黃 魏，王曉丹，李豆南，雷安亮，吳長貴，邱樹毅*

（1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點(diǎn)實(shí)驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州珍酒釀酒有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563003）

微生物發(fā)酵產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的研究進(jìn)展

黃 魏1，2，王曉丹1，2，李豆南1，2，雷安亮1，3，吳長貴1，3，邱樹毅1，2*

（1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點(diǎn)實(shí)驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州珍酒釀酒有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563003）

D-阿拉伯糖醇作為一種功能性五碳糖醇廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，文章對D-阿拉伯糖醇的微生物發(fā)酵法生產(chǎn)進(jìn)行了綜述。對包括D-阿拉伯糖醇發(fā)酵菌株篩選、發(fā)酵工藝優(yōu)化、微生物發(fā)酵底物利用及D-阿拉伯糖醇的分離純化等進(jìn)行分析和深入探討，同時對今后低成本、綠色化生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

D-阿拉伯糖醇；菌株篩選；研究進(jìn)展

D-阿拉伯糖醇又稱為D-樹膠糖醇，其天然形式首次被FREREJACQUEM等[1]發(fā)現(xiàn)存在于蘑菇中，隨后LINDBERG B等[2]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°。

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，同時還可作為運(yùn)輸介質(zhì)以通過血腦屏障；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[3]。

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D-阿拉伯糖、D-來蘇糖酸催化加氫得到D-阿拉伯糖醇[4]，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，國內(nèi)外許多學(xué)者開始嘗試以生物轉(zhuǎn)化的方式來完成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，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，整個過程無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。在此基礎(chǔ)上研究的熱點(diǎn)已轉(zhuǎn)向優(yōu)產(chǎn)、高產(chǎn)D-阿拉伯糖醇菌株的發(fā)掘與生產(chǎn)工藝條件的優(yōu)化，通過代謝途徑調(diào)整以及工業(yè)化生產(chǎn)模型的建立來進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，本文針對近年來阿拉伯糖醇這些研究熱點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)，對D-阿拉伯糖醇今后研究發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 不同發(fā)酵底物產(chǎn)D-阿拉伯糖醇代謝機(jī)理研究

1.1 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（pentose phosphate pathway，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[5]。

1.2 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。對于磷酸化途徑，甘油通過簡單的擴(kuò)散或主動運(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（dihydroxyacetone phosphate，DHAP），此為磷酸化途徑。在氧化途徑中，甘油經(jīng)過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-磷酸葡萄糖類似的途徑[6]。

2 生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇菌株的研究

2.1 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，SPENCER J F等[7]對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[8]、梅奇酵母屬[9-10]、畢赤酵母屬[5，11]、漢遜酵母屬[12]、假絲酵母屬[13-15]、接合酵母屬[16-19]、克魯維酵母屬[20-25]、柯達(dá)酵母屬[26-27]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1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)。最新報道的種屬為白小燕等[28]于2017年報道的婁德酵母，相信今后仍然會不斷地有產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的天然耐滲酵母的研究報道。

表1 產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的耐滲酵母屬Table 1D-arabitol producing osmophilicSaccharomyces

2.2 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道能產(chǎn)生此多元醇，如RUIJTER G J等[29]研究米曲霉菌固態(tài)發(fā)酵時發(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。POVELAINEN M等[30]報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[31]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%。錢衛(wèi)東等[32]采用基因工程技術(shù)，通過構(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%。寧肖肖[12]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113.76 g/L的高產(chǎn)工程菌株，被命名為多形漢遜酵母（Hansenula polymorpha）DLg4-14。

3 發(fā)酵工藝的優(yōu)化

許多研究者對培養(yǎng)基組成及發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化，KORDOWSKA-WIATER M等[33]在他們的研究基礎(chǔ)上對優(yōu)化的發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)，即培養(yǎng)溫度為28～45℃，搖瓶和發(fā)酵罐中的轉(zhuǎn)速分別為125～250r/min和350～1000r/min；20～600 g/L葡萄糖，150～250 g/L甘油，乳糖濃度278～550 mmol/L；pH在3.6～7.0（主要為5.5～6.0），還有一些關(guān)于接種量的報道，一般2%～8%（一般為5%）為宜。這些研究旨在提高產(chǎn)物的濃度以及底物的轉(zhuǎn)化率，為以后的研究提供了可取經(jīng)驗。

3.1 發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化

多年來，優(yōu)良發(fā)酵培養(yǎng)基的選擇一直是工業(yè)化生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，從發(fā)酵底物來看，絕大部分都是利用葡萄糖作為底物進(jìn)行發(fā)酵，但近幾年有學(xué)者開始探究工業(yè)生產(chǎn)干酪乳清的廢料—乳糖作為底物發(fā)酵的可行性。另外，甘油作為生物柴油產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物也成為了生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的熱門底物。從趨勢上看，發(fā)酵底物總體上正朝著低成本，綠色化的方向邁進(jìn)。利用其他底物生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的研究見表2。

另一方面，針對其他發(fā)酵培養(yǎng)基成分的優(yōu)化研究也廣泛地開展：孫文濤[35]采用響應(yīng)面法對突變株D-阿拉伯糖醇發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化，成功將季也蒙畢赤酵母突變株UD-3產(chǎn)量提高了44.3%。ZHU H Y等[27]針對Kodamaea ohmeri NH-9應(yīng)用響應(yīng)面中的中心組合設(shè)計（central composite design，CCD）對培養(yǎng)基組分進(jìn)行了優(yōu)化，得到優(yōu)化的培養(yǎng)基組成為：D-葡萄糖200g/L，酵母膏4.24g/L，（NH4）2SO42.42g/L，CaCO315g/L，通過37℃、220r/min條件下發(fā)酵72h，獲得了（81.2±0.67）g/LD-阿拉伯糖醇。針對培養(yǎng)基組成的優(yōu)化還包含某些特殊添加物，這些添加物或多或少能提高D-阿拉伯糖醇的產(chǎn)量，比如促進(jìn)戊糖磷酸途徑（hexosemonophophate pathway，HMP）活性的特殊添加物[35]以及提高細(xì)胞滲透性的表面活性劑[36]。

3.2 發(fā)酵條件的優(yōu)化

從研究手段來看，大部分研究者采用單因素和正交試驗進(jìn)行優(yōu)化，也有部分研究者運(yùn)用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化試驗。從發(fā)酵方式看，采用階段性控溫、分批補(bǔ)料發(fā)酵等均有研究。但通過建立發(fā)酵模型，確定出準(zhǔn)確的發(fā)酵參數(shù)，才能更為有效地契合今后該糖醇發(fā)展研究的趨勢。

唐曉芳等[37]采用正交試驗對Hansenula anomala轉(zhuǎn)化葡萄糖生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的反應(yīng)條件進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)高供氧和高初始葡萄糖濃度有利于D-阿拉伯糖醇的積累，最終產(chǎn)量為245.97 g/L，轉(zhuǎn)化率為0.49 g/g葡萄糖。QI X等[18]在優(yōu)化培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面法對魯氏酵母Z.rouxii JM-C46發(fā)酵產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出的優(yōu)化參數(shù)如下：溫度30℃，pH 5.0，轉(zhuǎn)速220 r/min，接種量5%。在此優(yōu)化條件下，培養(yǎng)96h得到的D-阿拉伯糖醇為77.05 g/L。張麗麗等[38]在對菌株Debaryomyces hansenii進(jìn)行15 L發(fā)酵罐擴(kuò)培時采用了分批補(bǔ)料發(fā)酵的方式，得到產(chǎn)量為125 g/L的D-阿拉伯糖醇。錢衛(wèi)東等[39]采用調(diào)控發(fā)酵溫度的策略，首先在30～38℃培養(yǎng)18～24 h，然后40～49℃培養(yǎng)18～24 h，最后28～38℃培養(yǎng)74～96 h，最終得到了114.92 g/L產(chǎn)物。寧肖肖[12]則利用正交試驗確定了多形漢遜酵母DLg4-13最佳發(fā)酵條件后采用變溫策略，得到的D-阿拉伯糖醇產(chǎn)量為123.92 g/L，比恒溫發(fā)酵提高了3.73%。

4 D-阿拉伯糖醇的分離純化

從發(fā)酵液中獲得D-阿拉伯糖醇必須經(jīng)過純化，因為在溶液中只有其純度超過65%時才會結(jié)晶[33]。HIROSHI O[40]發(fā)表了一種分離提取D-阿拉伯糖醇方法的專利：將發(fā)酵液中的菌體經(jīng)過濾移除，所得濾液進(jìn)行減壓濃縮，冷凍干燥以除去水分，然后用體積分?jǐn)?shù)99%乙醇進(jìn)行萃取，有機(jī)相繼續(xù)減壓濃縮，重結(jié)晶后得到產(chǎn)物。ALLOMAN A等[41]對利用甘油作為底物發(fā)酵生產(chǎn)阿拉伯糖醇的純化工藝進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種新式的阿拉伯糖醇結(jié)晶純化方法，即先用活性炭于30℃（pH=6）下完成雜質(zhì)的初步分離，而后用丙酮選擇性地去除掉發(fā)酵液中的殘留甘油，最后于90℃采用體積分?jǐn)?shù)為90%的丁醇溶液進(jìn)行提純其后通過補(bǔ)加低溫丁醇溶液完成阿拉伯糖醇的重結(jié)晶，該方法的結(jié)晶率為66%，提取純度高達(dá)95%。針對D-阿拉伯糖醇的分離純化鮮有報道，JIANG M等[42]建立了分離L-阿拉伯糖醇的方法，取得了較好的分離效果，也可以作為今后D-阿拉伯糖醇分離純化工藝研究的重要借鑒，具體工藝為：發(fā)酵結(jié)束后離心移除菌體，上清液通過與活性炭于80℃振蕩的方法脫色，并用離子交換樹脂柱除去金屬離子，然后驗證電導(dǎo)率（＜20 μS/cm），接下來通過濃縮調(diào)整L-阿拉伯糖醇的含量至70%，隨后從70℃至4℃緩慢冷卻，然后將懸浮在溶液中沉淀出的白色粉末狀的結(jié)晶離心分離，用體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液洗滌并干燥，得到約98%純度的L-阿拉伯糖醇。

5 總結(jié)

本文總結(jié)了目前已報道的產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的天然菌株，在這些菌株中，目前報道產(chǎn)量最高的為Hansenula anomala，而梅奇酵母屬產(chǎn)量也十分可觀，在今后是否應(yīng)該以這些高產(chǎn)糖醇的優(yōu)良菌株為模式菌株，從基因工程的角度進(jìn)行改良、馴化，以期得到能夠滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的工程菌，成為今后D-阿拉伯糖醇研究的新方向，值得研究者們考慮。

在菌株的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對高產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的發(fā)酵工藝進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基組成及含量隨菌株的要求而不同呈現(xiàn)多樣性的特征，其中，葡萄糖、木糖、木酮糖等均可作為發(fā)酵底物，但大部分研究顯示，葡萄糖更適于作為底物使用。再者，隨著低成本、綠色化要求的提出，近幾年針對廉價底物如乳糖及甘油的研究逐漸增多，這可能是今后培養(yǎng)基優(yōu)化的新趨勢。底物代謝途徑的探究同樣是當(dāng)今生物發(fā)酵行業(yè)的核心，對提高D-阿拉伯糖醇的產(chǎn)量有著重要的指導(dǎo)作用，目前，葡萄糖和甘油產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的代謝途徑已經(jīng)明了，但針對新型發(fā)酵底物乳糖代謝產(chǎn)該糖醇的代謝途徑仍不明確，今后需完善這方面理論知識。在發(fā)酵條件優(yōu)化方面，大部分研究者采用單因素、正交及響應(yīng)面法對發(fā)酵條件進(jìn)行研究，但有研究者，如文中所述TOYODA T等[23-24]利用數(shù)學(xué)建模的方法，成功建立了數(shù)學(xué)模型，并取得了良好的效果，此類方法為今后系統(tǒng)、精確地研究液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇的體系提供了很好的借鑒。

除上述發(fā)酵工藝以外，發(fā)酵液中D-阿拉伯糖醇的分離純化一直是該領(lǐng)域的一個研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，今后可以將D-阿拉伯糖醇的分離純化作為研究的新起點(diǎn)。D-阿拉伯糖醇分離純化困難的原因是發(fā)酵產(chǎn)物組成復(fù)雜以及使用的培養(yǎng)基顏色較深等，研究可著重從這兩方面入手。雖然目前實(shí)驗室階段提取純度可達(dá)95%，但是在大批量生產(chǎn)的環(huán)境下是否仍能達(dá)到如此高的純度仍需進(jìn)一步證實(shí)。無論如何，D-阿拉伯糖醇的工業(yè)化生產(chǎn)將一直是擺在研究者面前的重要課題，而進(jìn)一步完善該物質(zhì)的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，都將建立在上述研究的基礎(chǔ)之上，相信在不遠(yuǎn)的未來，隨著研究的深入，大規(guī)模高效生產(chǎn)D-阿拉伯糖醇將成為可能。

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Research progress of D-arabitol production by microbial fermentation

HUANG Wei1,2,WANG Xiaodan1,2,LI Dounan1,2,LEI Anliang1,3,WU Changgui1,3,QIU Shuyi1,2*
(1.School of Liquor and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biological Pharmaceutical,Guiyang 550025,China;3.Guizhou Jane Wine Co.,Ltd.,Zunyi 563003,China)

D-arabitol,as a kind of functional sugar alcohol,is widely used in various industries.The production of D-arabitol by microbial fermentation was summarized,and the isolation and screening of strains,the optimization of fermentation process,the utilization of fermentation substrate,as well as the separation and purification of D-arabitol were analyzed and discussed.At the same time,the development trend of low-cost and green production of D-arabitol was prospected.

D-arabitol;strain screening;research progress

TS261.1

0254-5071（2017）09-0006-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.09.002

2017-06-23

貴州省科技支撐計劃項目（黔科合支撐[2016]2340）；貴州省工業(yè)攻關(guān)項目（黔科合GZ字[2014]3012）；貴州省重大專項項目（黔科合重大專項字[2015]6012）

黃 魏（1991-），女，碩士研究生，研究方向為發(fā)酵工程。

*通訊作者：邱樹毅（1963-），男，教授，博士，研究方向為應(yīng)用生物技術(shù)。