D-阿拉伯糖醇的实际应用和生产方式

背景及概述^[1-2]

D-阿拉伯糖醇又称为D-树胶糖醇，其天然形式首次被FREREJACQUEM等发现存在于蘑菇中，随后LINDBERGB等在地衣中也发现其存在，迄今为止，在自然界中以天然状态存在的D-阿拉伯糖醇仅在这两类物种中发现。D-阿拉伯糖醇与戊糖醇系列中的D-木糖醇、D-核糖醇互为同分异构体，标准状态下为白色棱柱形结晶，味甜，易溶于水，12℃时以1∶48的比例溶于体积分数90%的乙醇溶液，不溶于乙醚，熔点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费用昂贵，不经济且困难。用化学法也可得到D-阿拉伯糖醇，即通过D-阿拉伯糖、D-来苏糖酸催化加氢得到D-阿拉伯糖醇，但化学合成法涉及的反应需要昂贵催化剂并在持续高温下进行，生产周期长且污染严重，在一定程度上限制了生产规模的扩大。因此，国内外许多学者开始尝试以生物转化的方式来完成D-阿拉伯糖醇的生产并进行了大量研究。生物法具有绿色、环保的优势，以活的微生物为细胞工厂，多种酶促反应生产D-阿拉伯糖醇，整个过程无需使用纯糖底物和化学催化剂，具有大规模化生产的运用潜力，在下游工程中该方法所得的产物更容易被分离除去，可有效提高D-阿拉伯糖醇的得率及纯度。

应用^[2]

在食品行业中，阿拉伯糖醇不仅作为高档甜味剂，还可作为调制糖浆基质来改善酒精饮料品质并应用于相应食品加工生产过程中；在医药领域，D-阿拉伯糖醇可作为阿糖腺苷、阿糖胞苷和α-葡萄糖苷酶抑制剂等药物的中间体，同时还可作为运输介质以通过血脑屏障；而在化工方面，D-阿拉伯糖醇是颗粒性固体或亲水涂层的促溶剂，可增强铝电容器在高温下的可靠性并提高电解质溶液的黏度，此外，还可作为合成高分子发泡材料的激活剂及显影材料稳定剂；在生物方面，还能促进植物生长。

制备^[3]

• 葡萄糖代谢途径

葡萄糖产D-阿拉伯糖醇有两条途径：步，该六碳糖被6-磷酸葡萄糖激酶磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，经转运进入磷酸戊糖途径（pentosephosphatepathway，PPP），然后转化成D-核酮糖-5-磷酸，D-核酮糖-5-磷酸经核酮糖激酶催化脱去磷酸基生成D-核酮糖，再由D-阿拉伯糖醇脱氢酶降解D-核酮糖生成D-阿拉伯糖醇，此为D-核酮糖生成途径。或者6-磷酸葡萄糖生成D-核酮糖-5-磷酸，D-核酮糖-5-磷酸经异构酶催化形成5-磷酸-D-木酮糖，再经D-阿拉伯糖醇脱氢酶降解D-木酮糖生成D-阿拉伯糖醇，此为D-木酮糖生成途径。

2. 甘油代谢途径

进入酵母细胞后，甘油的代谢分为磷酸化途径和氧化途径。对于磷酸化途径，甘油通过简单的扩散或主动运输吸收进入细胞后，经甘油激酶磷酸化形成3-磷酸甘油，再由甘油-3-磷酸脱氢酶氧化生成磷酸二羟丙酮（dihydroxyacetonephosphate，DHAP），此为磷酸化途径。在氧化途径中，甘油经过甘油脱氢酶生成二羟基丙酮，然后再由二羟基丙酮激酶转化成磷酸二羟丙酮。上一途径生成的磷酸二羟丙酮被转化成3-磷酸甘油醛，再经糖异生途径生成6-磷酸葡萄糖进入磷酸戊糖途径，遵循6-磷酸葡萄糖类似的途径。

生产D-阿拉伯糖醇菌株^[3]

1. 天然耐渗酵母

研究发现，能产D-阿拉伯糖醇的天然菌株大多属于耐渗酵母和耐高渗酵母。早在1956年对蜂巢和花粉中分离得到的耐渗酵母进行培养，发现大部分菌能产如甘油、D-阿拉伯糖醇、甘露糖醇和赤藓糖醇等多元醇，其产量受氮源及通氧速率的影响，为日后阿拉伯糖醇工业化生产菌株的发掘提供了重要指导。此后，诸如德巴利酵母属、梅奇酵母属、毕赤酵母属、汉逊酵母属、假丝酵母属、接合酵母属克鲁维酵母属、柯达酵母属等具有耐渗或耐高渗特性的酵母菌陆续被证实可用于D-阿拉伯糖醇的生产，表给出了具有典型性的耐渗酵母产D-阿拉伯糖醇的总结。最新报道的种属为2017年报道的娄德酵母，相信今后仍然会不断地有产D-阿拉伯糖醇的天然耐渗酵母的研究报道。

2. 其他天然种属及产D-阿拉伯糖醇的工程菌株

能产D-阿拉伯糖醇的菌株大部分是天然耐渗酵母，但也有极少部分其他的天然种属以及工程改造菌株也被报道能产生此多元醇，如研究米曲霉菌固态发酵时发现其菌丝体上含有包含D-阿拉伯糖醇脱氢酶在内的与对应多元醇累积相关性较高的高活性脱氢酶，由此证明该菌属也具有生产D-阿拉伯糖醇的潜力。报道的一株代谢工程菌枯草芽孢杆菌ATCC 31094，该菌能利用葡萄糖产生38%D-阿拉伯糖醇。另外，贺鹃等将重组质粒pVgb-EX2转化到产D-阿拉伯糖醇的酵母Saccharomycessp.X-62中并得到表达，使产量提高了27.3%。采用基因工程技术，通过构建多形汉逊酵母酸性磷酸酯酶基因突变菌株，该菌株底物转化率达51.2%。运用低能离子束技术构建高产重组菌株，结合高通量筛选方法筛选出了一株产量为113.76g/L的高产工程菌株，被命名为多形汉逊酵母（Hansenulapolymorpha）DLg4-14。

主要参考资料

[1] 食品科学手册

[2] D-阿拉伯糖醇高产多形汉逊酵母重组菌株选育及其发酵工艺研究

[3] 微生物发酵产D-阿拉伯糖醇的研究进展