¿De qué está hecho?

Sugar alcohol is unfive-carbon Azúcar azúcar azúcaralcohol, molecular formula paraC5 H12 05, is an odorless white crystalline powder, similar in appearance asucrose, sweetness ysucrose similar, calories yglucose comparable to very soluble in water, slightly soluble in ethanol ymethanol 1]. xilitoldoes not need insulin to metabolize in elhuman body, so it can be consumed pordiabetic patients without increasing their blood glucose level. Xylitol can also prevent dental caries, yit is widely used in the field demedicine yfood, with a large amount deusage2]. In addition, xilitolis widely used in the paper industry, chemical industry, plastic industry, paint and coating industry, surfactant industry, leather industry, storage battery industry, etc. In August 2004, the Office deRenewable Resources dethe U.S. Department deEnergy listed it as one dethe twelve platformacompounds that are prioritized for development and utilization3]. In recent years, with the growing demand for xylitol, the producciónmethods and application dexilitolhave attracted extensive attention.

Los métodos de síntesis de xilitol incluyen 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.

Química química Síntesis síntesis síntesismétodoof xylose purification process is complicated, Ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácidoand alkali consumption; hydrogenation process requires high temperature (115 ~ 135 ℃), high pressure (about 6.5 × 106 Pa), flammable and explosive high-pressure hydrogen and nickel catalyst for xi«solution purity requirements are very high, capital investment and operating costs are high, pollution is more serious 4]. Chemical producciónof 1 ton of xilitolto consume nearly 10 tons of corn cob, 3 tons of acid, 2 tons of alkali, 120 ~ 150 kg of activated charcoal, 30 ~ 50 tons of steam, 100m3 of water to k5]. In view of the problems of high temperature, high pressure, expensive catalysts and complicated separation and purification processes in the process of xilitolproducciónporchemical synthesis method, the international community began to study a new way of xylitol producción- chemical biosynthesis method desdethe 1970s.

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 

As early as 1969,0nishi and Suzuki reported a method to prepare xylitol desdeglucose, the first step was to convert glucose to Alcohol etílicothe hyperosmotic yeast D. zcnsenii, and the second step was to convert glucose to xylitol porthe yeast D. zcnsenii. zcnsenii glucose into D-arabinitol (D-arabitol, D-ara), and then D-arabinitol in the Acetobccter suboxy- Then D-arabinitol was oxidized to D-xylulose porAcetobccter suboxy- ccns, and finally D-xylulose was oxidized to D-xylulose poryeast C . Finally, D-xylulose was reduced A xilitol porthe action of yeast C. guilliermoncii [17]. 77.5 g.L-1 of glucose was fermented by three microorganisms in three steps to obtain 9.0 g.L-1 of xylitol in a time of 211 h with a yield of 11%. Because of the long process, low yield and no application value, this route has been shelved for a long time.

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

D-arabinitol, the second step by the high efficiency conversion of the bacteria D-arabinitol preparation of xylitol 18,19]. The process route (see Figure 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 demand for functional foods, the preparation of xylitol by biotechnology has attracted much attention. The preparation of xylitol by all-biological methods is in line with this trend, and its development prospects and opportunities are very favorable. In order to overcome the dangers to resources and environment brought by chemical and chemical-biological methods of xylitol production, we should accelerate the development of all-biological methods of xylitol production, comprehensively improve the competitiveness of all-biological methods compared with chemical and chemical-biological methods, comprehensively utilize molecular biology, microbial metabolic engineering otrasmodern biotechnological means to improve the conversion rate and production level of xylitol, so that xylitol can be more widely used in food and medical and health care business, resulting in a wide range of applications. The utilization of molecular biology, microbial metabolic engineering and other modern biotechnological means to improve the conversion rate and production level of xylitol, so that xylitol can be more widely used in the food and medical and health care, and produce greater economic and social benefits.

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