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D-阿拉伯糖醇又稱為D-樹膠糖醇,其天然形式首次被FREREJACQUEM等發現存在于蘑菇中,隨后LINDBERGB等在地衣中也發現其存在,迄今為止,在自然界中以天然狀態存在的D-阿拉伯糖醇僅在這兩類物種中發現。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體,標準狀態下為白色棱柱形結晶,味甜,易溶于水,12℃時以1∶48的比例溶于體積分數90%的乙醇溶液,不溶于乙醚,熔點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用昂貴,不經濟且困難。用化學法也可得到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,但化學合成法涉及的反應需要昂貴催化劑并在持續高溫下進行,生產周期長且污染嚴重,在一定程度上限制了生產規模的擴大。因此,國內外許多學者開始嘗試以生物轉化的方式來完成D-阿拉伯糖醇的生產并進行了大量研究。生物法具有綠色、環保的優勢,以活的微生物為細胞工廠,多種酶促反應生產D-阿拉伯糖醇,整個過程無需使用純糖底物和化學催化劑,具有大規模化生產的運用潛力,在下游工程中該方法所得的產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。
在食品行業中,阿拉伯糖醇不僅作為高檔甜味劑,還可作為調制糖漿基質來改善酒精飲料品質并應用于相應食品加工生產過程中;在醫藥領域,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,同時還可作為運輸介質以通過血腦屏障;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,可增強鋁電容器在高溫下的可靠性并提高電解質溶液的黏度,此外,還可作為合成高分子發泡材料的激活劑及顯影材料穩定劑;在生物方面,還能促進植物生長。
葡萄糖產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,經轉運進入磷酸戊糖途徑(pentosephosphatepathway,PPP),然后轉化成D-核酮糖-5-磷酸,D-核酮糖-5-磷酸經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。或者6-磷酸葡萄糖生成D-核酮糖-5-磷酸,D-核酮糖-5-磷酸經異構酶催化形成5-磷酸-D-木酮糖,再經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
進入酵母細胞后,甘油的代謝分為磷酸化途徑和氧化途徑。對于磷酸化途徑,甘油通過簡單的擴散或主動運輸吸收進入細胞后,經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化成磷酸二羥丙酮。上一途徑生成的磷酸二羥丙酮被轉化成3-磷酸甘油醛,再經糖異生途徑生成6-磷酸葡萄糖進入磷酸戊糖途徑,遵循6-磷酸葡萄糖類似的途徑。
1.天然耐滲酵母
研究發現,能產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年對蜂巢和花粉中分離得到的耐滲酵母進行培養,發現大部分菌能產如甘油、D-阿拉伯糖醇、甘露糖醇和赤蘚糖醇等多元醇,其產量受氮源及通氧速率的影響,為日后阿拉伯糖醇工業化生產菌株的發掘提供了重要指導。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、柯達酵母屬等具有耐滲或耐高滲特性的酵母菌陸續被證實可用于D-阿拉伯糖醇的生產,表給出了具有典型性的耐滲酵母產D-阿拉伯糖醇的總結。最新報道的種屬為2017年報道的婁德酵母,相信今后仍然會不斷地有產D-阿拉伯糖醇的天然耐滲酵母的研究報道。
2.其他天然種屬及產D-阿拉伯糖醇的工程菌株
能產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生此多元醇,如研究米曲霉菌固態發酵時發現其菌絲體上含有包含D-阿拉伯糖醇脫氫酶在內的與對應多元醇累積相關性較高的高活性脫氫酶,由此證明該菌屬也具有生產D-阿拉伯糖醇的潛力。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生38%D-阿拉伯糖醇。另外,賀鵑等將重組質粒pVgb-EX2轉化到產D-阿拉伯糖醇的酵母Saccharomycessp.X-62中并得到表達,使產量提高了27.3%。采用基因工程技術,通過構建多形漢遜酵母酸性磷酸酯酶基因突變菌株,該菌株底物轉化率達51.2%。運用低能離子束技術構建高產重組菌株,結合高通量篩選方法篩選出了一株產量為113.76g/L的高產工程菌株,被命名為多形漢遜酵母(Hansenulapolymorpha)DLg4-14。
[1] 食品科學手冊
[2] D-阿拉伯糖醇高產多形漢遜酵母重組菌株選育及其發酵工藝研究
[3] 微生物發酵產D-阿拉伯糖醇的研究進展