488-81-3 / D-阿拉伯糖醇的實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)方式

背景及概述^[1-2]

D-阿拉伯糖醇又稱(chēng)為D-樹(shù)膠糖醇，其天然形式首次被FREREJACQUEM等發(fā)現(xiàn)存在于蘑菇中，隨后LINDBERGB等在地衣中也發(fā)現(xiàn)其存在，迄今為止，在自然界中以天然狀態(tài)存在的D-阿拉伯糖醇僅在這兩類(lèi)物種中發(fā)現(xiàn)。D-阿拉伯糖醇與戊糖醇系列中的D-木糖醇、D-核糖醇互為同分異構(gòu)體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為白色棱柱形結(jié)晶，味甜，易溶于水，12℃時(shí)以1∶48的比例溶于體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇溶液，不溶于乙醚，熔點(diǎn)103℃，旋光度130°。自然界中存在的D-阿拉伯糖醇含量很少，直接提取所需原料的費(fèi)用昂貴，不經(jīng)濟(jì)且困難。用化學(xué)法也可得到D-阿拉伯糖醇，即通過(guò)D-阿拉伯糖、D-來(lái)蘇糖酸催化加氫得到D-阿拉伯糖醇，但化學(xué)合成法涉及的反應(yīng)需要昂貴催化劑并在持續(xù)高溫下進(jìn)行，生產(chǎn)周期長(zhǎng)且污染嚴(yán)重，在一定程度上限制了生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始嘗試以生物轉(zhuǎn)化的方式來(lái)完成D-阿拉伯糖醇的生產(chǎn)并進(jìn)行了大量研究。生物法具有綠色、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，以活的微生物為細(xì)胞工廠，多種酶促反應(yīng)生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇，整個(gè)過(guò)程無(wú)需使用純糖底物和化學(xué)催化劑，具有大規(guī)?；a(chǎn)的運(yùn)用潛力，在下游工程中該方法所得的產(chǎn)物更容易被分離除去，可有效提高D-阿拉伯糖醇的得率及純度。

應(yīng)用^[2]

在食品行業(yè)中，阿拉伯糖醇不僅作為高檔甜味劑，還可作為調(diào)制糖漿基質(zhì)來(lái)改善酒精飲料品質(zhì)并應(yīng)用于相應(yīng)食品加工生產(chǎn)過(guò)程中；在醫(yī)藥領(lǐng)域，D-阿拉伯糖醇可作為阿糖腺苷、阿糖胞苷和α-葡萄糖苷酶抑制劑等藥物的中間體，同時(shí)還可作為運(yùn)輸介質(zhì)以通過(guò)血腦屏障；而在化工方面，D-阿拉伯糖醇是顆粒性固體或親水涂層的促溶劑，可增強(qiáng)鋁電容器在高溫下的可靠性并提高電解質(zhì)溶液的黏度，此外，還可作為合成高分子發(fā)泡材料的激活劑及顯影材料穩(wěn)定劑；在生物方面，還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

制備^[3]

• 葡萄糖代謝途徑

葡萄糖產(chǎn)D-阿拉伯糖醇有兩條途徑：第一步，該六碳糖被6-磷酸葡萄糖激酶磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入磷酸戊糖途徑（pentosephosphatepathway，PPP），然后轉(zhuǎn)化成D-核酮糖-5-磷酸，D-核酮糖-5-磷酸經(jīng)核酮糖激酶催化脫去磷酸基生成D-核酮糖，再由D-阿拉伯糖醇脫氫酶降解D-核酮糖生成D-阿拉伯糖醇，此為D-核酮糖生成途徑?；蛘?-磷酸葡萄糖生成D-核酮糖-5-磷酸，D-核酮糖-5-磷酸經(jīng)異構(gòu)酶催化形成5-磷酸-D-木酮糖，再經(jīng)D-阿拉伯糖醇脫氫酶降解D-木酮糖生成D-阿拉伯糖醇，此為D-木酮糖生成途徑。

2.甘油代謝途徑

進(jìn)入酵母細(xì)胞后，甘油的代謝分為磷酸化途徑和氧化途徑。對(duì)于磷酸化途徑，甘油通過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)散或主動(dòng)運(yùn)輸吸收進(jìn)入細(xì)胞后，經(jīng)甘油激酶磷酸化形成3-磷酸甘油，再由甘油-3-磷酸脫氫酶氧化生成磷酸二羥丙酮（dihydroxyacetonephosphate，DHAP），此為磷酸化途徑。在氧化途徑中，甘油經(jīng)過(guò)甘油脫氫酶生成二羥基丙酮，然后再由二羥基丙酮激酶轉(zhuǎn)化成磷酸二羥丙酮。上一途徑生成的磷酸二羥丙酮被轉(zhuǎn)化成3-磷酸甘油醛，再經(jīng)糖異生途徑生成6-磷酸葡萄糖進(jìn)入磷酸戊糖途徑，遵循6-磷酸葡萄糖類(lèi)似的途徑。

生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇菌株^[3]

1.天然耐滲酵母

研究發(fā)現(xiàn)，能產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的天然菌株大多屬于耐滲酵母和耐高滲酵母。早在1956年對(duì)蜂巢和花粉中分離得到的耐滲酵母進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)大部分菌能產(chǎn)如甘油、D-阿拉伯糖醇、甘露糖醇和赤蘚糖醇等多元醇，其產(chǎn)量受氮源及通氧速率的影響，為日后阿拉伯糖醇工業(yè)化生產(chǎn)菌株的發(fā)掘提供了重要指導(dǎo)。此后，諸如德巴利酵母屬、梅奇酵母屬、畢赤酵母屬、漢遜酵母屬、假絲酵母屬、接合酵母屬克魯維酵母屬、柯達(dá)酵母屬等具有耐滲或耐高滲特性的酵母菌陸續(xù)被證實(shí)可用于D-阿拉伯糖醇的生產(chǎn)，表給出了具有典型性的耐滲酵母產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的總結(jié)。最新報(bào)道的種屬為2017年報(bào)道的婁德酵母，相信今后仍然會(huì)不斷地有產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的天然耐滲酵母的研究報(bào)道。

2.其他天然種屬及產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的工程菌株

能產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的菌株大部分是天然耐滲酵母，但也有極少部分其他的天然種屬以及工程改造菌株也被報(bào)道能產(chǎn)生此多元醇，如研究米曲霉菌固態(tài)發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)其菌絲體上含有包含D-阿拉伯糖醇脫氫酶在內(nèi)的與對(duì)應(yīng)多元醇累積相關(guān)性較高的高活性脫氫酶，由此證明該菌屬也具有生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的潛力。報(bào)道的一株代謝工程菌枯草芽孢桿菌ATCC31094，該菌能利用葡萄糖產(chǎn)生38%D-阿拉伯糖醇。另外，賀鵑等將重組質(zhì)粒pVgb-EX2轉(zhuǎn)化到產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的酵母Saccharomycessp.X-62中并得到表達(dá)，使產(chǎn)量提高了27.3%。采用基因工程技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建多形漢遜酵母酸性磷酸酯酶基因突變菌株，該菌株底物轉(zhuǎn)化率達(dá)51.2%。運(yùn)用低能離子束技術(shù)構(gòu)建高產(chǎn)重組菌株，結(jié)合高通量篩選方法篩選出了一株產(chǎn)量為113.76g/L的高產(chǎn)工程菌株，被命名為多形漢遜酵母（Hansenulapolymorpha）DLg4-14。

主要參考資料

[1] 食品科學(xué)手冊(cè)

[2] D-阿拉伯糖醇高產(chǎn)多形漢遜酵母重組菌株選育及其發(fā)酵工藝研究

[3] 微生物發(fā)酵產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的研究進(jìn)展