專利名稱：一種木糖醇的發(fā)酵生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于木糖醇生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的方法。
背景技術(shù)：
木糖醇是一種五碳多元醇，是木糖代謝的中間產(chǎn)物，主要作為甜味劑和食品添加齊U。近年來，木糖醇的市場需求不斷擴(kuò)大，國內(nèi)木糖醇的年產(chǎn)值己達(dá)12億元。目前，木糖醇的工業(yè)生產(chǎn)主要是化學(xué)加氫法，從木糖到木糖醇的收率大約只有5(Γ60%。生物轉(zhuǎn)化法是利用富含木糖的半纖維素水解液通過生物法將木糖轉(zhuǎn)化成木糖醇，其過程不需要純化木糖，也不需要高壓設(shè)備，易于分離純化，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。目前，工業(yè)化發(fā)酵產(chǎn)木糖醇的技術(shù)主要有兩方面:(I)通過優(yōu)化培養(yǎng)調(diào)控，抑制乙醇和其他代謝產(chǎn)物的生成。發(fā)酵過程中的溶氧水平直接調(diào)控木糖醇的生成速率，由于必須采取微生物好氧發(fā)酵技術(shù)，在工業(yè)化生產(chǎn)中較難滿足此工藝的要求，在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中，影響發(fā)酵液中溶氧量的因素眾多，特別是在低溶氧條件下，很難通過通氣進(jìn)行溶氧微調(diào)，不能準(zhǔn)確控制發(fā)酵液中的氧氣水平；(2)通過基因工程改造菌株，韓國等科研人員采用基因工程敲除木糖醇脫氫酶基因，從而抑制木糖醇向木酮糖轉(zhuǎn)化，但是在反應(yīng)過程中需要大量添加價(jià)格相對昂貴的甘油做底物，以維持細(xì)胞的正常生長和代謝活動，殘留的甘油嚴(yán)重干擾后續(xù)木糖醇的分離純化，工業(yè)化價(jià)值不高。目前，木糖轉(zhuǎn)化成木糖醇最高得率70% 80%，對于菌株的優(yōu)化控制尚未出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、成熟的方法，影響木糖醇經(jīng)濟(jì)化和規(guī)?；a(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
木糖醇代謝受到NADPH依賴的木糖還原酶和NAD+-依賴的木糖醇脫氫酶活性的調(diào)控，NADPH依賴的木糖還原酶活性增加提高木糖的吸收轉(zhuǎn)化效率，生產(chǎn)更多的木糖醇；NAD+-依賴的木糖醇脫氫酶催化木 糖醇生成木酮糖，過量表達(dá)降低木糖醇的生產(chǎn)效率。因此，通過對氧化性輔因子NAD和還原性輔因子NADPH的調(diào)控能夠有效影響木糖醇在細(xì)胞內(nèi)的代謝。為提高木糖醇的轉(zhuǎn)化效率，本發(fā)明采用兩步發(fā)酵方法實(shí)現(xiàn)木糖醇的高效轉(zhuǎn)化和積累，第一步是通過高溶氧發(fā)酵實(shí)現(xiàn)微生物快速增殖；第二步是通過氧化還原電位控制實(shí)現(xiàn)木糖醇快速積累。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于兩點(diǎn):
(1)通過控制葡萄糖和木糖的濃度和比例，控制微生物繁殖速度，縮短達(dá)到平臺期時(shí)間，有助于微生物從生物量向木糖醇生產(chǎn)的高效轉(zhuǎn)化；
(2)通過調(diào)控氧化還原電位的強(qiáng)度，控制胞內(nèi)還原性輔酶因子和氧化性輔酶因子的比例，既要保證微生物高活力，避免早衰，也要降低木糖醇向木酮糖的轉(zhuǎn)化率，提高木糖醇轉(zhuǎn)化率。為提高木糖醇的轉(zhuǎn)化率，本發(fā)明提供一種木糖醇的發(fā)酵生產(chǎn)方法。具體的生產(chǎn)操作步驟如下:
將嗜鞋管囊酵母(/ ^ 及75.ο7 /7 tannophilus)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為6-10%,發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度28 30°C，罐壓0.6 0.8kg/cm2，攪拌轉(zhuǎn)速250 300轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 5.5 ；
發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3 3.5升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位為-15(T-190 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為3 4毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為40°/Γ50%，發(fā)酵中后期的通氣量為0.Γ0.3升/分鐘；
所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖4(T50 g/升、木糖10(T120 g/升、酵母提取物15^20 g/升、磷酸二氫鉀Γ5 g/升、硫酸鎂0.f 0.3 g/升。酵母提取物由蛋白質(zhì)含量豐富的食用酵母為原料，采用生物技術(shù)，將酵母細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等進(jìn)行降解后精制而成的，酵母提取物中的主要成份為氨基酸、肽、多肽以及酵母細(xì)胞的水溶性成分。本發(fā)明采用兩步法發(fā)酵步驟生產(chǎn)木糖醇，與目前常規(guī)的發(fā)酵方法相比較，具有如下優(yōu)勢:
1.本發(fā)明是在掌握嗜鞣管囊酵母發(fā)酵產(chǎn)木糖醇的規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合嗜鞣管囊酵母的生物量增殖特征、發(fā)酵過程中溶氧的動態(tài)變化，以及底物碳源的變化規(guī)律，在發(fā)酵起始階段按照一定比例混合葡萄糖和木糖，一方面是為提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，減少整個發(fā)酵時(shí)間，另一方面，為保證嗜鞣管囊酵母生長進(jìn)入平臺期后，殘留的葡萄糖能夠平衡發(fā)酵溶液中的氧化還原電位；
2.葡萄糖調(diào)控氧化還原電位，本發(fā)明在發(fā)酵前期，高通氣量增加溶氧水平，提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，縮短發(fā)酵時(shí)間；在發(fā)酵中后期后，通氣量0.f 0.3升/分鐘，通過葡萄糖濃度調(diào)控氧化還原電位水平，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵精確調(diào)控；對低溶氧調(diào)控，常規(guī)的溶氧控制受到發(fā)酵體系溶氧不均衡和溶氧檢測靈敏度等因素的影響，難以精確控制，本發(fā)明在掌握溶氧與氧化還原電位變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，以設(shè)定氧化還原電位參數(shù)為依據(jù)，采用流加葡萄糖的方法實(shí)現(xiàn)溶氧精確調(diào)控；
3.本發(fā)明在500升的發(fā)酵 罐中生產(chǎn)，發(fā)酵時(shí)間縮短至36小時(shí)，獲得的木糖醇濃度為104g/升，木糖的消耗率為95%，木糖醇轉(zhuǎn)化率為99%，木糖醇的生成速率為7.23g/升小時(shí)，與常規(guī)發(fā)酵相比，木糖醇轉(zhuǎn)化率提高了 10%，木糖醇的生成速率提高了 7%。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。本發(fā)明使用的材料來源:嗜鞋管囊酵母購于中國科學(xué)院普通微生物菌種保藏中心；葡萄糖、木糖、磷酸二氫鉀、硫酸鎂為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，500升發(fā)酵罐為連云港百侖生化科技有限公司制造；氧化還原電位為FJA-6型氧化還原電位(ORP)去極化法全自動測定儀。以上來源適合下面所有實(shí)施例。酵母提取物由蛋白質(zhì)含量豐富的食用酵母為原料，采用生物技術(shù)，將酵母細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等進(jìn)行降解后精制而成的；酵母提取物中的主要成份為氨基酸、肽、多肽以及酵母細(xì)胞的水溶性成分，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)施例1:
將嗜鞋管囊酵母iPeichysolen tannophilus)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為8%，發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度29°C，罐壓0.6 kg/cm2，攪拌轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 ；發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位為-150 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為3毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為40%，發(fā)酵中后期的通氣量為0.1升/分鐘；
所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖50 g/升、木糖100 g/升、酵母提取物15 g/升、磷酸二氫鉀4 g/升、硫酸鎂0.1 g/升。實(shí)施例2:
將嗜鞋管囊酵母iPeichysolen tannophilus)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為6%,發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度30°C，罐壓0.6 kg/cm2，攪拌轉(zhuǎn)速280轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 ；
發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3 3.5升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位為-150 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為4毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為50%，發(fā)酵中后期的通氣量為0.15升/分鐘；
所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖40 g/升、木糖120 g/升、酵母提取物20 g/升、磷酸二氫鉀5 g/升、硫酸鎂0.3 g/升。實(shí)施例3:
將嗜鞋管囊酵母iPeichysolen tannophilus)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為8%，發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度30°C，罐壓0.8 kg/cm2，攪拌轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 ；
發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3.5升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位`為-180 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為3毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為50%，發(fā)酵中后期的通氣量為
0.3升/分鐘；
所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖45 g/升、木糖110 g/升、酵母提取物18 g/升、磷酸二氫鉀4.5 g/升、硫酸鎂0.15 g/升。實(shí)施例4:
將嗜鞋管囊酵母iPeichysolen tannophilus)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為7%,發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度28°C，罐壓0.7 kg/cm2，攪拌轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 ；
發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3.3升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位為-150 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為3.5毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為45%，發(fā)酵中后期的通氣量為0.15升/分鐘；
所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖50 g/升、木糖IOOg/升、酵母提取物20 g/升、磷酸二氫鉀5 g/升、硫酸鎂0.1 g/升。
權(quán)利要求
1.一種木糖醇的發(fā)酵生產(chǎn)方法，其特征在于: 將嗜鞋管囊酵母(/ ^ 及75.ο/ /7 ia/woMHws)接入發(fā)酵培養(yǎng)基,接入量為6-10%,發(fā)酵時(shí)間36小時(shí)，培養(yǎng)溫度28 30。。，罐壓0.6 0.8 kg/cm2,攪拌轉(zhuǎn)速250 300轉(zhuǎn)/分鐘，酸堿度pH5 5.5 ； 發(fā)酵前期為自然氧化還原電位，發(fā)酵前期的通氣量為3 3.5升/分鐘，發(fā)酵前期的發(fā)酵時(shí)間為24小時(shí)；發(fā)酵中后期的氧化還原電位為-15(T-190 mV，氧化還原電位的控制是通過流速為3 4毫升/分鐘流加葡萄糖溶液實(shí)現(xiàn)的，流加葡萄糖的溶液濃度為40°/Γ50%，發(fā)酵中后期的通氣量為0.Γ0.3升/分鐘； 所述發(fā)酵培養(yǎng)基的原料和重量:葡萄糖4(T50 g/升、木糖10(T120 g/升、酵母提取物15^20 g/升、磷酸二氫鉀Γ5 g/升、硫酸鎂0.Γ0.3 g/升； 所述酵母提取物由蛋白質(zhì)含量豐富的食用酵母為原料，采用生物技術(shù)，將酵母細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等進(jìn)行降解后精制而成的，酵母提取物中的主要成份為氨基酸、肽、多肽以及酵母細(xì)胞的水溶性成分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的方法。該方法是掌握嗜鞣管囊酵母發(fā)酵產(chǎn)生木糖醇原理的基礎(chǔ)上，將發(fā)酵過程分為嗜鞣管囊酵母增殖和木糖醇發(fā)酵兩個階段，在第一個階段通過大量通氧提高發(fā)酵液溶氧量，提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，縮短整個發(fā)酵時(shí)間；第二階段是通過控制流加葡萄糖量調(diào)控發(fā)酵液中的氧化還原電位，提高木糖醇的轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明在500升的發(fā)酵罐中生產(chǎn)，發(fā)酵時(shí)間縮短至36小時(shí)，木糖的消耗率為95%，木糖醇轉(zhuǎn)化率為99%，木糖醇的生成速率為7.23g/升小時(shí)，與常規(guī)發(fā)酵相比，木糖醇轉(zhuǎn)化率提高了10%，木糖醇的生成速率提高了7%。本發(fā)明整合了發(fā)酵和調(diào)控兩方面內(nèi)容，具有可控、精確和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊市場前景。
文檔編號C12R1/645GK103184243SQ201310097359
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者楊培周, 姜紹通, 鄭志, 羅水忠, 潘麗軍, 陳淼林, 齊蘊(yùn)藝 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)