Comment produire de la poudre de Xylitol par la méthode de Fermentation?

Le Xylitol est un alcool polyhydrique fonctionnel important....... Le Xylitol n’a pas besoin d’insuline pour se métaboliser dans le corps, n’augmente pas le taux de sucre dans le sang après la consommation et peut être utilisé dans les aliments pour diabétiques. Il n’est pas fermenté par des micro-organismes dans la bouche, empêchant le développement de la carie dentaire. Le Xylitol peut également être utilisé comme source d’énergie pour la nutrition parentérale. C’est précisément en raison de ces propriétés fonctionnelles que le xylitol est largement utilisé dans les industries alimentaires et pharmaceutiques.

Il existe trois méthodes de production de xylitol: l’extraction, la synthèse chimique et la biosynthèse. Actuellement, la production industrielle utilise principalement la synthèse chimique. La méthode de biosynthèse utilise l’enzyme réductase dans les micro-organismes pour produire du xylitol, qui peut effectivement réduire le coût de production du xylitol. La méthode de fermentation est une méthode de production prometteuse qui non seulement a le potentiel d’éliminer l’étape de purification du xylose, mais simplifie également l’étape de séparation du xylitol. La synthèse enzymatique du xylitol est une méthode de production continue et efficace obtenue par l’équilibre métabolique du facteur coenzyme La xyloseréductase. Cet article porte sur la méthode de fermentation de la production de xylitol et les facteurs qui influent sur la production.

1 micro-organismes pour la méthode de fermentation de production de xylitol

1.1 bactéries

Seules quelques bactéries peuvent produire du xylitol, comme Enterobacter liquefaciens, Myobactenum smegmatis et Corynebacterium sp. Smegmatis a une grande capacité à convertir xylose en xylitol, avec un taux de conversion allant jusqu’à 70%. Lorsque Escherichia coli est fermenté dans un milieu ayant une concentration initiale de xylose de 100 g/L, le taux de production de xylitol atteint 0,35 g/(L·h).

La plupart des bactéries contiennent de l’isomérase de xylose, une enzyme qui convertit le xylose en xylulose. La Xylulose est ensuite phosphorylée en 5-phospho-D-xyulose par la Xylulose kinase, puis entre dans la voie du pentose phosphate ou est convertie en 3-phosphoglycérate et acétyle phosphate par l’action de la 5-phosphoketolase de Xylulose. Souche du genre Bacillus peut métaboliser xylitol, et ces souches peuvent avoir un système enzymatique redox qui coexiste avec ou remplace le rôle de xylose isomérase. Ce système peut réduire le xylose en xylitol, qui est ensuite oxydé en xylulose. Le Xylitol n’est qu’un produit intermédiaire du métabolisme bactérien.

1.2 moules

Certains moules peuvent égalementFerment xylose pour produire du xylitol....... Dans un milieu contenant du xylose, certains champignons filamenteux, tels que Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Colletotrichum, Byssochlamys ou Neurospora SPP., peuvent produire de faibles concentrations de xylitol. Xylitol (< 1 g/L) a été détecté après 2 jours de culture aérobie de la souche Fusarium xysporum dans un milieu ayant une concentration initiale de xylose de 50 g/L. La souche petromyces albertensis a atteint des concentrations de 39,8 g/L de xylitol et de 2,8 g/L de xylulose après 10 jours de culture dans un milieu ayant une concentration initiale de 100 g/L de xylose.

1.3 levure

Parmi les micro-organismes, la levure a une capacité relativement supérieure à convertir le xylose en xylitol. Les levures du genre Candida, comme C. guilliermondii, C. tropicalis, C. mogii et C. parasilosis, ont une forte capacité à convertir la xylose. D’autres levures avec de fortes capacités de conversion comprennent

(1) le genre Debaryomyces, tel que D. hansenii

2. Le genre pachysolen, tel que p. tannophilus

3. Le genre saccharomyces

4. Le genre schyzosaccharomyces

2. Procédé de Fermentation pour la production de xylitol

Le processus de production de xylitol par fermentation microbienne est le suivant:

2. Facteurs affectant le processus de fermentation pour la production de xylitol

2.1 taux d’aération

Dans certaines cellules de levure, l’aération stimule le transport du sucre. De nombreuses souches telles que Candida, Hanesula, Kluyveromyces et Pichia ont besoin d’oxygène pour l’absorption du sucre. La culture aérobie augmente la conversion du xylose en xylitol, car la production de xylitol est directement liée à une augmentation de la biomasse et est fortement influencée par la consommation d’oxygène. Certains microorganismes sont capables de produire du xylitol dans des conditions microaérobies. En étudiant la capacité de C. guillermondii à produire du xylitol à partir de xylose et de sucres non hémicellulosiques dans des conditions microaérobies, la fermentation du xylose a donné un taux de conversion du xylitol de 0. 63 g/g de rendement en xylitol et des traces d’éthanol, tandis que d’autres sucres ont été convertis en éthanol et en biomasse. Les souches de Debaromyces hansenii nécessitent des conditions semi-aérobies pour la production de xylitol, car la coenzyme adénosine-diphosphate réduite accumulée dans des conditions aérobies est complètement réoxydée, ce qui entraîne la reconversion du xylitol produit en xylulose.

En général, le maintien d’un certain taux d’aération peut augmenter le taux de conversion du xylitol, et un léger taux d’aération est bénéfique pour la production de xylitol. Cependant, pour la culture des souches de Pichia stipitis, le rendement en xylitol est étroitement lié au manque d’oxygène dissous, tandis que le taux de conversion en xylitol des souches de Pichia tannophilus est plus élevé dans des conditions limitées ou anaérobies. C. tropicalis peut accumuler du xylitol dans des conditions d’oxygène limitées. Lors de l’utilisation de souches de levure avec la coenzyme NADPH pour la xylose réductase, la teneur en oxygène doit être contrôlée pour éviter l’épuisement de xylitol. Dans des conditions de faible teneur en oxygène, les concentrations intracellulaires relativement élevées de NADPH et de NADH accélèrent la réaction de réduction des xyloses et l’accumulation de xylitol. Dans ce cas, le NADH ne peut pas être oxydé en NAD+, ce qui provoque une augmentation du rapport NADH/NAD+ et donc inhibe l’activité de la xylitol déshydrogénase, qui utilise la NAD+ comme coenzyme, pour empêcher l’oxydation du xylitol. Le tableau 1 résume les effets de l’aération sur les activités de la xylose réductase et de la xylitol déshydrogénase.

Pour produire efficacement du xylitol, la première considération est l’accumulation rapide de cellules microbiennes dans le milieu, qui peut être résolu par l’oxygène dissous dans le milieu. Cependant, comme la production de xylitol nécessite des conditions anoxiques, le maintien de niveaux élevés d’oxygène dissous dans le milieu tout au long du processus de culture entraînera la réoxydation du xylitol en xylulose. Par conséquent, des niveaux élevés d’oxygène dissous devraient être maintenus au début de la culture, puis la fréquence respiratoire des microorganismes devrait être réduite pendant la période de production de xylitol.

2.2 concentration de Xylose

La concentration de xylose dans le milieu de culture influe considérablement sur la production de xylitol. Sans augmenter le taux d’aération, une augmentation de la concentration de xylose entraînera une diminution du taux de croissance, ce qui indique qu’une concentration trop élevée de xylose inhibera la croissance cellulaire. Une concentration initiale de xylose plus élevée est favorable à la production de xylitol par des microorganismes osmotolérants. Une faible concentration de xylose diminuera le taux de conversion parce qu’à de faibles concentrations, une partie de la source de carbone sera utilisée pour la croissance cellulaire, réduisant ainsi le xylose disponible pour la conversion. En général, dans les procédés par lots, une augmentation de la concentration initiale de sucre peut augmenter le taux de production et le taux de conversion si le micro-organisme peut tolérer des concentrations élevées de sucre et des pressions osmotiques élevées.

La vitesse de croissance maximale μmax de la souche de C. guillemondii a atteint un maximum à une concentration initiale de xylose de 20 à 50 g/L. Des études sur la souche C. mogii ont montré que la concentration initiale de xylose à laquelle le μmax atteint un maximum était de 5 à 10 g/L. En augmentant la concentration initiale de xylose de 100 g/L à 150 g/L et en élevant C. tropicallis, la croissance cellulaire a été vigoureuse et le taux de production de xylitol a augmenté de 1,78 g/(L·h) à 2,44 g/(L·h). Dans le processus de fermentation de souches telles que P. tannophilus, C. tropicalis et C. guilliermondii, les concentrations initiales optimales de xylose étaient respectivement de 60, 200, 100 et 200 g/L. Lorsque la concentration initiale de xylose a été augmentée de 5 fois, le taux de conversion du produit a augmenté de 5,5 fois, et la consommation unitaire moyenne et la synthèse du produit ont également été améliorées. La souche P. tannophilus accumule du xylitol à des concentrations de xylose supérieures à 10 g/L. Des concentrations plus faibles de xylose (5-8 g/L) et la culture en lots d’alimentation sont plus favorables à la production d’éthanol et moins favorables à la production de xylitol. Tannophilus et la souche de levure de bière (S. cerevisiae), la production de xylitol augmente avec l’augmentation de la concentration de xylose. L’effet de la concentration initiale de xylose sur la production de xylitol est illustré à la Figure 2. Comme on peut le constater, il existe un effet inhibiteur à une concentration initiale de xylose de 150 à 200 g/L, selon la souche de levure et les conditions de fonctionnement.

À de faibles concentrations de xylose et à de faibles taux d’aération, la concentration cellulaire sera faible. Dans ces conditions, il est possible de commencer à produire du xylitol tôt dans la culture cellulaire. À des concentrations de xylose plus élevées et à des taux d’aération plus élevés, la concentration cellulaire est élevée et la production de xylitol est également élevée.

Lorsque la concentration initiale de xylose variait de 10 g/L à 300 g/L, la tolérance de Cadida guillermondii a été étudiée. On a constaté qu’une augmentation de la concentration en sucre accélérait la production de xylitol, et que le taux de conversion du xylitol augmentait avec l’augmentation du xylose dans le milieu. Lorsque la concentration de xylose a été portée à 300 g/L, le taux de conversion du xylitol a atteint la valeur 0. 75 g/g, soit 82,6 % du taux de conversion théorique. Le rendement en xylitol a atteint un maximum à une concentration de 200 g/L, alors que le taux de production de xylitol était 2,4 fois plus élevé qu’à une concentration de 10 g/L. Contrairement à la production de xylitol, une augmentation de la concentration de xylose a inhibé la croissance cellulaire. Les taux de croissance cellulaire ont culminé à des concentrations de xylose de 20 g/L à 50 g/L. Dans la production de xylitol par la souche Petromyces albertensis, le taux de conversion du xylitol a culminé à une concentration de 100 g/L et a commencé à diminuer au-delà de 150 g/L. Cela peut être dû à l’effet de la pression osmotique sur les cellules ou à l’effet négatif du substrat sur l’enzyme métabolique D-xylose.

2.3 source d’azote

La source d’azote et le taux d’aération sont très importants pour la production de xylitol par certaines souches de levure. Dans la brasserie &#La voie du pentose phosphate est régulée par l’azote, et on a constaté que les sels d’ammonium peuvent stimuler la voie oxydative du pentose phosphate. La désoxydation du 6-phospho-D-glucose est généralement inhibée par le NADPH. Chez P. tannophilus, la liaison des sels d’ammonium a stimulé la croissance, réduit l’inhibition de la 6-phospho-D-glucose déshydrogénase par le NADPH, et donc augmenté l’activité de la voie du pentose phosphate. Les sources d’azote organique peuvent augmenter le rendement en xylitol de C. shehatae.

En comparant huit sources d’azote inorganique et quatre sources d’azote organique, on a constaté que les sels d’ammonium sont les meilleures sources d’azote inorganique et que l’extrait de levure est la meilleure source d’azote organique. En utilisant ces deux sources d’azote, le taux de conversion du xylitol était de 16. 7g/L et 30,6g /L, respectivement. Haritsu et al. ont utilisé 3, 10 et 20g/L d’extrait de levure comme sources d’azote, respectivement, et ont constaté que le taux de production de xylitol était de 1,78 g/(L·h) à une concentration d’extrait de levure de 20g/L, un taux d’aération (90 % d’oxygène) était de 400 mL/min et la concentration initiale de xylose était de 100 g/L, le taux de production de xylitol était de 1,78 g/(L·h), atteignant une valeur maximale. Chez les souches Pichia, la formation de polyols est fortement influencée par le rapport carbone-azote, et cette souche produit plus de polyols dans un milieu pauvre en azote que dans un milieu riche en azote.

2.4 autres sucres dans le substrat

L’addition de glucose au substrat a un effet contreproductif sur la production de xylitol par la levure fermentant la xylose. Par exemple, le glucose inhibe l’utilisation de xylose par Candida et Schizosaccharomyces. Ceci est principalement dû au fait que ces espèces assimilent le glucose, le mannose et le galactose plus rapidement que le xylose. Ces hexoses sont principalement utilisés pour la croissance des cellules de levure, et seule une petite quantité des polyols correspondants est accumulée. L’effet inhibiteur du glucose sur la consommation de xylose n’atteint son maximum qu’après très peu de temps. Dès que la concentration de glucose diminue à une certaine valeur, la conversion de xylose recommence immédiatement. Cette courte période de transition et la récupération rapide de l’absorption de xylose indiquent que le mécanisme de régulation n’est pas l’inhibition des produits métaboliques. Ce résultat confirme également le point de vue selon lequel, dans des conditions riches en glucose, le principal facteur de contrôle du transport des xyloses est l’inhibition plutôt que l’inactivation et le blocage.

Lorsque l’on a utilisé une souche de Candida parapsilosis pour fermenter un mélange de glucose et de xylose, on a constaté que le glucose était d’abord consommé. La raison pour laquelle la production de xylitol ne diminue pas lorsque la teneur en glucose est inférieure à 5 g/L est que le glucose est métabolisé aérobiquement et ne produit pas d’éthanol. Cependant, lorsque la teneur en glucose dépasse 5 g/L, l’excédent est métabolisé anaérobiquement pour produire de l’éthanol. Cette réaction est une réaction de réduction, tout comme la réduction du xylose en xylitol, et les deux sont en concurrence pour le potentiel redox, ce qui entraîne une diminution de la production de xylitol.

Cadida guillermomdii a été évalué pour sa capacité à fermer les sucres non xylosés tels que le glucose, la mannose, le galactose et l’arabinose, qui sont souvent présents dans les hydrolysats d’hémicellulose. Il a été constaté que ces microorganismes peuvent rapidement fermenter et utiliser ces sucres. Cependant, ils ne les utilisent que pour la croissance cellulaire et la production d’éthanol, et aucun polyols correspondant de ces sucres ne se trouve dans le milieu de culture.

2.5 pH et température

Différents microorganismes ont différentes valeurs optimales de pH initial. La valeur optimale du pH pour la souche D. hansenii est de 5,5, pour la souche Candida (Candida SPP.) de 4 à 6, pour C. parasilosis de 4,5 à 5, pour C. guilliermondii de 6,0 et pour C. boidinii de 7. Le pH optimal pour la croissance de P. tannophilus est de 8 et le pH optimal pour la fermentation de C. tropicalis est de 4. La production de produits est influencée par le pH. Par exemple, lorsque C. shehatae a été cultivé par fermentation par lots, la production de xylitol a atteint un maximum au pH le plus bas mesuré, et les taux de production d’éthanol et de xylitol ont atteint un maximum à pH 4. 5, le taux de production d’éthanol et de xylitol a atteint un maximum. Lorsque C. guilliermondii a fermenté de l’hydrolysat de bagasse, l’activité de la xylose réductase était la plus élevée à pH 4,0-6,0, tandis que l’activité de la xylitol déshydrogénase augmentait avec l’augmentation du pH et de la température.

La levure peut produire du xylitol dans la plage de 24 à 45°C, et la plage de température optimale normale est de 28 à 30°C. Lorsque la température passe de 30°C à 37°C, la production de xylitol de P. tannophilus diminue et il y a une accumulation d’acétaldéhyde. La croissance maximale de C. guilliermondii se produit à 35°C, et la concentration maximale de xylitol et le taux de conversion du produit sont atteints à 30-35 °C.

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