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일본Erythritol 분말의 근원은 무엇입니까?
최근 가속화된 삶의 속도와 라이프스타일의 변화로 피플'의 식습관은 엄청난 변화를 겪었다.이에 수반되는 비만, 당뇨, 심혈관질환 등의 건강문제는 people&에 심각한 문제와 불편을 초래하고 있다#39세, s 생 [1].식단에서 설탕의 과다 섭취는 이러한 현상을 일으키는 주요 요인이며, 설탕의 과다 섭취는 충치 [2]와 같은 구강 질환의 발생을 증가시키기도 한다.감미료의 발견과 사용은 식품의 고열량 설탕 첨가를 감소시켜 설탕 섭취를 줄이는 데 도움을 주었다.감미료는 단맛을 제공하지만 열량이 낮은 화합물의 일종이다.원료에 따라 천연감미료와 합성감미료로 나눌 수 있다 [1].초기 합성 감미료인 스테비아, 아바스 스위트, 사카린 등은 단맛이 강하긴 하지만 장내 식물상 장애를 일으키는 것으로 밝혀져 자주 섭취하면 건강에 이롭지 않다 [3].합성 감미료와 비교하여, mannitol, erythritol, xylitol 및 sorbitol과 같은 천연 감미료의 사용은 사람들에게 더 수용 가능합니다.이러한 당알코올은 낮은 대사에너지, 저혈당, 안전한 특성 [4]을 가지고 있다.
Erythritol, 화학적으로 (2R, 3S) 부탄 1,2,3,4-tetrol은 백색, 무취, 비흡습성, 광학적으로 비활성, 열적으로 안정도, 수용성 4 탄소 알코올로 [5] 과일, 채소, 발효 식품 등에서 널리 발견된다.Erythritol은 신체와 장내 미생물에 의해 주로 사용되지 않고, 혈당 농도나 인슐린 수준을 변화시키지 않으며, 설사를 일으키지 않는 [6] 등의 특성 때문에 특히 관심을 끌었다.1848년에 그것의 첫 발견 이후, erythritol는 1990년대에 일본, 미국 및 일부 유럽 국가에 있는 식품 성분 및 감미료로 직접 사용을 위해 승인되었습니다.중국에서는 2008년에 erythritol을 필요에 따라 적당히 음식에 사용하는 것을 허용하는 공식 발표가 이루어졌습니다 [7-8].2019년에 erythritol의 세계 시장 볼륨은 70,400톤이었고, 2026년까지 erythritol에 대한 시장 수요는 1.5배 증가할 것으로 예상됩니다 [9]..erythritol를 위한 상승하는 시장 수요는 erythritol의 생산에 새로운 요구 사항을 놓았습니다.
Erythritol은 화학 및 미생물 발효 방법으로 합성될 수 있습니다.그러나 화학 합성은 생산 효율이 낮고, 비용이 많이 들며, 운용상 위험하다는 단점이 있어 [1] 산업화가 이루어지지 않았다.미생물 발효에 의하여 erythritol의 생산은 화학 합성의 불리한 영향을 해결합니다.몇 년에 걸쳐, 연구자들은 erythritol의 발효 생산 과정에 많은 일을 했습니다.그 결과 발효매질의 조성 (탄소원, 질소원, 무기염 등), 발효조건 (온도, pH, 용존산소 등) 및 발효방법 (연속발효, 회분식 발효 및 회분식 공급발효 등)이 erythritol의 수율 및 생산에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.관련 내용 [1, 9]은 최근에 잘 설명되었으므로 여기서 반복하지 않겠다.
이미생물 발효에 의한 erythritol생산다른 당알코올의 발효 생산에 비해 낮은 수율과 전환율을 가지고 있다.미생물 균주의 돌연변이 및 대사 경로 변형은 erythritol생산을 개량하는 새로운 방향을 제공합니다.이에 본 저자는 erythritol의 미생물 발효 합성에 대한 최신 연구를 요약하여 주균주 및 erythritol대사 경로, 재생 가능한 자원으로부터 erythritol의 합성, 균주의 대사공학.erythritol생산을 증가시키기 위한 잠재적인 경로는 높은 수율 erythritol균주의 미래 번식 및 건설을 위한 새로운 연구 아이디어를 제공하기 위한 목적으로, 논의됩니다.
erythritol의 발효 생산 및 그들의 번식을 위한 1개의 주요 미생물
1. 1 박테리아
세균은 포도당 kinase, glucose-6-phosphate isomerase, phosphoketolase, erythritol-4-phosphate dehydrogenase 및 phosphatase의 작용을 통해 erythritol을 합성하기 위한 기질로 포도당을 사용할 수 있다 (그림 1). 4-phosphate dehydrogenase (erythritol-4-phosphate dehydrogenase) 및 phosphatase (phosphatase)의 작용을 통해 erythritol을 합성할 수 있다 (그림 1) [1, 10].현재 erythritol을 직접 합성할 수 있는 세균은 알려진 것이 거의 없으며, 주로 Lactobacillus와 Oenococcus (표 1). Tyler 등 [11]은 Lactobacillus florum 2F 가 포도당을 기질로 사용하여 2.04 g/L의 erythritol을 합성할 수 있는 반면, fructose를 기질로 사용할 경우 erythritol의 최종 농도가 낮아진다고 하였다.최종 농도는 더 낮았다;동시에 본 연구에서는 Lactobacillus, Oenococcus 등 22 종의 세균에 의한 erythritol의 생성을 분석한 결과, Leuconostoc, Oenococcus, Weissella 등의 속을 포함한 균주들이 0.02~0.45 g/L의 erythritol을 합성할 수 있었다 (Table 1). n der Woude 등 [12]은 시작균주로 Synechocystis sp. PCC6803을 사용하였으며,그리고 0을 합성할 수 있는 지배적인 균주 SEP024를 얻기 위하여 유전 공학을 통해 박테리아에서 erythritol4-phosphate phosphatase와 erythritolreductase를 과발현 시켰다.256 g/L erythritol.전체는 낮고, erythritol의 산업 생산은 달성될 수 없습니다.
1. 2. 곰팡이
박테리아와 비교하여, 곰팡이는 포도당, 글리세롤, 과당 및 기타 기질을 사용하여 펜토스 인산염 경로를 통해 대사하고 erythritol을 합성할 수 있습니다.erythritol의 산업 생산에 사용되는 주요 균주는 효모 [9]입니다.erythritol을 합성하기 위한 기질로서 효모 포도당, 글리세롤 및 과당에서.erythritol의 공업적 생산에 사용되는 효모들 중에서 주요종은 Saccharomyces cerevisiae이다 [9].효모에서 포도당이 탄소원으로 사용될 때 포도당 키나제 (glucose kinase), 포도당 키나제 (glucose kinase), 포도당 6인산 탈수소효소 (glucose kinase), 포도당 6인산 탈수소효소 (6-phosphogluconolactonase), 포스포글루콘산 탈수소효소 (phosphogluconate dehydrogenase), 리불로오스 인산염 3-에피머라제 (ribulose phosphate 3-epimerase), 리불로오스 5인산 이성질체 (ribulose-5-phosphate isomerase) 가 리불로오스 5인산 및 리보오스 5인산의 형성을 촉매하여 리불로오스 5인산과 리보오스 5인산이 생성되고, 이들은 트랜스케톨라제, 트랜스알돌라제 (transaldolase),erythrose-4-phosphate kinase 및 erythrose-4-phosphate reductase (transketolase), transaldolase, erythrose-4-phosphate kinase 및 erythrosereductase (그림 2) [13-14].
글리세롤을 기질로 할 때, 글리세롤은 글리세롤 키나아제, 글리세롤 3-인산 탈수소효소, 트리오스 인산 이성화 효소 및 알돌라제에 의해 과당 1,6-이인산으로 전환될 수 있으며, 포도당 6인산을 경유하여 펜토스 인산 경로로 들어갈 수 있다.최근, Niang et al. [15]는 erythritol이 더 erythrose 및 erythrose 인산염으로 분해되고 세포에 의해 이용될 수 있다는 것을 발견했습니다.이 과정 동안, erythritoldehydrogenase 에리트룰로스 탈수소효소, 에리트룰로스 키나아제 및 에리트룰로스 인산염 이성질화효소는이 과정에서 핵심적인 역할을 합니다.
현재 erythritol생산이 높은 효모들은 25-245 g/L erythritol을 합성할 수 있는 Candida, Yarrowia, Torula와 같은 종을 포함 [16-25] 보고되었다 (표 2). 그 중 Yarrowialipolytica는 erythritol의 산업적 생산에 가장 널리 사용되는 균주이다.Yarrowialipolytica는 전통적인 oleaginous 효모의 한 종류이며 또한 안전한 미생물 (GRAS)로 간주되므로 산업 생산에 중요한 응용 가치가 있습니다.
게다가, Yuill et al. [26] 1948년에 Aspergillus niger 가 erythritol을 대사하고 합성할 수 있다고 처음 보고했지만, Aspergillus를 포함한 다른 금형은 erythritol의 산업 생산에 사용되지 않았습니다.
1. 3. 변종 선택
자연으로부터 분리 된 균주는 erythritol합성 효율이 낮은 문제가 있다.따라서, 균주의 초기 erythritol 합성을 증가시키기 위해서는, 균주의 형질을 변형시킬 필요가 있다.일반적으로 방법은 자외선 돌연변이 발생, 방사선 돌연변이 발생 및 상온 플라즈마 돌연변이 발생 등의 물리적 돌연변이 발생과 더불어 디에틸 설페이트, 에틸 메탄설폰산, 니트로 소구아니딘, 에틸렌네이민, 아지드화 나트륨 등의 화학적 돌연변이 발생이 목적 균주를 처리하는 것이다.Mo에등 [10]은 Aureobasidium sp. SN124A를 자외선 돌연변이 및 nitrosoguanidine으로 처리하여 erythritol 수율이 47.6% 증가한 돌연변이 균주를 얻었다.동해 등 (27)은 분리한 Saccharomyces cerevisiae ERY237을 자외선 및 화학적 돌연변이를 유발하여 최적의 발효조건에서 87.8 g/L erythritol을 생산하는 우성 균주를 얻었다.왕펑웨이 등은 자연에서 고농도의 당이 풍부한 시료를 스크리닝 하여 erythritol을 생산하는 효모 Saccharomyces cerevisiae Jun한6 균주를 얻었다.자외선, LiCl 및 디에틸황산염 (diethyl sulfate, DES)과 돌연변이 생성 (mutagenesis)을 혼합한 후, 균주 Jun한27을 얻었다.이 균주의 erythritol 생산은 초기 균주 Jun한6의 4.2배인 67.5 g/L에 도달했습니다.
Gh Gh ezelbash 등 [29]은 효모 YarrowialipolyticaDSM70562를 65인 자외선으로 조사함으로써 39.76 g/L erythritol을 합성할 수 있는 돌연변이 균주인 돌연변이49를 얻었다.7%;추가 연구는 erythritol 생산의 증가가 erythritol reductase 활성의 증가와 관련이 있다는 것을 발견했습니다.자외선 조사는 효소의 위치 270에 있는 aspartic acid를 glutamic acid로 치환시켜 최종적으로 a 1로 이끌었다.효소활성 47배 증가.원래 균주를 추가로 발효하면 부산물인 글리세롤이 6.37 g/L 생성되는 반면, 돌연변이 49는 글리세롤이 합성되지 않는다.
비슷하게 게젤바쉬 (Ghezelbash) 등 [30]도 칸디다 마그놀리아 (칸 디magnolia)를 치료했다 DSM70638, 우수한 형질을 가진 돌연변이 균주인 mutant 12를 얻었다.이 균주에서 erythritol의 수율은 시작 균주에 비해 2.4배 증가한 20.32 g/L에 달하였고, 부산물인 glycerol의 농도는 5.5배 감소하였다.Qiu 등 31)은 자외선돌연변이물질과 상온혈장돌연변이물질을 결합하여 효모 BBE 18을 처리하였다.얻어진 1,152 종의 돌연변이 균주에 대한 1차 및 2차 스크리닝을 수행하여 최종적으로 고수율 돌연변이 균주 yliUA8을 얻었다.발효 조건을 최적화한 후에는 시작 균주의 43 g/L보다 훨씬 높은 148 g/L의 erythritol을 생산할 수 있었다.따라서 기존의 돌연변이 발생과 스크리닝이 여전히 우수한 형질을 가진 균주를 얻기 위한 중요한 방법임을 보여준다.…을 한층 더 개선하다erythritol 생산발효 공정 최적화 및 대사 경로 수정과 같은 다른 방법의 조합을 요구합니다.
erythritol을 합성하기 위한 원료로 재생 가능한 자원 또는 폐기물의 발효 2
2. 원유 글리세린을 원료로 사용하는 1
전통적인 erythritol의 액체 발효 생산은 주로 상용 포도당과 글리세롤을 기질로 사용합니다.그러나 순수한 글리세롤 또는 포도당으로부터 erythritol의 합성은 비용 증가로 이어질뿐만 아니라 녹색 에너지 경제의 지속 가능한 개발 개념과 모순됩니다.최근 몇 년 동안, 연구자들은 재생 가능한 자원으로부터 erythritol의 합성에 많은 양의 연구를 수행했으며, 그 중에서 원유 글리세롤은 더 널리 사용되는 원료입니다.원유 글리세린은 바이오디젤의 생산 과정에서 발생하는 부산물이며, 주요 성분으로는 글리세린 (80%), 잔류유, 유리지방산, 나트륨 소금 [32] 등이 있다.Tomaszewska 등 33)은 탄소원으로서 순수한 글리세린과 조잡한 글리세린 조건에서 Yarrowialipolytica에 의한 erythritol의 합성을 조사하였다.Tomaszewska 등 33)은 순수한 글리세롤과 조잡한 글리세롤을 탄소원으로 사용하여 Yarrowialipolytica에 의한 erythritol의 합성을 조사하였다.그 결과 Yarrowialipolytica는 순수한 글리세롤을 사용하여 얻은 84.1 g/L보다 약간 낮은 최대 80.5 g/L의 수율로 erythritol을 합성하기 위해 crude glycerol을 사용할 수 있음을 보여주었다.이것은 erythritol의 산업 생산에서 원유 글리세롤이 주요 원료로 사용될 수 있음을 나타냅니다.
미롱숙 등은 효모 Yarrowialipolytica가 crude glycerol을 원료로 사용하여 155.5 g/L의 erythritol을 합성할 수 있도록 반복회분발효를 최적화 하였다.이는 대조군의 순수 글리세롤을 이용하여 얻은 208 g/L 보다는 낮지만, 수율은 0.56 g/g에 달하여 대조군의 0.41 g/g & 보다는 높은 수율을 보였다#39; s 0 입니다.41 g/g. Kobayashi 등 [24]은 zygosporella 효모가 crude glycerol을 기질로 사용하여 erythritol을 발효 및 합성할 수 있음을 확인하였으며, 이는 순수한 포도당이 탄소원으로 사용될 때의 50% 전환율보다 높은 60%의 전환율을 보였다.이것은 또한 erythritol을 발효시키고 합성하기 위한 원료로 crude glycerol이 포도당을 대체할 수 있다는 것을 보여줍니다.또한 Rakicka 등 [21]은 2단계 발효 공정에서 두 가지 원료 (바이오디젤 생산 라인에서 83% 글리세롤, 비누 생산 라인에서 76% 글리세롤)의 crude glycerol을 사용하여 Yarrowia lipolytica에 의한 erythritol의 합성을 실험하였다.그 결과 erythritol의 최대 수확량은 각각 162 및 116 g/L 이었다.이 수율은 순수한 글리세롤을 사용하여 얻은 199.4 g/L보다 낮지만 원료의 경제적 비용을 고려하면 erythritol의 합성을위한 원료로 원유 글리세롤을 사용하는 것이 좋습니다.
2. 당밀과 폐식용유를 원료로 사용하는 2
미론초크 등 [35]은 원유의 글리세린 외에도 농산물 가공의 부산물인 당밀을 erythritol을 발효, 합성하기 위한 원료로 사용하였다.당밀의 주성분은 자당 (55%), 기타 당, 유기산 및 염이다.본 연구에서는 당밀을 원료로 사용하여 2단계 발효 후 효모 Arthrospira lipolyticaAMM을 이용하여 70 g/L erythritol을 합성할 수 있었다.H hijosa Valsero 등 23)은 Moniliella pollinis MUCL 40570, M. pollinis MUCL 28141, Pseudozymafusiformata DSM27425 및 P. tsukubaensisNRRL Y 7792를 이용하여 사탕수수 당밀, 사탕무 당밀, 적포도 당밀, 장미포도 당밀 등을 이용하여 erythritol을 합성하였다.MUCL 40570 및 MUCL 28141은 50 내지 97 g/L erythritol을 합성 할 수 있다는 것을 발견했다;DSM 27425와 NRRL Y 7792는 erythritol을 합성하기 위해 자당 당밀과 사탕무 당밀을 대사할 수 없지만 포도즙을 원료로 사용하여 14~30 g/L erythritol을 합성 할 수 있습니다.따라서 균주마다 원료를 대사하는 능력이 다르다는 것을 알 수 있다.
주방 폐유에는 다량의 기름과 화학 유기물이 함유되어 있다.함부로 버리면 심각한 환경오염을 초래할 수 있기 때문에 주방 폐유를 재사용하는 것은 큰 의미가 있다.류 등 (36)은 효모 M53이 주방폐유를 원료로 사용하여 대사작용을하고 erythritol을 합성할 수 있음을 발견하였다.30 g/L의 폐유를 중간액에 첨가하고 5 L 발효기에서 72시간 동안 배양하였을 때 22.1 g/L의 erythritol을 얻었으며, 0.74 g/g의 수율을 얻었다.이어서, 류 등 (37)은 폐유와 지방으로부터 erythritol의 생산을위한 공정을 최적화 하였다.먼저, 루파 스펀지를 세척하여 건조시킨 후, 1 cm × 1 cm × 0.5 cm 크기의 입자로 잘라 발효 육수에 첨가하여 기름내 분산제로서 세포에 의한 기름의 활용도를 향상시켰다.기질의 적어도 60 g/L는 완전히 이용될 수 있고, erythritol의 수율은 기름의 0.76 g/g에 도달할 수 있다는 것을 발견했습니다.배치 공급 및 스케일 업 발효에 의해 erythritol의 수율은 114.3 g/L로 더 증가 될 수 있습니다.
농업 폐기물을 원료로 사용 2.3
농업폐기물에는 대량의 유기물이 함유되여있어 미생물이 리용할수 있다.류 등 38은 대두잔류를 원료로 하여 erythritol을 합성하려고 하였다.Yarrow lipase는 대두 잔류물을 직접 분해할 수 없기 때문에 먼저 Mucor flavus와 Trichoderma reesei를 이용하여 잔류물을 사전 발효시킨 후, 사전 발효된 생성물을 효모를 이용한 추가 발효를 위한 원료로 사용하여 추가 발효 및 erythritol을 합성하였다.5 L 발효기에서 효모는 기질을 대사시켜 14를 합성할 수 있음을 확인하였다.7 g/L erythritol, 수율 0.49 g/g.
고체 상태 발효를 사용하여 재생 가능한 자원으로부터 erythritol을 합성하는 과정은 최근 몇 년 동안 돌파구를 만들었습니다.traditional과 비교하면 전통적인 액체 심층 발효, 고체 상태 발효는 생산 비용이 저렴하고, 생산이 더 안정적이며 [39] 수율이 높은 특성을 가지고 있다.류 등 39)은 먼저 2단계 고체 상태 발효 방법을 사용하여 기질로서 콩 잔류물로부터 erythritol의 생산을 달성하였다.첫 번째 단계는 Aspergillus niger에 의한 발효였고, 72시간 이후 Yarrowia lipolytica를 현장에서 접종하여 erythritol 발효의 두 번째 단계를 수행하였다.또한 실제 발효 과정에서 기질인 콩 잔류물의 응집에 의한 내부 저산소증 문제를 해결하기 위해 건조 로파 펄프, 겨, 옥수수, 메밀 껍질을 원료에 첨가하여 콩 잔류물을 느슨하게 하였다.
브란을 벌크제로 사용하고 192시간 동안 고체발효를 수행하였을 때 erythritol의 수율은 143.3 mg/g (건조기질 1 g 기준) 임을 알 수 있었으며, 또 다른 연구에서는 Liu 등 (40)이 1단계 고체발효법으로 기름작물 폐기물로부터 erythritol을 합성하고자 하였다.기름 작물 폐기물은 erythritol의 합성을 억제하는 높은 수준의 질소를 함유하기 때문에, 그들은 Yarrowia lipolyticaM53 S.의 변형된 균주를 사용했습니다.이 균주는 snf1 유전자 (자당 비발효단백질 kinase를 부호화하는)의 녹아웃, 충분한 질소원의 조건 하에서 기질에서 erythritol을 합성하는 데 사용될 수 있습니다 knockout 되었습니다.M53 S는 땅콩 필터 케이크, 40% 참깨 식사 및 10% 주방 폐유 혼합물을 발효시켜 erythritol을 합성하는데 사용될 수 있으며, 185.4 mg/g의 수율을 얻을 수 있는 것으로 밝혀졌다.
Biochar는 세포 식민화를 위한 장소를 제공하는 동시에 세포 성장과 신진대사를 촉진시킬 수 있습니다.erythritol의 생산량을 더 증가시키기 위해, Liu et al. [41]은 고체 상태 발효 시스템에 biochar를 도입했습니다.첫째로, 쌀겨, 밀짚, 버섯 잔여물, 돼지 분뇨 등 다양한 기질을 고온에서 탄화한 후 갈아서 탄소 입자로 만들었다.그 후 콩가루 잔류물, 참깨가루 및 주방폐유 (5:4:1의 질량비율로)로 구성된 기판에 기질을 첨가하였다.밀짚으로 만든 biocarb에입자는 Yarrowia lipolytica에 의한 erythritol의 합성을 촉진하는데 가장 큰 영향을 미치는 것으로 최종적으로 확인되었으며, erythritol의 수율은 biocarbon 입자가 없는 182.4 mg/g에서 199.7 mg/g으로 증가하였다.그 후에 지속적인 회분 발효 최적화를 통해 erythritol의 수율은 222.5 mg/g에 도달 할 수 있습니다.
미세조류 잔류물을 원료로 사용 2.4
미세조류는 경작을 위한 토지를 필요로 하지 않기 때문에 식량작물과 경쟁하지 않기 때문에 지속가능한 중요한 원료로 여겨진다.Liu et al. [42]은 Yarrowia lipolytica가 Schizochytrium sp. zjut8잔류 (오일 추출 후 남은 것), 대두박 잔류 케이크 및 참깨 식사를 원료로 사용하여 erythritol을 합성할 수 있음을 보였다.fed-batch발효 후 제품의 수율은 223.2 mg/g (1잔류 기준), 콩 식사 잔류 케이크 및 참깨 식물에 도달 할 수 있습니다.보충제로 일괄 발효 후 제품의 수율은 223.2 mg/g (건조 기질 1 g 기준)에 도달 할 수 있습니다.그러나 연구에서 미세조류 잔류물에 셀룰로오스 성분이 포함되어 있기 때문에 Yarrowia lipolytica로 직접 활용할 수 없기 때문에 protease와 cellulase를 전처리에 사용할 필요가 있으며, 이는 어느 정도 생산 비용을 증가시킨다.향후 연구에서 야로위아 폴리티카에 의한 셀룰로오스 성분을 함유한 원료의 직접적인 활용은 대사 경로 변형을 통해 이루어질 수 있다.
미생물을 이용하여 액체 또는 고체 발효를 통해 재생 가능한 자원으로부터 erythritol을 합성하고 그 산업적 생산이 향후 주요 연구 방향이라는 결론을 내릴 수 있다.이렇게 되면 생산비용을 크게 절감할 수 있을 뿐만 아니라 폐기물의 재활용 및 재사용을 달성할 수 있어 환경보호와 에너지 절약에도 매우 중요한 의미를 가진다.
3 Erythritol 대사 경로 수정
유전공학기술의 신속한 발전과 오믹스기술의 신속한 발전은 미생물의 대사경로를 목표성있게 개변하는데 보장을 제공해주고있다.기존의 돌연변이 발생과 육종 및 발효 공정 최적화에 비해 대사 경로의 표적 변형에 의한 표적 미생물 산물의 수율 향상을 목적으로 하는 대사공학적 방법은 주기가 짧고 효율이 높으며보다 표적화된 장점이 있다.현재, erythritol의 생산을 개선하기 위해 대사 경로 변형의 사용, 연구는 주로 효모 Yarrowia lipolytica에 초점을 맞추고, 기질 포도당과 글리세롤의 대사를 개선하고, 펜토스 인산염 경로와 erythritol 합성의 효율성을 개선하고, erythritol의 이화 작용을 차단합니다 (그림 3). 또한 대사경로 변형에 관여하는 유전자 제거 방법으로는 주로 상동재조합, Cre Lox-based homologous recombination, CRISPRC로knockout system 등이 있으며, 사용되는 플라스미드 벡터는 대부분 염색체 통합 플라스미드이다 (Table 3).
칼 등 (43)은 erythrose 로부터 erythrose 1-phosphate 합성을 촉매하는 erythrose kinase를 부호화하는 유전자 EYK1을 발견하여 확인하였다 (Fig. 2). Yarrowia lipolyticaW29에서 EYK1을 녹인 경우 erythritol은 30.7 g/L에서 35.7 g/L로 증가하였다 (Table 3). 녹인 균주의 erythritol 수율은 0.49 g/g으로 원래의 균주 (0.39 g/g)보다 높았다.Car ly 등 44)은 글 리세 롤kinase (GUT1), glycerol 3-phosphate dehydrogenase (GUT2), phosphopyruvate isomerase (TPI1), transketolase (TKL1), erythrose 4-phosphate phosphatase (E4 PP) 및 erythrose reductase (ER)를 동시에 과발현 하였을 때, GUT1과 TKL1 또는 GUT1과 ER가 동시에 과발현 하였을 때, 발효 국물 중 erythritol의 농도가 대조구에 비해 유의적으로 높게 나타났다.
그 중 erythritol의 수율은 0.46 g/g에서 0.61 g/g으로 증가하여 다른 단일 유전자 과발현의 수율보다 높았다 (표 3);그리고 EYK1을 쓰러뜨리고 GUT1과 TKL1의 과발현과 결합하면 발효 국물중의 erythritol의 생성을 80.6 g/L까지 더 증가시킬 수 있다.Mironczuk 등 13)은 효모 Arthrospira mutabilis AMM에서 phosphoglucomutase (GND1), glucose-6-phosphate dehydrogenase (ZWF1), TKL1 및 transaldolase (TAL1)를 각각 과발현시켜 erythritol의 생합성에 미치는 영향을 조사하였다.그 결과 대조균주인 MK1, glucose 6-phosphate dehydrogenase (ZWF1), TKL1 및 transaldolase (TAL1)에 의한 erythritol의 발효합성과 비교하여 세포에 의한 erythritol의 합성에 미치는 영향을 살펴보았다.그 결과 25.30 g/L의 erythritol을 발효시켜 합성을 시킨 대조구 MK1과 비교하여 이들 중 어느 유전자라도 과발현 시키면 세포가 40 g/L 이상의 erythritol을 합성할 수 있음을 알 수 있었다.
Chen g 등 45)은 효모 CGMCC7326과 과발현 ER10, ER25 및 ER27에서 내인성 erythritol 환원효소를 분석하였다.그 결과 3가지 유전자 각각의 과발현만으로도 CGMCC 7326의 erythritol 합성율을 어느 정도의 비율로 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.그 중에서도 ER27을 과도하게 노출했을 때의 효과가 가장 뚜렷했다.원균에서 생산한 발효 국물 중 erythritol은 재조합균에서 154 g/L에서 182 g/L로 증가하였고, 생산 강도는 1.6에서 2.2 g/(L·h)로 증가하였다 (표 3). 이를 바탕으로이 균주에서 GND1과 ZWF1을 더욱 과발현 시켰다.
얻어진 균주의 erythritol 수율 및 생산 강도는 원래 균주에 비해 23.5% 및 50% 증가하여 각각 0.63 g/g 및 2.4 g/(L·h)에 도달하였으며, erythritol은 190 g/L에 도달하였다.Jagtap 등 (46)은 Yarrowia lipolyticaPo1f에서 Saccharomyces cerevisiae 로부터 phosphoenolpyruvate carboxylase (PEP)를 과발현 시켜 glycerol 기질의 이용효율과 erythritol의 생산을 향상시켰다.발효 국물에서 erythritol 생성, erythritol 생성강도, erythritol 수율 및 glycerol 이용률은 각각 10.70 g/L, 0.09 g/(L·h), 0.11 g/g 및 0.41 g/(L·h)에서 18.60 g/L, 0.16 g/g/(L·h), 0.19 g/g 및 0.41 g/(L·h)로 증가하였다.g 및 0.41 g/(L · h) 내지 18.60 g/L, 0.16 g/(L · h), 0.19 g/g 및 0.56 g/(L · h). 또한, 그들은이 재조합 세균에서 GUT1과 TKL1을 더 과발현 시켰고, fed-batch 발효를 최적화 한 후, 최종 발효 국물은 erythritol의 58.8 g/L에 도달 할 수 있었다.또한 사용 Yarrowia lipolyticaPolf의 시작 균주, Zhang 등 [14]은 부호화된 유전자 EYD1을 탈락시켰고, 얻어진 균주 MY11은 기질로서 glycerol 로부터 40 g/L erythritol을 발효 및 합성할 수 있으며, 이는 대조구 균주의 18 g/L에 비해 현저히 증가한 것이다.또한, erythritol의 생산을 더욱 증가시키기 위해, 그들은 MY11을 기준으로 리보스 5-인산염 이성화 효소 (RKI1)를 과발현 시켰으며, 얻어진 균주의 erythritol의 수율은 0.52 g/g에 도달 할 수 있었고, 52 g/L의 수율을 보였다.
요약하면, 대사 경로 공학은 초기 스트레인 &을 개선하는 효과적인 방법입니다#39;s erythritol 생산.그러나, 현재, erythritol 대사 경로 공학의 대부분은 Yarrowia lipolytica W29, Polf 및 MK1과 같은 초기 erythritol 생산이 낮은 실험실 모델 균주에 초점을 맞춘다.산업화된 균주의 대사경로공학이 상대적으로 적게 이루어졌다.따라서, 저자는 초기 erythritol 생산이 높은 산업용 균주에 기반한 대사 경로 수정은 발효 공정 최적화와 함께 erythritol 생산의 병목 현상을 개선하는 효과적인 방법이 될 것이라고 생각한다.
4 결론 및 전망
현재, erythritol은 고체 상태 발효 또는 액체 발효를 통해 효모에 의해 주로 생산되며, 그 중 Yarrowia lipolytica는 주요 균주입니다.최근 몇 년 동안, 연구자들은 시작 균주의 erythritol 생산을 증가시키는 목표를 달성하기 위하여 변형기 돌연변이 생성 및 선택, 발효 공정 모수 최적화, erythritol 합성 경로 수정을 결합했습니다.동시에, 재생 가능한 자원 또는 폐기물 물질로부터 혼합 미생물 발효 과정을 통해 erythritol의 합성에 대한 연구의 예가있었습니다.그러나, erythritol을 합성하기 위하여 미생물의 대사 과정에서 탐구될 많은 문제가 여전히 있습니다.이처럼 현재 가장 일반적으로 사용되는 균주는 국제적으로 인정된 안전한 미생물인 Saccharomyces cerevisiae이다.그러나 그 생장환경은 섭씨 30도 정도의 온도가 요구되므로 여름철 생산시 오염과 역류를 유발할 수 있으며, 냉방에너지 소비가 많다는 문제점도 있다.
이러한 이유로, 향후에는 기존 산업용 균주의 내열성을 목표한 개질이나, 고온 스트레스에 견딜 수 있고 우수한 형질을 가질 수 있는 균주를 환경으로부터 분리하는 방안이 고려될 수 있을 것이다.(2) 효모 Yarrowia lipolytica의 경우, 현재 환경 삼투압이 erythritol의 대사 및 합성에 중요한 조절 역할을하는 것으로 알려져 있으며, 기초 분자 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다.그 중에서, erythritol 합성 경로에 있는 주요 효소의 전사 조절 및 erythritol 합성의 시간적 특성은 더 많은 연구 및 탐구를 받을 만합니다.erythritol의 대사 경로 변형에 대한 다시 한 번, 그것은 주로 기질 대사 과정, 펜토스 인산염 경로 및 erythritol 합성 핵심 단계에 관련된 유전자를 과대 발현하는 것뿐만 아니라 erythritol 분해 경로에 있는 유전자를 때려박는 것에 근거합니다.
그러나, 기판 수송을 개량하기 위하여 기판 수송 체계를 수정하고 erythritol의 수출은 erythritol의 수율을 더 개량하는 것을 도울 깊이 수행되지 않았습니다.4. 재생 가능한 자원이나 폐기물을 원료로 사용하여 erythritol을 합성할 경우 사용되는 균주는 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스를 분해하여 탄소원으로 활용할 수 있어야 하며, 이는 Yarrowia lipolytica를 이용한 erythritol의 발효에 새로운 도전이 된다.원료를 전처리하거나 혼합 발효를 통해이 문제를 해결할 수 있지만 생산 주기와 비용을 증가시키는 것은 의심의 여지가 없습니다.동시에 셀룰로오스 가수분해물 혼합물에 존재하는 산과 하이드록시메틸퍼퓨랄은 Yarrowia lipolytica의 성장을 억제합니다.
따라서, 향후 Yarrowia lipolytica의 목표 변경은 재생 가능한 자원의 직접적인 이용을 개선하고 erythritol의 지속 가능한 생산으로 이어질 환경 스트레스에 대처하는 능력을 향상시킬 것으로 기대된다.⑤ 마침내, 변종 mutagenesis로 인한 생산량의 증가는 효소 활성 증가에 관련 된 돌연변이에 의해 발생 한 주요 효소에서 대사 경로에 있다.향후 In vitro directed evolution을 통해 주요 효소의 활성과 안정성을 향상시킨 후, 진화된 효소를 역대사공학 기술을 통해 세포 내에 발현시켜 목표 산물의 수율을 증가시키는 목적을 달성할 수 있는지 연구할 가치가 있다.
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