專利名稱：一種木糖醇聯(lián)產(chǎn)l-阿拉伯糖的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木糖醇以及L-阿拉伯糖的制備工藝，具體地說是在制備木糖醇過程 中連帶生產(chǎn)L-阿拉伯糖的生產(chǎn)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。木糖醇作為甜味劑，口感清 涼，而且可以預(yù)防齲齒；作為食品添加劑，可延長食品的保鮮期；木糖醇還是糖尿病患者的 理想輔助治療劑和營養(yǎng)甜昧劑。木糖醇也是制造表面活性劑、乳化劑、破乳劑、各種醇酸樹 脂涂料、清漆、增塑劑等化工產(chǎn)品的重要原材料。目前，木糖醇的工業(yè)生產(chǎn)主要是化學(xué)加氫 法，即首先水解半纖維素，純化制得木糖，再經(jīng)過催化加氫，重結(jié)晶等步驟制得木糖醇。整個 工藝過程包含了一系列的純化步驟。木糖醇的收率約為50 60%。該方法存在生產(chǎn)工藝 復(fù)雜、收率低、成本高、污染嚴(yán)重等問題。因此許多研究人員都將研究重點投向生物轉(zhuǎn)化法， 即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。生物法轉(zhuǎn)化木糖醇， 通常是將木糖母液或生物質(zhì)酸水解液用氫氧化鈣調(diào)節(jié)PH值到5. 5 7. 0，過濾；加入酵母 菌發(fā)酵48 96小時，從而將木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇。該方法雖然工藝相對簡單，收率高，易分 離純化，但生產(chǎn)過程中的廢液里含有許多糖類物質(zhì)，直接排放不僅造成了嚴(yán)重的浪費，同時 還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。L-阿拉伯糖屬于五碳醛糖，它是一種沒有熱量的甜料，能抑制水解雙糖的酶，抑制 因攝入蔗糖而導(dǎo)致的血糖升高。因此，它可以抑制肥胖、預(yù)防并治療與高血糖相關(guān)的疾病。 L-阿拉伯糖還可以用作醫(yī)藥中間體、生化領(lǐng)域中的細(xì)菌培養(yǎng)基以及合成香料等。一般來講， 不同植物組織中的L-阿拉伯糖含量不同。其含量較高的植物組織有玉米皮、麥糠、壓榨過 的甜菜和蘋果漿等。L-阿拉伯糖的提取一般是采用堿提取植物中的半纖維素，然后再用酸 水解。如TschierschB等早期發(fā)明的提取方法為對甜菜提取蔗糖后的濾渣，先在95°C溫 度下，經(jīng)堿提取30分鐘，過濾得到阿拉伯聚糖，后加酸同溫度下水解1小時，中和到中性， 過濾得L-阿拉伯糖溶液，然后經(jīng)色譜分離，加醇濃縮得晶體(詳見TschierschB. Schwabe K. Stokovl, etal. Preparation of L-(+)-Hrabinose fronl sugarbeet[J]. Pharmazie, 1981，36 (2) :159160)。Juhani Antila等對提取蔗糖后的甜菜漿先經(jīng)強堿溶解其中的阿 拉伯聚糖，調(diào)至中性，過濾后用強酸水解，中和至中性，得阿拉伯糖溶液，過濾后用色譜分離 出阿拉伯糖，再用陰陽離子交換樹脂和吸附樹脂純化L-阿拉伯糖溶液，濃縮，結(jié)晶得純凈 的 L-阿拉伯糖晶體(詳見 Juhani Antila, Viii Ravanko,Pertti ffalliander. Method of prepar-ing Iarabinose from sugar beet pulpPj.USP 6506987. 2003—0—14.)。上述方 法在制備過程中，可能會形成某些致癌物質(zhì)，因而其一般不適合作為食品和藥物原料使用； 再則，工藝要求其在高溫進(jìn)行酸處理，故還需要有特殊的反應(yīng)設(shè)備；再其次，大量的鹽可在 酸堿中和時生成，增加了后序工作，成本較大；最后，提取過L-阿拉伯糖的廢液對環(huán)境也造 成了負(fù)面影響。除上述問題之外，現(xiàn)有技術(shù)還存在工藝不科學(xué)、安全性差、不易于實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)的的問題。例如，CN 101323870公開的專利申請對木糖醇和阿拉伯糖的結(jié)晶方式采用 加入無水乙醇，結(jié)晶時，加入溶媒，只起到固化晶體的作用，起不到任何提純作用。該方法 還增加了工藝的危險性，提高了工藝對設(shè)備、廠房的防爆等級的要求；增加了溶媒回收的步 驟；不利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明方法就是要提供一種木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，該方法既可有 效提高木糖醇的收率及純度，又可聯(lián)產(chǎn)出高品質(zhì)的L-阿拉伯糖，且成本低、生產(chǎn)安全性高、 有利于環(huán)境保護。本發(fā)明所提供的方法它包括以下步驟a、種子制備采用CGMCC 2. 0567熱帶假絲酵母菌，種子由斜面種子、母瓶種子擴 大培養(yǎng)后備用；b、木糖水解液中加入以其質(zhì)量比計為的活性炭，保溫50 60°C、20 30分 鐘，經(jīng)離子交換樹脂進(jìn)行脫毒處理；洗脫液進(jìn)入含有氮源的發(fā)酵罐，保溫滅菌、冷卻后，接入 a工序中所培養(yǎng)的種子；c、發(fā)酵培養(yǎng)接種后，控制溫度25 35°C，罐壓0. OlMPa,通氣量10 50Nm3/h，攪拌培養(yǎng)，待發(fā) 酵周期到45 55h，殘?zhí)堑陀?. 5 3. 5g/L ；d、發(fā)酵液通過酵母細(xì)胞膜過濾，菌體循環(huán)套用，濾液經(jīng)脫色、離子交換柱處理后， 真空蒸發(fā)、濃縮；該工序通過菌體循環(huán)套用，可進(jìn)一步降低發(fā)酵成本，縮短發(fā)酵時間，降低設(shè)備投資 和操作費用，并簡化后處理過程。當(dāng)出料液透光率< 85%時，最好進(jìn)行二次脫色處理。以進(jìn)一步除去抑制水解液發(fā) 酵的毒性物質(zhì)。在進(jìn)行脫色處理時優(yōu)選的工藝參數(shù)為加入活性炭，夾套升溫至100°C后，控制溫 度70 80°C，保溫20 30分鐘。在進(jìn)行離子交換柱處理時，優(yōu)選的工藝參數(shù)為流速控制在50L/h，當(dāng)陰離子柱出 口木糖醇液含量> 0. 5%時開始接料。離子交換柱處理后優(yōu)選的工藝參數(shù)為將出料液調(diào)pH 3.0 6.0后，在溫度 <75°C條件下，真空蒸發(fā)；e、當(dāng)木糖醇液濃縮至純度75 85%左右、濃度為75 85%左右時，將濃縮后的 木糖醇液放置結(jié)晶罐，冷卻、結(jié)晶；結(jié)晶母液送至模擬移動床分離，分離溫度控制在50 75°C，最高壓力0. 5 1. 5Mpa，循環(huán)泵流量示數(shù)25 35，母液進(jìn)料流量3. 5 4. 5升/小 時，洗脫水進(jìn)水量6. 0 6. 5升/小時；f、被模擬移動床分離出的阿拉伯糖，經(jīng)濃縮獲得純度75 80%，濃度為75 85%的L-阿拉伯糖液時，冷卻、獲得干L-阿拉伯糖晶體；離心處理后的母液返回b工序，進(jìn) 入下一循環(huán)。本發(fā)明所選用的CGMCC 2. 0567熱帶假絲酵母菌種，可從中國微生物菌種保藏管 理委員會普通微生物中心購得，也可以從中國科學(xué)院微生物研究所購得。該菌種的菌種名稱為Candida tropicalis，其生物學(xué)特征如下1、形態(tài)特征該菌株為短卵形到卵形，有時接近球形。
2、培養(yǎng)特征該菌株在YPD培養(yǎng)基上培養(yǎng)形成菌落，菌落圓形，邊緣光滑，白到奶 油色，暗或半暗，軟，平滑或部分有條紋，鋼狀或皺狀。3、菌株的生理生化特征能利用葡萄糖，半乳糖、木糖、山梨醇、乙醇、可溶性淀粉、 麥芽糖等，不利用L-阿拉伯糖。最適培養(yǎng)溫度30 34°C，最高生長溫度41 44°C，最適 生長PH值為4. 0 6. 5。4、菌株具有良好的穩(wěn)定性該菌株置于-20°C含30%的甘油中冷凍保藏、置于 10°c蒸餾水中懸浮保藏。傳代20次以上仍然保持菌株的活性穩(wěn)定。在自然界的微生物當(dāng)中，能夠生產(chǎn)木糖醇的細(xì)菌只有很少的一部分，如 A. liquaefaciens、smegmatis及Coryhebacterium(棒狀桿菌屬)等種屬。酵母轉(zhuǎn)化木糖生 產(chǎn)木糖醇的性能雖然較為優(yōu)越。但篩選出有特異性的優(yōu)良菌種仍不是一件很容易的事情。 如一般的酵母菌在木糖轉(zhuǎn)化木糖醇的過程中，木糖醇的轉(zhuǎn)化率都不夠理想；還有許多酵母 菌其主要作用是消耗木糖及其他雜糖，而相對單一地保留L-阿拉伯糖，因此有研究者利用 其來單一性地制備L-阿拉伯糖。例如中國專利200810040906. 0中所述，選用消耗雜糖的 酵母菌株，通過發(fā)酵培養(yǎng)將木糖母液或生物質(zhì)水解液中的木糖轉(zhuǎn)變而成木糖醇，再將98% 以上的木糖醇代謝消耗掉，從而達(dá)到高效提取L-阿拉伯糖的目的。本發(fā)明方法的重要創(chuàng)新之處在于在工藝轉(zhuǎn)化過程中，本發(fā)明所選擇的酵母菌以 及工藝步驟及參數(shù)可有選擇性地將木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇、消耗其他雜糖而有效保留阿拉伯糖 單糖，再通過模擬移動床，將阿拉伯糖單糖單獨分離出來。由此既大大提高了木糖醇的收率 及純度，而與此同時也聯(lián)產(chǎn)出高品質(zhì)的L-阿拉伯糖。本發(fā)明方法從木糖醇的廢液中提取出了高品質(zhì)的的L-阿拉伯糖，因而在有效降 低L-阿拉伯糖原料成本的同時，也大大提高了木糖醇結(jié)晶母液的經(jīng)濟附加值。本發(fā)明方法在制備木糖醇時，其氫來源于細(xì)胞里還原型輔酶中的氫原子和水中的 氫離子，因而避免了單獨制氫，其反應(yīng)條件溫和，無須高壓設(shè)備，且電耗小，對設(shè)備要求低。由于玉米芯在水解過程中，所產(chǎn)生的乙酸、糠醛、四氫呋喃、酚類等毒性物質(zhì)會抑 制水解液的發(fā)酵功能。同時，水解液中富含的多種金屬離子和陰離子對酵母菌的代謝也存 在不可忽視的抑制作用。為提高水解液的發(fā)酵功能，本發(fā)明水解液在發(fā)酵前進(jìn)行脫色、脫毒 處理，消除了影響發(fā)酵的因素。本發(fā)明利用菌體循環(huán)套用，降低了發(fā)酵成本，縮短了發(fā)酵時間，降低了設(shè)備投資和 操作費用，同時簡化了后處理過程。本發(fā)明中木糖醇、阿拉伯糖結(jié)晶方式都是采用降溫、自然結(jié)晶，它既起到提純的作 用，也簡化了現(xiàn)有的工藝步驟，提高了生產(chǎn)的安全性，可適于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。以下通過實施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例1本實施例的具體步驟及工藝參數(shù)如下(1)種子制備菌種采用CGMCC 2. 0567熱帶假絲酵母菌，按照常規(guī)制備方法由斜面種子、母瓶種 子擴大培養(yǎng)后備用；(2)外采木糖水解液1噸，經(jīng)檢測含木糖23%。木糖水解液中加入以其質(zhì)量比計 為的活性炭，保溫60°C、20分鐘，經(jīng)離子交換樹脂脫去木糖水解液中的陰陽離子(以有利于后續(xù)的發(fā)酵培養(yǎng))。洗脫液進(jìn)入含有氮源的發(fā)酵罐(采用壓差法將氮源壓入發(fā)酵罐)， 保溫滅菌、冷卻后，備用。(3)發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵采用母瓶種子接種發(fā)酵罐的方式。接種從接種口倒入培養(yǎng)好的母瓶種子。培養(yǎng)接種后控制溫度35°C，罐壓0. OlMPa，通氣量30Nm3/h，開啟攪拌進(jìn)行培養(yǎng)。 自接種后開始每3h取一次樣，檢測無菌情況、各項生化指標(biāo)，以高壓液相測定殘?zhí)侵练殴?。發(fā)酵過程中采用通氣攪拌，待發(fā)酵周期到60h，殘?zhí)堑陀?g/L左右即可放料。(4)膜過濾將發(fā)酵液打至膜過濾崗位的儲料罐，開泵，將濾液收集到準(zhǔn)備好的貯罐中，目測濾 液質(zhì)量為澄清，當(dāng)發(fā)酵濃縮液體積不足循環(huán)時，按濾液出口速度補加一次水，直至濾液出口 含量降至以下(用阿貝折光計計算含量)。將濾液放入收集罐中。菌體進(jìn)行循環(huán)套用。(5)脫色、過濾將濾液打入脫色罐，加入的活性炭(以濾液重量比計)，夾套升溫至100°C，保 溫70 80°C，保溫20 30分鐘。開啟過濾機。當(dāng)透光率>75%，炭粒彡10個/500ml，視 為濾液合格。(6)離子柱交換脫色液通入再生好的陽、陰樹脂柱，控制流速50L/h，當(dāng)陰樹脂柱出口液含量> 0. 5 %時開始接料，當(dāng)色帶降至出口時停止接料。陽、陰樹脂柱再生備用。(7)蒸發(fā)濃縮將經(jīng)過離子交換柱處理的濾液調(diào)pH 5. 0后，真空吸入蒸發(fā)罐中，開始蒸發(fā)操作， 操作溫度< 75°C，如出料透光率< 85%，進(jìn)行二次脫色，否則合并濃縮液蒸發(fā)。(8) 二次脫色過濾加入活性炭進(jìn)行二次脫色，夾套升溫至70°C，70 80°C保溫20 30分鐘。開啟 過濾機，合格后，合并蒸發(fā)。當(dāng)木糖醇純度85%左右。濃度為80%左右。為合格濃醇液。(9)結(jié)晶在結(jié)晶罐中加入合格濃醇液，開始結(jié)晶，降至30°C。保溫。(10)離心分離將上述結(jié)晶液離心后、用相當(dāng)于物料體積5%的蒸餾水霧化噴入洗晶。分別收集母 液、晶體。(11)干燥木糖醇晶體在50°C下烘干。時間10小時。得木糖醇晶體75公斤。晶體質(zhì)量符 合國標(biāo)。(12)母液分離母液合并后，累計lOOKg后送入色譜分離工段進(jìn)行L-阿拉伯糖和木糖醇的分離。(13)模擬移動床分離模擬移動床裝置是以強酸型陽離子交換Ca2+樹脂作為吸附劑，以物料、水作為洗 脫劑。采用12柱形式，用旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動的方式來改變進(jìn)料口、出料口、進(jìn)水口劑循環(huán)村口的位置。
操作條件分離溫度50°C，壓力1. 5Mpa,循環(huán)泵流量示數(shù)35，母液進(jìn)料流量3. 5升 /小時，洗脫水進(jìn)水量6. 0升/小時。模擬移動床進(jìn)料為木糖醇結(jié)晶母液，其中含木糖醇70%左右，L-阿拉伯糖20%左 右，濃度為40 60%。模擬移動床可連續(xù)進(jìn)行進(jìn)料、出料操作，同時得到兩種出料富含 L-阿拉伯糖的前餾份，富含木糖醇的后餾份?？刂坪脳l件進(jìn)料、進(jìn)水、前餾份出料、后餾份出 料同時進(jìn)行?？刂撇僮骱脳l件，進(jìn)料48小時后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定操作狀態(tài)后，所得的出料情況富 含L-阿拉伯糖的前餾份木糖醇含量低于10%。富含木糖醇的后餾份L-阿拉伯糖含量低于 3 %，將富含木糖醇的后餾份視質(zhì)量情況返回至相應(yīng)工段。(14)蒸發(fā)濃縮將L-阿拉伯糖分離液調(diào)pH 3. 5后，真空吸入蒸發(fā)罐中，開始蒸發(fā)操作，操作溫度 (75°C。當(dāng)L-阿拉伯糖純度75 80%，濃度為80%左右為合格濃糖液。(15)結(jié)晶在結(jié)晶罐中加入合格濃糖液，開始結(jié)晶，降至30°C。保溫。(16)離心分離將L-阿拉伯糖結(jié)晶液離心后，用相當(dāng)于物料體積5%的蒸餾水霧化噴入洗晶。分 別收集母液、晶體。(17)干燥L(fēng)-阿拉伯糖晶體在50°C下烘干。時間10小時。得L-阿拉伯糖10公斤。產(chǎn)品質(zhì) 量符合中華人民共和國衛(wèi)生部公告(2008年第12號)中L-阿拉伯糖的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本實施例中木糖醇總收率77%。(按來料木糖計)，木糖醇質(zhì)量符合國標(biāo)。L-阿拉 伯糖收率62%以上(按來料L-阿拉伯糖計)，質(zhì)量符合中華人民共和國衛(wèi)生部公告(2008 年第12號)中L-阿拉伯糖的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。實施例2 外采木糖母液500公斤，經(jīng)檢測含木糖60%，木糖阿拉伯糖的比值約4 1。木糖 母液無需脫毒、脫色處理。收集實例1中過濾的發(fā)酵菌體，進(jìn)行菌體套用。將菌體投入發(fā)酵 罐中進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵液好氧發(fā)酵約20h，完成發(fā)酵。得發(fā)酵液2噸左右。酵母細(xì)胞膜過濾， 膜過濾收率可達(dá)95%，濾液進(jìn)行脫色、陰、陽樹脂柱交換柱處理后，去除樹脂狀物及陽離子 和有機酸后，直接送至色譜分離工段，利用模擬移動床裝置進(jìn)行阿拉伯糖和木糖醇的分離。 阿拉伯糖被分離出后濃縮結(jié)晶得40公斤產(chǎn)品，母液繼續(xù)分離。木糖醇分離后濃縮結(jié)晶得 100公斤。此工段分離得到醇液可返回原工段再進(jìn)行木糖醇的提取，以提高木糖醇的收率。本實施例中木糖醇總收率73%。(按來料木糖計)，木糖醇質(zhì)量符合國標(biāo)。L-阿拉 伯糖收率69%以上(按來料L-阿拉伯糖計)，質(zhì)量符合中華人民共和國衛(wèi)生部公告(2008 年第12號)中L-阿拉伯糖的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，其特征在于它包括一下步驟a、種子制備采用CGMCC 2.0567熱帶假絲酵母菌，種子由斜面種子、母瓶種子擴大培養(yǎng)后備用；b、木糖水解液中加入以其重量比計為1％的活性炭，保溫50～60℃、20～30分鐘，經(jīng)離子交換樹脂進(jìn)行脫毒處理；洗脫液進(jìn)入含有氮源的發(fā)酵罐，保溫滅菌、冷卻后，接入a工序中所培養(yǎng)的種子；c、發(fā)酵培養(yǎng)接種后控制溫度25℃～35℃，罐壓0.01MPa，通氣量10～50Nm3/h，攪拌培養(yǎng)，待發(fā)酵周期到45～60h，殘?zhí)堑陀?.5～3.5g/L；d、發(fā)酵液通過酵母細(xì)胞膜過濾，菌體進(jìn)行循環(huán)套用，濾液經(jīng)脫色、離子交換柱處理后，真空蒸發(fā)、濃縮；e、當(dāng)木糖醇液濃縮至純度75～85％、濃度為75～85％時，將濃縮后的木糖醇液放置結(jié)晶罐，冷卻、結(jié)晶；結(jié)晶母液送至模擬移動床分離，分離溫度50～75℃，最高壓力0.5～1.5Mpa，循環(huán)泵流量示數(shù)25～35，母液進(jìn)料流量3.5～4.5升/小時，洗脫水進(jìn)水量6.0～6.5升/小時；f、被模擬移動床分離出的阿拉伯糖，經(jīng)濃縮獲得純度75～80％，濃度為75～85％的L-阿拉伯糖液時，冷卻、獲得干L-阿拉伯糖晶體；離心處理后的母液返回b工序，進(jìn)入下一循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，其特征在于當(dāng)出料液透 光率< 85%時，進(jìn)行二次脫色處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，其特征在于二次脫色處 理是加入活性炭，夾套升溫100°c后，控制溫度在70 80°C，保溫20 30分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，其特征在于d工序中所 說離子交換柱處理，其流速控制在50L/h，當(dāng)陰離子柱出口木糖醇液含量> 0. 5%時開始接 料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，其特征在于d工序中離 子交換柱處理后，將出料液調(diào)pH 3. 0 6. 0后，在溫度彡75°C條件下，真空蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木糖醇聯(lián)產(chǎn)L-阿拉伯糖的制備方法，它包括種子制備，木糖水解液脫毒處理，發(fā)酵培養(yǎng)，發(fā)酵液通過酵母細(xì)胞膜過濾，離子交換柱處理后，真空蒸發(fā)、濃縮，木糖醇結(jié)晶；阿拉伯糖分離。本發(fā)明方法所選擇的酵母菌以及工藝步驟及參數(shù)可有選擇性地將木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇、消耗其他雜糖而有效保留阿拉伯糖單糖，再通過模擬移動床，將阿拉伯糖單糖單獨分離出來。由此既大大提高了木糖醇的收率及純度，而與此同時聯(lián)產(chǎn)出高品質(zhì)的L-阿拉伯糖。
文檔編號C12P19/02GK101857886SQ200910074108
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者于建偉, 張紅, 李偉, 王慧霞, 王文義, 王立巧, 程坤杰, 董進(jìn)臣, 趙青, 高潔 申請人:華北制藥康欣有限公司