¿Cómo producir polvo de xilitol por método de fermentación?

El xilitol es un importante alcohol polihídrico funcional. Xilitol no requiere insulina para metabolizar en el cuerpo, no aumenta los niveles de azúcar en la sangre después del consumo, y puede ser utilizado en los alimentos para diabéticos. No es fermentado por microorganismos en la boca, evitando el desarrollo de caries. El xilitol también se puede utilizar como fuente de energía para la nutrición parenteral. Es precisamente debido a estas propiedades funcionales que el xilitol es ampliamente utilizado en la industria alimentaria y farmacéutica.

Hay tres métodos de producción de xilitol: extracción, síntesis química y biosíntesis. Actualmente, la producción industrial utiliza principalmente la síntesis química. El método de biosíntesis utiliza la enzima reductasa en microorganismos para producir xilitol, que puede reducir eficazmente el costo de producción de xilitol. El método de fermentación es un método de producción prometedor que no sólo tiene el potencial de eliminar la etapa de purificación de xilosa, sino que también simplifica la etapa de separación de xilitol. La síntesis enzimde xilitol es un método de producción continuo y eficiente logrado a través del balance metabólico del factor de coenzima xilosa reductasa. Este artículo se enfoca en el método de fermentación de la producción de xilitol y los factores que afectan la producción.

1 microorganismos para el método de fermentación de la producción de xilitol

1.1 las bacterias

Sólo unas pocas bacterias pueden producir xilitol, tales como lixitol Enterobacter, Myobactenum smegmatis, y Corynebacterium sp. Smegmatis tiene una alta capacidad de convertir xilosa a xilitol, con una tasa de conversión de hasta el 70%. Cuando Escherichia coli es fermentada en un medio con una concentración inicial de xilosa de 100 g/L, la tasa de producción de xilitol alcanza 0.35 g/(L·h).

La mayoría de las bacterias contienen xilosa isomerasa, una enzima que convierte la xilosa en xilulosa. La xilulosa es fosforilada a 5-fosfo-d-xiulosa por la xilulosa quinasa, y luego entra en la ruta de la pentosa fosfato ose convierte en 3-fosfoglicerato y acetil fosfato por la acción de la xilulosa 5-fosfato fosfoketoasa. La cepa del género Bacillus puede metabolizar xilitol, y estas cepas pueden tener un sistema enzimredox que coexiste con o reemplel papel de la xilosa isomerasa. Este sistema puede reducir la xilosa a xilitol, que luego se oxida a xilulosa. El xilitol es sólo un producto intermedio del metabolismo bacteri.

Fabricación en la cual:

Algunos moldes también puedenFermenta xilosa para producir xilitol. En un medio que contiene xilosa, algunos hongos filamentosos, como Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Colletotrichum, Byssochlamys o Neurospora SPP., pueden producir bajas concentraciones de xilitol. Xilitol (') 1 g/L) fue detectado después de 2 días de cultivo aeróbde la cepa Fusarium xysporum en un medio con una concentración inicial de xilosa de 50 g/L. La cepa petromyces albertensis alcanzó concentraciones de 39.8 g/L de xilitol y 2.8 g/L de xilulosa después de 10 días de cultivo en un medio con una concentración inicial de xilosa de 100 g/L.

1.3 levadura

Entre los microorganismos, la levadura tiene una capacidad relativamente superior para convertir xilosa para producir xilitol. Las levaduras del género Candida, como C. guilliermondii, C. tropicalis, C. mogii y C. parasilosis, tienen una gran capacidad para convertir xilosa. Otras levaduras con fuertes habilidades de conversión incluyen

(1) el género Debaryomyces, como D. Hansenii

2. El género pachysolen, como P. tannophilus

3. El género Saccharomyces

4. El género schyzosaccharomyces

2. Proceso de fermentación para la producción de xilitol

El proceso para producir xilitol por fermentación microbiana es el siguiente:

2. Factores que afectan el proceso de fermentación para la producción de xilitol

Tasa de aireación

En algunas células de levadura, la aireación estimula el transporte de azúcar. Muchas cepas como Candida, Hanesula, Kluyveromyces y Pichia requieren oxígeno para la absorción de azúcar. El cultivo aeróbaumenta la conversión de xilosa a xilitol, ya que la producción de xilitol está directamente relacionada con un aumento en la biomasa y está fuertemente influenciada por el consumo de oxígeno. Algunos microorganismos son capaces de producir xilitol en condiciones microaeróbicas. Mediante el estudio de la capacidad de C. guillermondii para producir xilitol a partir de xilosa y azúcares no hemicelulósicos bajo condiciones microaeróbic, la fermentación de xilosa resultó en una tasa de conversión de xilitol de 0. 63 g/g de xilitol y trazas de etanol, mientras que otros azúcares se convirtieron en etanol y biomasa.

En general, mantener una cierta tasa de aireación puede aumentar la tasa de conversión de xilitol, y una ligera tasa de aireación es beneficiosa para la producción de xilitol. Sin embargo, para el cultivo de las cepas de Pichia stipitis, el rendimiento de xilitol está estrechamente relacionado con la falta de oxígeno disuelto, mientras que la tasa de conversión de xilitol de las cepas de Pichia tannophilus es mayor bajo condiciones limitadas o anaeróbicas. C. tropicalis puede acumular xilitol bajo condiciones limitadas de oxígeno. Cuando se utilizan cepas de levadura con la coenzima NADPH para la xilosa-reductasa, el contenido de oxígeno debe ser controlado para evitar el agotamiento de xilitol. Bajo condiciones de bajo oxígeno, las concentraciones intracelulares relativamente altas de NADPH y NADH acella la reacción de reducción de xilosa y la acumulación de xilitol. En este caso, NADH no puede ser oxidado a NAD+, lo que hace que el NADH/NAD+ relación para aumentar y por lo tanto inhila la actividad de xilitol deshidrogenasa, que utiliza NAD+ como una coenzima, para prevenir la oxidde xilitol. La tabla 1 resume los efectos de la aireación sobre las actividades de la xilosa reductasa y xilitol deshidrogenasa.

Para producir xilitol eficazmente, la primera consideración es la rápida acumulación de células microbianas en el medio, que puede ser resuelto por el oxígeno disuelto en el medio. Sin embargo, debido a que la producción de xilitol requiere condiciones anóxicas, mantener altos niveles de oxígeno disuelto en el medio durante todo el proceso de cultivo dará lugar a la reoxidde xilitol a xilulosa. Por lo tanto, se deben mantener altos niveles de oxígeno disuelto al principio del cultivo, y luego se debe reducir la frecuencia respiratoria de los microorganismos durante el período de producción de xilitol.

2.2 concentración de xilosa

La concentración de xilosa en el medio de cultivo afecta significativamente la producción de xilitol. Sin aumentar la tasa de aireación, un aumento en el nivel de concentración de xilosa causará una disminución en la tasa de crecimiento, lo que indica que una concentración demasiado alta de xilosa inhiel crecimiento celular. Una mayor concentración inicial de xilosa es favorable para la producción de xilitol por microorganismos osmotolerantes. Una baja concentración de xilosa disminuirá la tasa de conversión porque A bajas concentraciones parte de la fuente de carbono se utilizará para el crecimiento celular, reduciendo así la xilosa disponible para la conversión. En general, en los procesos por lotes, un aumento en la concentración de azúcar inicial puede aumentar la tasa de producción y la tasa de conversión si el microorganismo puede tolerar altas concentraciones de azúcar y altas presiones osmóticas.

La máxima tasa de crecimiento ≥ max de la cepa de C. guillemondii alcanzó un máximo a una concentración inicial de xilosa de 20 a 50 g/L. Los estudios sobre la cepa de C. mogii mostraron que la concentración inicial de xilosa en la cual ≥ max alcanzó un máximo fue de 5 a 10 g/L. Aumentando la concentración inicial de xilosa de 100 g/L a 150 g/L y el cultivo de C. tropicallis, el crecimiento celular fue vigor, y la tasa de producción de xilitol aumentó de 1,78 g/(L·h) a 2,44 g/(L·h). En el proceso de fermentación de cepas como P. tannophilus, C. tropicalis y C. guilliermondii, las concentraciones iniciales óptimas de xilosa fueron 60, 200, 100 y 200 g/L, respectivamente. Cuando la concentración inicial de xilosa se incrementó en 5 veces, la tasa de conversión del producto aumentó en 5,5 veces, y el consumo medio unitario y la síntesis del producto también se mejoraron. La cepa de P. tannophilus acumula xilitol a concentraciones de xilosa superiores a 10 g/L. Las concentraciones más bajas de xilosa (5-8 g/L) y el cultivo en lotes alimentados son más favorables para la producción de etanol y menos favorables para la producción de xilitol. Tannophilus y la levadura de cerveza (S. cerevisiae) cepa, la producción de xilitol aumenta con el aumento de la concentración de xilosa. El efecto de la concentración inicial de xilosa sobre la producción de xilitol se muestra en la figura 2. Como puede verse, existe un efecto inhibidor a una concentración inicial de xilosa de 150-200 g/L, dependiendo de la cepa de levadura y las condiciones de funcionamiento.

A bajas concentraciones de xilosa y bajas tasas de aireación, la concentración celular será baja. Bajo estas condiciones, es posible comenzar a producir xilitol temprano en el cultivo celular. A mayores concentraciones de xilosa y mayores tasas de aireación, la concentración celular es alta y la producción de xilitol también es alta.

Cuando la concentración inicial de xilosa varió de 10 g/L a 300 g/L, se estudió la tolerancia de Cadida guillermondii. Se encontró que un incremento en la concentración de azúcar aceleró la producción de xilitol, y la tasa de conversión de xilitol aumentó con el incremento de xilosa en el medio. Cuando la concentración de xilosa se incrementó a 300 g/L, la tasa de conversión de xilitol alcanzó un valor de 0. 75 g/g, alcanzando el 82,6% de la tasa de conversión teórica. El rendimiento de xilitol alcanzó un máximo a una concentración de xilosa de 200 g/L, en cuyo momento la tasa de producción de xilitol fue de 2.4 veces que a una concentración de xilosa de 10 g/L. Contrario a la producción de xilitol, un aumento en la concentración de xilosa inhiel crecimiento celular. Las tasas de crecimiento celular alcanzaron su punto máximo en las concentraciones de xilosa de 20 g/L a 50 g/L. En la producción de xilitol por la cepa Petromyces albertensis, la tasa de conversión de xilitol alcanzó su punto máximo con una concentración de xipérdida de 100 g/L y comenzó a disminuir por encima de 150 g/L. Esto puede ser debido al efecto de la presión osmótica en las células o el efecto negativo del sustren la enzima metabólica d-xilosa.

Fuente de nitrógeno

La fuente de nitrógeno y la velocidad de aireación son muy importantes para la producción de xilitol por algunas cepas de levadura. En brewer's, la vía de la pentosa fosfato es regulada por nitrógeno, y se ha encontrado que las sales de amonio pueden estimular la vía de la pentosa fosfato oxid. La deoxy de 6-fosfod-glucosa es generalmente inhibida por NADPH. En el P. tannophilus, la Unión de las sales de amonio estimulel crecimiento, redujo la inhibición de la 6-fosfod-glucosa deshidrogenasa por NADPH, y por lo tanto aumentó la actividad de la vía de la pentosa fosfato. Las fuentes de nitrógeno orgánico pueden aumentar el rendimiento de xilitol de C. shehatae.

Comparando ocho fuentes de nitrógeno inorgánico y cuatro fuentes de nitrógeno orgánico, se encontró que las sales de amonio son las mejores fuentes de nitrógeno inorgánico y el extracto de levadura es la mejor fuente de nitrógeno orgánico. Al utilizar estas dos fuentes de nitrógeno, las tasas de conversión de xilitol fueron 16. 7g/L y 30,6g /L, respectivamente. Haritsu et al. utilizaron 3, 10 y 20g/L de extracto de levadura como fuentes de nitrógeno, respectivamente, y encontraron que la tasa de producción de xilitol fue de 1,78 g/(L·h) a una concentración de extracto de levadura de 20g/L, una tasa de aireación (90 % de oxígeno) fue de 400 mL/min y la concentración inicial de xilosa fue de 100 g/L, la tasa de producción de xilitol fue de 1,78 g/(L·h), alcanzando un valor máximo. En las cepas de Pichia, la formación de polioles se ve muy afectada por la relación carbono-nitrógeno, y esta cepa produce más polioles en un medio de bajo nitrógeno que en un medio de alto nitrógeno.

2.4 otros azúcares en el substrato

La adición de glucosa al sustrtiene un efecto contraproducente sobre la producción de xilitol por fermentación de la levadura xilosa. Por ejemplo, la glucosa inhila la utilización de xilosa por Candida y Schizosaccharomyces. Esto se debe principalmente a que estas especies asimilan la glucosa, la manosa y la galactosa más rápido que la xilosa. Estas hexexose se utilizan principalmente para el crecimiento de células de levadura, y sólo una pequeña cantidad de los polioles correspondientes se acumula. El efecto inhibidor de la glucosa en el consumo de xilosa sólo alcanza un máximo después de un tiempo muy corto. Tan pronto como la concentración de glucosa disminuye a un cierto valor, la conversión de xilosa se reinicia inmediatamente. Este corto periodo de transición y la rápida recuperación de la absorción de xilosa indican que el mecanismo regulador no es la inhibición metabólica del producto. Este hallazgo también apoya la opinión de que bajo condiciones ricas en glucosa, el principal factor de control para el transporte de xilosa es la inhibición en lugar de la inactivación y el bloqueo.

Cuando una cepa de parapsilosis de Candida fue usada para fermentar una mezcla de glucosa y xilosa, se encontró que la glucosa era primero consumida. La razón por la que la producción de xilitol no disminuye cuando el contenido de glucosa es inferior a 5 g/L es que la glucosa se metaboliaeróy no produce etanol. Sin embargo, cuando el contenido de glucosa excede 5 g/L, el exceso es metabolizado anaeróbicamente para producir etanol. Esta reacción es una reacción de reducción, al igual que la reducción de xilosa a xilitol, ylos dos compiten por el potencial redox, lo que resulta en una disminución en la producción de xilitol.

Cadida guillermomdii fue evaluada por su capacidad para fermentar azúcares no xilosos como glucosa, manosa, galactosa y arabinosa, que a menudo están presentes en los hidrolisados de hemicelulosa. Se encontró que estos microorganismos pueden fermentar rápidamente y utilizar estos azúcares. Sin embargo, sólo los utilizan para el crecimiento celular y la producción de etanol, y no se encuentran polioles correspondientes de estos azúcares en el medio de cultivo.

2,5 pH y temperatura

Diferentes microorganismos tienen diferentes valores óptiiniciales de pH. El valor óptimo de pH para la cepa de D. Hansenii es 5.5, para la cepa Candida (Candida SPP.) 4 a 6, para C. parasilosis 4.5 a 5, para C. guilliermondii 6.0, y para C. boidinii es 7. El pH óptimo para el crecimiento de P. tannophilus es 8, y el pH óptimo para la fermentación de C. tropicalis es 4. La producción de productos se ve afectada por el pH. por ejemplo, cuando C. shehatae fue cultivada por fermentación por lotes alimentados, la producción de xilitol alcanzó un máximo al pH más bajo medido, y las tasas de producción de etanol y xilitol alcanzaron un máximo a pH 4. 5, la tasa de producción de etanol y xilitol alcanzó un máximo. Cuando C. guilliermondii fermentbagasse hidrolizado, la actividad de la xilosa reductasa fue más alta a pH 4,0 — 6,0, mientras que la actividad de xilitol deshidrogenasa aumentó con el aumento de pH y temperatura.

La levadura puede producir xilitol en el rango de 24 a 45°C, y el rango de temperatura óptima normal es de 28 a 30°C. Cuando la temperatura aumenta de 30°C a 37°C, la producción de xilitol de P. tannophilus disminuye, y hay una acumulación de acetaldehído. El máximo crecimiento de C. guilliermondii ocurre a 35°C, y la máxima concentración de xilitol y la tasa de conversión del producto se alcanzan a 30-35 °C.

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