효소와 함께 효모 균주를 사용할 때는 자일리톨이 고갈되지 않도록 산소량을 조절해야 한다.낮은 산소 조건에서 NADPH와 NADH의 비교적 높은 세포 내 농도는 자일로스 환원 반응과 자일리톨의 축적을 가속화한다.이 경우 NADH는 NAD+로 산화될 수 없으며, 이는 NADH/NAD+ 비율이 상승하게 되므로 NAD+를 조효소로 사용하는 자일리톨 탈수소효소의 활성을 억제하여 자일리톨의 산화를 방지한다.표 1은 에어레이션이 자일로오스 환원효소 및 자일리톨 탈수소효소의 활성에 미치는 영향을 요약하면 다음과 같다.

자일리톨을 효과적으로 생성하기 위해 가장 먼저 고려해야 할 사항은 매질 내에 미생물 세포가 빠르게 축적되는 것으로 매질 내의 용존 산소로 해결할 수 있다.그러나 자일리톨 생성에는 무산소성 조건이 필요하기 때문에 배양과정 내내 매질 내에 높은 용존산소를 유지하면 자일리톨이 자일룰로스로 재산화된다.따라서 배양 초기에 높은 용존산소를 유지시킨 다음 자일리톨 생산기간 동안 미생물의 호흡량을 감소시켜야 한다.

2.2자일로스 농도

배양액의 자일로스 농도는 자일리톨의 생성에 크게 영향을 미친다.에어레이션 속도를 증가시키지 않고 자일로스의 농도 수준이 증가하면 성장 속도가 감소하게 되며, 이는 자일로스의 농도가 너무 높으면 세포 성장이 억제됨을 나타낸다.초기 자일로스 농도가 높으면 삼투성 미생물에 의한 자일리톨 생산에 유리하다.낮은 자일로스 농도는 전환율을 감소시킬 것인데, 왜냐하면 낮은 농도에서 탄소원의 일부가 세포 성장에 사용되기 때문에 전환에 사용할 수 있는 자일로스를 감소시킬 것이다.일반적으로 회분식 공정에서 초기 당 농도가 증가하면 미생물이 높은 당 농도와 높은 삼투압을 견딜 수 있다면 생산율과 전환율을 높일 수 있다.

의 최대 성장률 μ 맥스 c. guillemondii 변종의 농도 가 최대 초기 xylose에서에 도달 했 20~50 g/L.연구에 c. mogii 변종 다는 것을 보여주. 초기에 도달 되 는데 xylose농도 μ 맥스에 최대 5~10 g/L이었다.초기 자일로스의 농도를 100 g/L에서 150 g/L로 증가시키고 C. tropicallis를 배양한 결과 세포성장이 왕성하였으며 자일리톨 생성속도는 1.78 g/(L·h)에서 2.44 g/(L·h)로 증가하였다.P. tannophilus, C. tropicalis 및 C. guilliermondii와 같은 균주의 발효 과정에서 최적 초기 자일로스의 농도는 각각 60, 200, 100 및 200 g/L 이었다.초기 자일로스 농도를 5배 증가시켰을 때 생성물 전환율은 5.5배 증가하였으며 단위중량 소비량 및 생성물 합성도 향상되었다.P. tannophilus 균주는 자일로스 10 g/L 이상의 농도에서 자일리톨을 축적한다.자일로스의 농도 (5-8 g/L)와 fed-batch 재배는 에탄올 생산에 더 유리하고 자일리톨 생산에는 덜 유리하다. tannophilus와 맥주효모 (S. cerevisiae) 균주, 자일리톨 생성은 자일로스 농도가 증가할수록 증가한다.초기 자일로스의 농도가 자일리톨 생성에 미치는 영향을 그림 2에 나타내었다.보다시피 초기 자일로스 농도인 150-200 g/L에서 효모 균주 및 운전 조건에 따라 저해 효과가 나타난다.

낮은 자일로스 농도와 낮은 공기 속도에서는 셀 농도가 낮을 것입니다.이러한 조건에서는 세포 배양 초기에 자일리톨 생산을 시작할 수 있다.높은 자일로스의 농도와 높은 통기율에서는 셀 농도가 높고 자일리톨 생성도 높다.

초기 자일로스의 농도를 10 g/L에서 300 g/L까지 변화시켰을 때 Cadida guillermondii의 내성을 연구하였다.당 농도가 증가하면 자일리톨의 생성이 촉진되며, 자일리톨의 전환율은 매질 내 자일리로스가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인하였다.자일로스 농도를 300 g/L로 증가시켰을 때 자일리톨 전환율은 0의 값에 도달하였다.75 μg/g으로 이론 전환율의 82.6%에 도달.자일리톨 수율은 자일로스 농도 200 g/L에서 최대치에 달하였으며,이 때 자일리톨 생산율은 자일로스 농도 10 g/L에서 2.4배였다.자일리톨 생성과는 반대로 자일로오스 농도의 증가는 세포성장을 억제하였다.세포성장속도는 자일로스의 농도 20 g/L에서 50 g/L에서 정점을 이루었다.Petromyces albertensis 균주에 의한 자일리톨 생산에서 자일리톨 전환율은 자일로스 농도 100 g/L에서 정점을 찍었고 150 g/L 이상에서는 감소하기 시작하였다.이는 삼투압이 세포에 미치는 영향 또는 기질이 d-자일로스 대사 효소에 미치는 부정적인 영향 때문일 수 있다.

2.3 질소원

질소원과 공기화율은 일부 효모 균주에 의한 자일리톨 생산에 매우 중요하다.brewer&에서#39;s 효모, 펜토오스 인산염 경로는 질소에 의해 조절되며, 암모늄 염이 산화성 펜토오스 인산염 경로를 자극할 수 있다는 것이 밝혀졌다.6-phospho-d-포도당의 디옥시는 보통 NADPH에 의해 억제된다.P. tannophilus에서 암모늄염의 결합은 성장을 촉진시키고, NADPH에 의한 6-phospho-D-glucose 탈수소효소의 억제를 감소시켰으며, 따라서 pentose phosphate 경로의 활성을 증가시켰다.유기질소원은 C. shehatae의 자일리톨 생산량을 증가시킬 수 있다.

8 종의 무기질소원과 4 종의 유기질소원을 비교한 결과 암모늄염이 무기질소원이 가장 우수하고 효모추출물이 유기질소원이 가장 우수함을 알 수 있었다.이 두 질소원을 사용하였을 때 자일리톨 전환율은 16 이었다.각각 7g/L, 30.6g/L 이었다.하리츠 등은 각각 3, 10, 20g/L 효모 추출물을 질소원으로 사용하였으며, 효모 추출물 농도 20g/L에서 자일리톨 생성속도가 1.78 g/(L·h), 공기화율 (90% 산소)이 400 mL/min 이고 초기 자일로스 농도가 100 g/L 일 때 자일리톨 생성속도가 1.78 g/(L·h)로 최대값에 도달하였다.Pichia 균주에서는 폴리올의 형성이 탄소-질소 비율에 크게 영향을 받으며,이 균주는 질소가 높은 매질보다 질소가 낮은 매질에서 더 많은 폴리올을 생성한다.

중간중간 들어가는 기타 당류 2.4

기질에 포도당을 첨가하면 효모가 자일로스를 발효시켜 자일리톨의 생성에 역효과를 일으킨다.예를 들어, 포도당은 칸디다와 Schizosaccharomyces에 의한 자일로스의 이용을 억제한다.이것은 주로이 종들이 자일로스보다 포도당, 만코, 갈락토스를 더 빨리 동화시키기 때문이다.이러한 헥소스는 주로 효모세포의 성장에 사용되며, 이에 해당하는 폴리올은 소량만 축적된다.자일로스 소비에 대한 포도당의 억제 효과는 매우 짧은 시간 후에야 최대치에 도달합니다.포도당 농도가 특정 값으로 감소하자마자 자일로스의 전환은 즉시 재개됩니다.이 짧은 전이 기간과 자일로스 섭취의 빠른 회복은 조절 메커니즘이 대사 산물 억제가 아님을 나타냅니다.이러한 발견은 글루코스가 풍부한 조건에서 자일로스 운반의 주요 조절 인자는 비활성화와 차단보다는 억제라는 견해를 뒷받침하는 결과이기도하다.

Candida parapsilosis 균주를 포도당과 자일로스 혼합물을 발효시키기 위하여 사용하였을 때 포도당이 먼저 섭취되는 것을 확인하였다.포도당 함량이 5 g/L 이하일 때 자일리톨 생산이 감소하지 않는 이유는 포도당이 공력적으로 대사되어 에탄올을 생성하지 않기 때문이다.그러나 포도당 함량이 5 g/L를 초과하면 그 초과분은 무산소적으로 대사되어 에탄올을 생성한다.이 반응은 자일로스가 자일리톨로 환원되는 것과 마찬가지로 환원반응이며, 둘은 산화환원 전위를 놓고 경쟁하여 자일리톨 생성이 감소한다.

Cadida guillermomdii는 헤미셀룰로오스 가수분해물에 자주 존재하는 포도당, 만노즈, 갈락토오스, 아라비노스 등의 비자일로스당을 발효시키는 능력을 평가하였다.이 미생물은 이러한 당을 빠르게 발효시키고 활용할 수 있다는 것이 밝혀졌다.그러나 세포성장과 에탄올 생산을 위해서만 사용하고, 이러한 당으로부터 나오는 대응되는 폴리올은 배양액에서 발견되지 않는다.

2.5 pH와 온도

미생물마다 최적 초기 pH 값이 다르다.D. hansenii 균주의 최적 pH 값은 5.5, Candida 균주 (Candida spp.) 4~6, C. parasilosis 4.5~5, C. guilliermondii 6.0, C. boidinii의 최적 pH 값은 7이다.P. tannophilus의 성장 최적 pH는 8, C. tropicalis의 발효 최적 pH는 4이다.제품의 생산은 pH에 영향을 받는데, 예를 들어 C. shehatae를 fed-batch fermentation로 재배하였을 때 자일리톨의 생산은 측정된 가장 낮은 pH에서 최대치에 달하였고, 에탄올과 자일리톨의 생산속도는 pH 4에서 최대치에 달했다.5, 에탄올과 크실리톨의 생산 속도는 최대치에 도달했다.C. guilliermondii를 발효시킨 배지 가수분해물을 발효시킨 경우 xylose reductase의 활성은 pH 4.0-6.0에서 가장 높았으며 xylitol dehydrogenase의 활성은 pH와 온도가 증가함에 따라 증가하였다.

효모는 24~45°C 범위에서 자일리톨을 생산할 수 있으며, 일반적인 최적 온도 범위는 28~30°C이다.온도가 30°C에서 37°C로 증가하면 P. tannophilus의 자일리톨 생성이 감소하고 아세트알데히드가 축적된다.C. guilliermondii의 최대 성장은 35°C에서 일어나며, 최대 자일리톨 농도와 제품 전환율은 30-35 °C에서 이루어진다.

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