生物催化结课论文.doc

淮阴工学院
生物催化大作业
作者:

学号:
1101602129
学院:
生化学院
专业:
生物1101
题目:
生物转化法生产木糖醇
任课教师: 王朝宇
摘要
木糖醇是一种具有营养价值的甜味物质,也是人体糖类代谢的正常中间体。在自然界中,木糖醇广泛存在于各种水果、蔬菜中,但其含量很低。商品木糖醇发热量、甜度跟蔗糖相仿,食用后不消耗胰岛素,另具有特殊的防龋功能,可作糖尿病人的营养剂、治疗剂及儿童防龋食品。木糖醇还具备类似甘油和其他多元醇的许多优异特性,因而广泛用于国防、医药、化工、皮革、涂料及食品等行业。传统的化学法生产木糖醇需要一系列复杂的分离纯化步骤,过高的生产成本限制了木糖醇的使用范围。发酵工艺生产木糖醇无需木糖的纯化步骤,是取代化学合成法的一条可行工艺路线。本文主要探讨木糖醇的生物合成途径、木糖醇发酵过程的影响因素和研究的发展趋势。
关键词木糖醇,生物转化,发酵,生物合成
1 木糖醇的生物合成途径
自然界中能够利用木糖的微生物种类很多,包括细菌、放线菌、霉菌以及酵母菌等。但能合成木糖醇的微生物并不多。
产木糖醇的微生物
根据已有的研究,在自然界的微生物当中只有很少一部分细菌可以生成木糖醇,丝状真菌产木糖醇的效率也不高,而酵母则比较容易将木糖转化生成木糖醇。已经发现,产木糖醇性能优越的酵母菌株主要集中于假丝酵母属;部分属于徳巴利酵母属和管囊酵母属。
1983年,Bruinenberg等人研究Candida utilis在不同的碳源和氮源的情况下对NADPH的消耗量和木糖醇产量。他们认为在木糖代谢中,NADPH主要来源于磷酸己糖途径和异柠檬酸脱氢酶的作用。几年前,有研究认为NADPH依赖的木糖还原酶和NAD依赖的木糖醇脱氢酶之间的氧化还原作用不平衡是木糖醇积累的主要原因。haromycess cerevisiae菌株。第二年,Hallbom等人已经利用转化的酿酒酵母菌株()以木糖为碳源发酵生产出木糖醇,并成功获得95%的木糖醇转化量。1993年,Kotter和Ciriacy研究认为,NADPH的不足是酿酒酵母代谢工程菌进行木糖发酵的瓶颈。然而。在限氧条件下,改变酿酒酵母()的戊糖磷酸途径,为木糖代谢提供充足的NADPH,是很困难的。由此,在酵母发酵产生木糖醇的研究中,NADPH在酵母木糖代谢中的作用便成为研究的焦点,并且一直延续至今。
酵母生产木糖醇的机制
假丝酵母菌属的酵母通过如图1所示的代谢路线生产木糖醇。木糖原料首先在木糖还原酶(XR)作用下还原成木糖醇。然后在木糖醇脱氢酶作用下氧化生成D-木糖。D-木糖磷酸化以后,通过戊糖磷酸代谢路线代谢。相对于第一个反应的催化剂主要利用的辅酶NADPH,第二个反应的催化剂XDH(木糖醇脱氢酶)是利用NAP+作为辅助酶发生作用的,XR是利用NADPH和NADH两者而存在。酵母细胞内NADP主要通过戊糖磷酸的代谢路线转化成NADPH。另一方面NADH在好气条件下经过呼吸反应链(氧化的磷酸化)的反应后,再生成NAD+。

生产木糖醇的酵母在微好气条件下(溶存氧质量浓度:~1mg/L)累积木糖醇最多,在这种限制供氧条件下,木糖的代谢过程由于不能充分地将NADH 再生成NAD+,因此细胞内NADH 浓度高。其结果是:一方面XDH 阻碍了由木糖醇迅速转化为木糖的氧化反应,因此木糖醇积聚了起来。另一方面,在完全的好气条件下,由于通过呼吸链NADH 充分再生成NAD+,因此木糖醇被迅速的代谢过程耗尽了,积蓄的量也就减少了。同时,在嫌气条件下,在木糖醇利用的能力显著低下的同时,乙醇成为主要的生成物了。关于XR 与XDH 两种辅酶特异性不同,在微好气条件下形成细胞内的氧化还原平衡失调,然而他却是累积木糖醇的原因。正如上述的生成机制可以知悉,培养基中溶存氧的浓度是可以影响木糖醇生产的最重要因素。其余原因,如培养基组成、基质(木糖)的浓度、辅助基质、氮源、初发菌的浓度等也影响木糖醇的生产。
2 木糖醇的主要生产技术
固定化细胞发酵生产木糖醇
重复批次发酵半纤维素水解液生产木糖醇,能有效的减小水解液中抑制因子的作用,提高细胞的适应能力。用固定化细胞和重复批次发酵相联合,不仅能提高细胞的稳定性,而且能减小回收利用细胞催化剂的困难,缩短生产时间并减小纯化成本。目前比较有效的方法是胶体包埋固定化方法。藻酸钙是活细胞固定化最常用的载体。
木糖醇是酵母通过氧化还原途径发酵木糖代谢的中间产物(图2)。在限氧条件下,木糖醇的积累达到最大值。因为在此条件下辅园子NADH不能全部被呼吸链氧化成NAD+,所以有足量的NADH辅因子用于供木