¿De qué está hecho?

Alcohol de azúcar es un alcohol de azúcar de cinco carbon, fórmulunmolecular para C5 H12 05, es un polvo cristalblanco inodoro, similar en apariencia a la sacarosa, dulzor y sacarosa similar, calorías y glucosa comparable a muy soluble en agua, ligeramente soluble en etanol y metan1]. Xilitol no necesita insulina para metabolizar en el cuerpo humano, por lo que puede ser consumido por los pacientes diabéticos sin aumentar su nivel de glucosa en la sangre. Xilitol también puede prevenir la caries dental, y es ampliamente utilizado en el campo de la medicina y la alimentación, con una gran cantidad de us2]. Además, el xilitol es ampliamente utilizado en la industria del papel, industria química, industria del plástico, industria de pinturas y recubrimientos, industria de surfac, industria del cuero, industria de baterías de almacenamiento, etc. En agosade 2004, la oficina de recursos renovables del departamento de energía de los Estados Unidos lo listó como uno de los doce compuestos de plataforma que se prioripara el desarrollo y la utilización3]. En los últimos años, con la creciente demanda de xilitol, los métodos de producción y aplicación de xilitol han atraído una amplia atención.

Métodos de síntesis de xilitolIncluyen síntesis química, biosíntesis química y biosíntesis total.

1 método de síntesis química

En la actualidad, la producción industrial nacional y extranjera de xilitol es principalmente método de síntesis química, es decir, rico en grano de maíz polisacárido, cáscara de algodón, bagazo, viruta de madera de levadura y otros residuos agrícolas e industriales por ácido (como HCl, H2 S04) hidrolizado en xilosa después de la purificación y reacción de hidrogenación para producir xilitol.

Método de síntesis química de xilosaEl proceso de purificación es complicado, el ácido y el consumo de álcali; El proceso de hidrogenación requiere alta temperatura (115 ~ 135 ℃), alta presión (alrededor de 6,5 × 106 Pa), inflamable y explosivo catalizador de hidrógeno y níquel de alta presión para los requisitos de pureza de la solución de xilosa son muy altos, la inversión de capital ylos costos de operación son altos, la contaminación es más grave 4]. La producción química de 1 tonelada de xilitol para consumir casi 10 toneladas de mazde maíz, 3 toneladas de ácido, 2 toneladas de álcali, 120 ~ 150 kg de carbón activado, 30 ~ 50 toneladas de vapor, 100m3 de agua a K5]. En vista de los problemas de alta temperatura, alta presión, catalizadores caros y complicados procesos de separación y purificación en el proceso de producción de xilitol por el método de síntesis química, la comunidad internacional comenzó a estudiar una nueva forma de producción de xilitol - método de biosíntesis química a partir de la década de 1970.

2 biosíntesis química

El principio básico del método de biosíntesis química es hidrolizar el hidrolizado de xilosa obtenido de desechos agrícolas (como paja de arroz, bagazo, grano de maíz, etc.) que contienen polisacárimediante hidróliácida dilu, y utilizar microorganismos para convertir la xilosa en el hidrolizado en xilitol directamente. Este método puede eliminar la etapa de cristalización y purificación de xilosa, en comparación con el método de síntesis química, reduciendo en gran medida el consumo de agua, energía y xilosa, reduciendo así los costos de producción.

Actualmente, los microorganismos que han sido descubiertos y pueden ser utilizados incluyen bacterias, mohos y levaduras. Sólo un pequeño número de bacterias pueden fermentar xilosa para producir xilitol, como Enterobccter lifucefc- ciens6], Myobccterium smegmctis7], Corymebccterium sp.8], y otros géneros. Izumori et al. encontraron que M. smegmatis tiene una fuerte capacidad de convertir xilosa para producir xilitol, y la tasa de conversión puede ser tan alta como 40% 7]. Los mohos que pueden convertir xilosa en xilitol incluyen Penicillium, Aspergillus, Rhizoctonia, Gliobacterium, Rhizopus, etc. 9], pero la capacidad de estas bacterias para convertirse es generalmente pobre. La capacidad De la levadura para convertir xilosa en xilitol es la más fuerte, principalmente Candida spiecies10], Pachysolen tannophilus11], De bcrcomyces zcnsenii12], Picz guilliennoncii13] y otras especies. Especies como C. Guilliennoncii14] y C. 15] puede convertir más del 90% de xilosa a xilitol dentro de 24z.

Los principales factores que afectan la preparación del xilitol por métodos químico-biológicos son la cantidad de aireación, concentración de xilosa, método de fermentación, valor de pHy temperatura, etc. El oxígeno es el factor más importante en la fermentación de la levadura de xilitol. El oxígeno es una influencia importante en la producción de xilitol por la fermentación de la levadura de xilosa, y el método de dos etapas de oxígeno disuelto se utiliza comúnmente, como Nolleu et al. utilizaron este método para cultivar C. guilliennoncii para transformar xilitol. Por ejemplo, Nolleu et al. usaron este método para cultivar C. guilliennoncii para convertir xilosa a xilitol, y la tasa de conversión podría alcanzar el 80% 16].

La concentración de xilosa es un factor importante que afecta la producción de xilitol, aumentar la concentración de xilosa puede aumentar la tasa de producción de xilitol, como el aumento de la concentración inicial de xilosa de 100g. L-1 a 150g. L-1, C. Tropicclis en una mayor concentración de xilitol, la tasa de producción de xilitol se puede aumentar. Si la concentración inicial de xilosa se incrementara de 100g. L-1 a 150g. L-1, C. tropicclispodría aumentar la tasa de producción de xilitol de 1.78g/(L. H) hasta 2.5g/(L. H) bajo ventilación superior. H) a 2.44g/(L.h)17]. El método de fermentación tuvo una gran influencia en el rendimiento y la tasa de producción de xilitol, y la tasa máxima de producción del cultivo semi-continuo fue mucho mayor que la del cultivo por lotes y flujo, debido a que las células se adaptmás a la solución de hidrólisis de xilosa mediante el uso de un cultivo semi-continuo, lo que condujo a un aumento en la tasa de producción [18]. El pHy la temperatura son factores importantes que afectan la actividad de la xilosa-reductasa y xilitol deshidrogenasa, que son las enzimas clave de la fermentación de xilitol, y el pH óptimo y la temperatura varía con diferentes cepas de bacterias. El pH y temperatura óptivariaban con diferentes cepas de bacterias. Por ejemplo, C. guilliennoncii tiene un pH y temperatura óptique varían según la cepa. C. guilliennoncii tuvo la mayor actividad de xilosa reductasa de pH 4.0 a pH 6.0, mientras que la actividad de xilitol deshidrogenasa aumentó con el aumento del pH y la temperatura, y alcanzó la mayor actividad a pH 6.5 y 35 − 15].

Proceso de biosíntesis química de la preparación de xilitol tiene las ventajas de que no hay necesidad de purixilosa, no hay necesidad de equipos de alta presión, fácil de separar y puri, etc. Sin embargo, este método no resuelve la actual producción de xilosa a partir de granos de maíz y otras materias primas, tales como materias primas y auxiliares y energía, el consumo de ácidos y álcalis, la contaminación y otros problemas graves. Además, el equipo de hidrogenación química y el proceso ya están muy maduros, por lo que este tipo de sustitución es de poca importancia práctica.

3 tabla biológica en método

Aunque la xilosa como materia prima para la producción de xilitol método de síntesis química de la tecnología madura y el método de biosíntesis química de investigación ha hecho grandes progresos, pero su preparación de la hidrólisis de xilosa debido al alto consumo de ácidos y alcalinos problemas de contaminación provocada por el cada vez más grave. Además, debido a la gran cantidad de granos de maíz utilizados en la producción de xilitol, furfural, hongos comestibles y etanol combustible, el problema de la fuente de materia prima se ha destacado, el precio gigante ha estado aumentando, por lo que los costos de producción de xilitol, lo que limita el mayor desarrollo de la industria de xilitol. En los últimos años, a una amplia gama de bajo precio de almidón o glucosa como materia prima para la preparación del proceso de xilitol de todos los métodos biológicos de atención, la aplicación exitosa del proceso está obligado a reducir el costo de producción de xilitol, cambiar el mundo 's actual patrón de producción de xilitol, reducir la presión sobre los recursos y el medio ambiente, la mejora de la competitividad internacional de la industria de xilitol en China y el desarrollo sostenible de la industria de xilitol, tiene una importancia social y económica de gran alcance. La utilización de la fermentación microbiana de la glucosa para producir xilitol siempre ha sido people's sueño, pero no se han encontrado microorganismos que puedan fermentar directamente la glucosa para producir xilitol en la naturaleza.

3.1 Multi-bacterial multi-paso de conversión de glucosa para producir xilitol 

Ya en 1969,0nishi y Suzuki informaron de un método para preparar xilitol a partir de glucosa, el primer paso era convertir la glucosa en xilitol por la levadura hiperosmótica D. Zcnsenii, y el segundo paso era convertir la glucosa en xilitol por la levadura D. Zcnsenii. Zcnsenii glucosa en D-arabinitol (D-arabitol, D-ara), y luego D-arabinitol en el Acetobccter suboxy- luego D-arabinitol se oxida a d-xilulosa por Acetobccter suboxy- CCNS, y finalmente d-xilulosa se oxida a d-xilulosa por la levadura C. Finalmente, la d-xilulosa fue reducida a xilitol por la acción de la levadura C. guilliermoncii [17]. 77.5 g. L-1 de glucosa fue fermentpor tres microorganismos en tres pasos para obtener 9.0 g. L-1 de xilitol en un tiempo de 211 h con un rendimiento de 11%. Debido al largo proceso, bajo rendimiento y sin valor de aplicación, esta ruta ha sido archivada por mucho tiempo.

3.2 conversión de dos pasos de glucosa a xilitol por dos bacterias 

D-arabinitol, el segundo paso por la conversión de alta eficiencia de la preparación de bacterias D-arabinitol de xilitol 18,19]. La ruta del proceso (ver figura 2).

El segundo paso de este proceso, es decir, de D-arabinitol en el proceso de xilitol, los dos procesos reales catalizados por enzimas (fórmula de reacción se muestra en la figura 3), el primero para la membrana unida D-arabinitol deshidrogenasa (membrana unida D-Arabbitol dehy- el primero es membrana unida D-Arabitol dehy- drogenasa (m-ArDH) y el segundo es xilitol dehidrogenasa (XDH). Este método es simple, eficiente, xilitol a D-arabinitol tasa de conversión de hasta 98%, con el potencial de aplicación industrial, económico k puede competir con el uso actual de métodos químicos.

En la actualidad, el nacional se ha llevado a cabo para utilizar almidón como materia prima utilizando dos bacterias método de dos pasos para preparar la investigación xilitol, centrándose en la selección de subproductos pueden tolerar altas concentraciones de D-arabinitol cepas de producción y la conversión de alta eficiencia de D-arabinitol xilitol cepas de producción; Si este método tiene éxito, puede ser un cambio efectivo en xylitol's alto consumo, bajo rendimiento. Si este método tiene éxito, puede cambiar efectivamente el estado de alto consumo y bajo rendimiento de xilitol. Si este método tiene éxito, puede cambiar efectivamente el alto consumo y bajo rendimiento de xilitol. La producción de xilitol 1t por método biológico completo consume 2~2.5t de almidón, el consumo de ácido y álcalse reduce a 0.1t, el consumo de carbón activo se reduce a 2%, y el consumo de resina se reduce a menos de 1kg.

3.3 bacterias diseñadas genéticamente para una fermentación de glucosa en un solo paso para producir xilitol 

En el siglo 21, con el progreso de la biotecnología, la construcción de una fermentación de un solo paso de la producción de glucosa de la bacteria de ingeniería genética xilitol se ha convertido en un punto caliente de investigación. 2007, el uso Danisco Bccilde (bccil).subtilis tiene una fuerte capacidad de síntesis de azúcar de cinco carbono, esta bacteria como una bacteria huésped, la expresión clonada de xilitol fosfato deshidrogenasa (XPDH fosfato deshidrogenasa xilitol). Se clonó y se expresó el gen de la deshidrogenasa (XPDH), y la vía de síntesis de xilitol se extendió sobre la base de la vía original (Fig. 4A), y el resultado fue que la fermentación de la glucosa agitada del matraz de esta cepa produjo xilitol a una concentración de 23g. L-1, y la tasa de conversión de la glucosa fue de 22% [20]. En el mismo año, el centro nacional de investigación técnica de Finlandia (VTT) y la empresa danesa cooperaron en la investigación, utilizando el brewer& común#39;s levadura (Sccczcromyces cereu isice) como la bacteria huésped, en la ruta original de la pentosa fosfato (PPP) basada en k, añadixxilitol deshidrogenasa (XDH) y fosfatasa de fosfato (azúcar fosfatasa), y xilitol deshidrogenasa (XDH) y fosfatasa de fosfato (azúcar fosfatasa) como bacterias huésped. La adición de XDH y azúcar fosfato fosfatasa (ptasa) a la vía PPP se extendió la vía xilulosa-5p a la vía xilitol (figura 4B) [21].

En el método de fermentación de un solo paso, las dos cepas de ingeniería genética construidas por Danisco y ITSy VT T Technology Research Center no pudieron alcanzar el objetivo esperado debido a las desventajas de un pobre rendimiento de la cepa de partida, baja actividad de expresión de genes de enzimas clave, y baja especificidad de sustr. Además, si el D-arabinitol que producen cepas basadas en k, el uso de la tecnología de ingeniería genética, para ampliar la ruta metabólica de D-arabinitol, se puede realizar en un solo paso de fermentación de la glucosa cepas de xilitol. Al mismo tiempo, sobre la base del análisis cinético del proceso de fermentación, se utilizaron herramientas matemáticas para simular y optimizar el proceso de fermentación, con el fin de optimizar mejor el proceso de fermentación, para lograr las bacterias recombinantes genéticamente modificados para sintetizar el producto objetivo en exceso, y al mismo tiempo sobre la base del desarrollo de alta eficiencia y bajo costo de separación y proceso de extracción, con el fin de obtener xilitol de alta pureza, para cumplir con las personas 's demanda de xilitol. Con el mayor desarrollo de la biotecnología, se espera que la fermentación directa de la glucosa para producir xilitol utilizando bacterias genéticamente modificadas será ampliamente utilizado en un futuro próximo.

4 perspectivas

Con el aumento de la población mundial y la presión ambiental, así como el crecimiento de people's de alimentos funcionales, la preparación de xilitol por biotecnología ha atraído mucha atención. La preparación de xilitol por métodos totalmente biológicos está en línea con esta tendencia, y sus perspectivas de desarrollo y oportunidades son muy favorables. A fin de superar los peligros que representan para los recursos naturales y el medio ambiente los métodos químicos y químico-biológicos de producción de xilitol, debemos acelerar el desarrollo de métodos totobiológicos de producción de xilitol, mejorar en general la competitividad de los métodos totobiológicos en comparación con los métodos químicos y químico-biológicos, utilizar ampliamente la biología molecular; Ingeniería metabólica microbiana y otros medios biotecnológicos modernos para mejorar la tasa de conversión y el nivel de producción de xilitol, de modo que xilitol puede ser más ampliamente utilizado en alimentos y negocios médicos y de atención de la salud, lo que resulta en una amplia gama de aplicaciones. La utilización de la biología molecular, ingeniería metabólica microbiana y otros medios biotecnológicos modernos para mejorar la tasa de conversión y el nivel de producción de xilitol, de modo que xilitol puede ser más ampliamente utilizado en la alimentación y la atención médica y de salud, y producir mayores beneficios económicos y sociales.

Referencia:

[1]Aminoff C,Vanninen E,Doty T  E. Aparición, fabricación y Propiedades de xylitolA]. En Counsell.N,Xyliyol.London :Applied Science Publisher,1978.

[2]Emodi A.xilitol: sus propiedades y aplicaciones alimentisj]. Food Tech - nol,1978, 28-32.Werpy T,Petersen G. Productos químicos de mayor valor añadido de la biomasa: vol- Yo.

[3] resultados de los exámenes de detección Los candidatos potenciales Azúcares y  Síntesis síntesis síntesis Gas gas   EB/0L]. HTTP ://W W W 1.eere.energy. Gobierno/biomasa / PDFS /35523.pdf, 2004-08-06.

[4] CHENG Ying,LEAR Shu Lei,MING Lixue. Proceso de producción y aplicación de xilitol progreso de la investigación J]. Gansu Petroleum yChemical Industry,2008,(3) :18-21,43.

[5] Jin Shuren, Li Biao, Xia Guizhen, et al. Tecnología de producción de alcohol de azúcar y aplicación M]. Beijing :China Light Industry Publishing Du, 2008.

[6]Nigam P,Singh D.procesos de fermentferment producción de Xilil-a azúcar sustituij). Proceso Biochem,1995,30 (2) :117—124.

[7]Izumori K,Tuzaki K.Production Xilitol de d-xilosa por  Mi — cobccterium smegmctisJ]. JFerment Technol,1988,66(1) : 33-36.

[8]Yoshitake J,Shimamura  M, Imai  T. xilitol  producción  por  An Corynebccterium speciesJ]. Agr Biol Chem,1973,37:2251-2259.

[9] XU Jun,ZHENG Jianxian,GE Yazhong. Fermentación de la producción de xilitol J]. China Food Additives,2003,5 :44-49.

[10]Nakano K,Katsu R,Tada K,et al. Producción de altamente concentrado  Alcohol etílico El Ccnciccmcgnolice en condiciones microaerobias simple control J]. JBiosciBioengin,2000,89 (4) : 372-376.

[11] Sánchez S,BraVo V,Moya A J,et al. Influencia de la temperatura en la fermentación de  d-xilosa por  Pcczysolen  Tcnnop zilus  to   Producir etanol y xylitolJ]. Proceso Biochem,2004,39 (6) : 673-679.

[12] [12] [12] A,Duarte L  C,Roseiro J  C. fisiológica y enzimenzimenzim Estudio de Debcryomyces Zcnsenii groW th on xylose-yoxygen-limit - ed chemostatsJ]. Appl Microbiol Biotechnol,2002,59:509-516.

[13]Zou Y Z,0i K,Chen X,et al. Efecto favorable de muy bajo inicial  Valor en xilitol producción desde xi« por a  autoaislado cepa de Piczic guillier moncii J]. J Biosci  Bioengin,2010,109 (2) :149-152.

[14]M ussatto S  Yo,Dragone G,Roberto I C. Influencia de el Contenido tóxico presente en el hidrolisado hemicelulósico del grano molido de la cerveza  Bioconversión de xylose-to-xilitolpor Ccncicc guillier moncii J]. Pro- cess Biochem,2005,40:3801-3806.

[15]Cheng K K,Zhang J  A, en H  Z,et Al.0ptimization de pH  y  acético Ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido Concentración concentración para  bioconversión de hemicelulosa desde  Fabricación a partir de xilitol por   Ccncicc  tropicclis  J]. Biochem  Engin J, 2009,43 (2) : 203-207.

[16]Nolleau V, Preziosi-Belloy L  ,NaVarro J M. Reducción de xilosa A xilitol por Ccncicc guillier moncii y Pcrcpsilosis :in - cidence deOxygen and pHJ]. Biotecnol L ett,1995,17:417-422.

[17]0h D K,Kim S Y.aumento del rendimiento de xilitol al alimentar con xilosa Y glu - cosa Ccncicc tropicclis J]. Appl Microbiol Biotechnol,1998,50 (4) : 419-425.

[18]Rodrigues D C,SilVa S S,Prata A M,et al. Producción biotecnológica de xilitol A partir de residuos agroindustriales. Evaluación de bioprocesos J]. Appl Biochem Biotechnol,1998,70 /72:869-875.

[19]0nishi H,Suzuki T. microbiano producción of  xilitol forma Glucosa J]. Appl Microbiol,1969,18:1031-1035.

[20]Suzuki S Yo, la persona M  Mihara Y,et Al. Novela novela enzimenzimenzim método  Para la producción de xilitol a partir de D-arabitol por  G luconobccter Oxy - ccnsJ]. Biosci biotecnolBiochem,2002,66 (12) : 2614-2620.

[21]Sugiyama M,Suzuki S I,Tonouchi N,et al  G luconobccter oxicsnc and  mejorado Producción de xylitol  desde D-arabitol J]. Biosci Biotechnol  Biochem, 2003,67 (3) : 584-591.

[22]PoVelainen M Producción de xilitol por vía metabólica  engineered strains of Bccillus  SubtilisJ]. J Biotechnol,2007,128:24-31.

[23]ToiVari M H,Rouhonen L,MiasnikoV A N,et al. Ingeniería mecánica Sccczcromyces cereu isice para la conversión de D-glucosa en xilitol otras Cinco carbono azazúcares and  Azúcar azúcar azúcar alcoholes J]. Appl Medio ambiente Microbiol,2007,73 (17) : 5471-5476.