微生物发酵生产甘露醇研究

刘星宇 吉林省石油化工设计研究院

微生物发酵生产甘露醇是一种比较新型的赶路程生产方法，以往人们主要通过化学合成法来生产，但是生产效率相对比较低，随着甘露醇需求量的不断增加，工业生产方法已经不能满足当前的市场需求。因此，相关研究人员经过探索尝试便发现了这种微生物生产甘露醇法，该方法不仅生产效率高，而且生态环保功能强，具有非常广阔的市场发展空间。为了更加全面地对该种甘露醇生产方法加以了解，本文以应用范围最广的乳酸菌生产为例进行了简述。

一、甘露醇的应用范围和工业生产进展

（一）甘露醇的应用范围

甘露醇在食品、医药以及化工行业等多个领域都有着广泛应用。其中在食品领域，甘露醇可以给食品增加额外的营养价值，有利于促进人体健康；此外，因为甘露醇含有的糖分较低，口感清爽，使用后不会参与人体代谢，所以还可以作为糖尿病以及减肥患者的功能性食品使用，或者可以用于制作无糖口香糖等食品，甘露醇的存在可以有效延长食品的保质期，实际作用价值十分显著。在医药领域，因为甘露醇化学性质比较稳定，无明显吸湿性，所以可以作为维生素、抗菌药和抗癌药的赋形剂使用，而且因为它还具有溶解吸热性能，亦可用于制备清凉剂和醒酒药；不仅如此，甘露醇用于预防肾功能衰竭和脑水肿等手术中，还具有良好的渗透性利尿作用而在化工领域当中，甘露醇则可以在特定环境条件下生成多种化学制品，这些化学制品都可以广泛应用与化妆品、塑料以及其他日用品等的生产。

（二）甘露醇工业生产进展

甘露醇的生产方法多种多样，比如化学合成法、自然提取法以及生物转化法等，都是比较常用的生产工艺。其中化学合成法在过去很长一段时间都被作为甘露醇生产的主流工业生产方式在使用。该种合成方法的原理是将同比例果糖和葡萄糖混合后，置于高温高压环境中，以雷尼镍为催化剂，通过氢化处理方法获得甘露醇。但是由于雷尼镍催化剂的选择性较差，所以该合成方法下制备的甘露醇还会带有较大量的山梨醇副产品，而要想获得纯净的甘露醇，就必须对二者进行分离，这在当时的工艺技术下存在很大困难，这就导致化学合成法生产甘露醇的效率一直无法得到提升，而且生产成本也不能得到黑控制。

直至最近几年，人们研究发现了生物发酵生产甘露醇的方法，这种方法不仅对于原材料的利用率高，而且没有副产物的生成，相比较于传统工业生产模式而言具有诸多优势，生物发酵生产甘露醇实际上就是一种生物转化，其原理是将蔗糖、果糖以及葡萄糖作为微生物发酵的底物，最后将其转化成甘露醇，然后再经过成分提纯获得甘露醇成品。细菌、酵母菌以及真菌等微生物均可以起到发酵生产甘露醇的作用，但是有研究表明，真菌好酵母菌在实现葡萄糖向甘露醇转化的过程中，转化率比较低，而且反应过程不可控。而利用细菌，特别是食品级乳酸菌来发酵生产甘露醇，无论在提高食品营养价值还是在促进肠道保健功能方面，都具有良好效果。

二、微生物发酵生产甘露的合成途径

（一）同型发酵乳酸菌合成甘露醇

同型发酵乳酸菌经糖酵解（EMP）途径合成甘露醇。该途径的特征是1，6-二磷酸果糖的形成，它通过1，6-二磷酸果糖醛缩酶分解成3-磷酸甘油醛和二羟基丙酮磷酸，每发酵1 mol的葡萄糖生成2 mol的乳酸和2 mol的ATP。在进入EMP途径之前，葡萄糖和果糖等单糖一般会先通过磷酸转移酶系统（PTS）在相关酶的作用下被磷酸化，之后参与EMP途径。甘露醇的生物合成开始于糖酵解的中间体6-磷酸果糖，1-磷酸甘露醇脱氢酶催化6-磷酸果糖转变为1-磷酸甘露醇，再经甘露醇磷酸酶的脱磷酸作用生成甘露醇。葡萄糖或果糖等碳水化合物进入糖酵解途径后大多数进行乳酸发酵，像甘露醇等发酵产物只有当菌株的乳酸合成途径受到阻碍时才能生成，因此同型发酵乳酸菌并不适用于生产甘露醇。

（二）异型发酵乳酸菌合成甘露醇

异型乳酸菌发酵合成甘露醇主要是通过磷酸转酮酶实现的。该途径的特点是会生成5-磷酸木酮糖，然后经过磷酸转酮酶再被分解成乙酸磷酸以及3-磷酸甘油醛。根据以往生成经验，每发酵1mol的葡萄糖，就能够生成同等量的二氧化碳、ATP、乙醇以及乳酸。在没有氧气的生产条件下，可以利用果糖作为内部电子受体，经与甘露醇脱氢酶反应而生成甘露醇，果然还原甘露醇时，相应的还原型辅酶也会被氧化，实现其再生作用效果。异型发酵乳酸菌合成甘露醇途径中典型的菌株便是明串珠菌，该类珠菌主要以果糖和葡萄糖作为碳源，最后转化所得物有甘露醇、乙酸、乳酸以及二氧化碳。该转化方式也可以单独以果糖为碳源，但是相比较于葡萄糖和果糖同时使用，果糖的用量要略多一些。将果糖作为单独的底物，一方面可以将其作为电子受体促进甘露醇转化生产，另一方面可以促进细胞生长，而同时将葡萄糖和果糖作为底物，葡萄糖和果糖就能够分别用于细胞生长和甘露醇转化，且转化效果更加彻底，该配比不仅能够减少果糖的消耗，还能够降低甘露醇的生产成本。

三、结语

经过以上分析阐述不难发现，微生物发酵生产甘露醇的方法具有广阔的发展前景，尤其是在新时期背景下，国家大力倡导生态环保理念，微生物发酵生产甘露醇是一种新型、不具环境破坏力的生产工艺，而且甘露醇转化效率高、生产成本低，有助于实现经济效益最大化，这对于促进甘露醇工业生产模式转型发展具有十分积极的作用，同时也对我国大量需要甘露醇的行业有着重要的推动作用。因此，相关行业工作者应当对这种微生物发酵法引起足够重视。