发明背景
柠檬酸(2-羟基-丙烷-1,2,3-三羧酸)已知是工业上重要的有机酸,由于其络合重金属离子如铜和铁的能力而被用作例如食品添加剂、防腐剂或用作油和脂肪的稳定剂。最初其从柑橘植物中分离而来。柠檬酸也可化学合成,然而由于昂贵的原材料和低产率的复杂工艺,而完全不适合进行工业生产。
因此,在过去数十年间研究了更经济以及更生态的、使用微生物转化制造柠檬酸的其它途径。
已报道了使用不同的培养方法在若干种微生物例如真菌(包括酵母)中用大量底物(包括葡萄糖或蔗糖)生产柠檬酸。能够直接生产柠檬酸的已知真菌的例子包括例如来自Aspergillus属的菌株,尤其是A.niger,或酵母如Yarrowia,尤其是Yarrowia lipolytica。
US 3773620描述了正-石蜡(n-parafins)作为原材料与饱和醇组合生产柠檬酸的用途。在这种工艺中还形成异柠檬酸。为了在所述工艺中获得可接受的柠檬酸产率,某些化合物(如一氟代乙酸)是必需的。
US 3801455描述了从正-石蜡以及从其它碳源例如甘油生产柠檬酸,从而以对正-石蜡而言约50-55%理论最大值的产率生产柠檬酸。使用葡萄糖作为原材料时,达到约63%理论最大值的产率。为了在该工艺中获得可接受的柠檬酸产率,另外的化合物例如一氟代乙酸是必需的。
Rymowicz(2006)描述了通过Yarrowia酵母以62%左右的产率用未加工的甘油生产柠檬酸。
发明详述
本发明涉及以大于70%w/w的产率从甘油生产柠檬酸的方法,所述方法包括在含10-90%w/w甘油和90-10%的另一碳源的底物上发酵丝状真菌,所述百分比均作为相对于底物总碳水化合物含量的葡萄糖当量来表示。
根据本发明的方法的一个优点是能够使用可广泛获得的底物即甘油。甘油的一个主要来源是生物柴油(biodiesel)的生产。另一个优点是与使用从甘油生产柠檬酸的现有技术方法获得的产率相比,可以获得高得多的产率。
甘油与一种或多种其它碳源组合,例如与柠檬酸生产的标准发酵底物如糖蜜、葡萄糖、果糖、蔗糖、多元醇、淀粉水解产物和含淀粉底物例如玉米和木薯组合。在糖蜜的情况下,可使用甜菜或甘蔗糖蜜。碳水化合物可以是固体形式、液体形式、液化的形式或作为糖浆,例如液化的玉米、淀粉或葡萄糖、果糖、蔗糖或糖蜜糖浆。碳水化合物也可以组合使用。与一种或多种其它碳源混合的甘油构成底物碳水化合物含量的100%。根据使用的发酵条件和菌株,要与甘油混合的碳水化合物可以变化。
在本发明的上下文中,短语“通过发酵生产”是指借助于一个或多个生物学转化步骤,通过微生物(尤其是丝状真菌)从碳水化合物来源生产柠檬酸,而不需要任何额外的化学转化步骤。发酵培养基可以是任何适用于生产柠檬酸的培养基。典型地,培养基是包含例如盐、碳水化合物、营养物和具有某pH的水性培养基。以工业规模发酵生产柠檬酸是本领域公知的,见例如US 5,081,025。
发酵典型地以分批、补料分批或连续的方式进行。深浸发酵和表面发酵均被本发明包括。
在深浸发酵的情况下,要与甘油混合的优选的碳水化合物选自葡萄糖或蔗糖糖浆或液化的淀粉。在一个实施方案中,通过从碳水化合物原料例如木薯或玉米开始的深浸发酵生产柠檬酸,所述碳水化合物原料可以被研磨并与水混合。可在独立的发酵罐中制备种子发酵(seed fermentation)。可在存在淀粉水解酶例如淀粉酶、纤维素酶、乳糖酶或麦芽糖酶时进行淀粉的液化。对主发酵(main fermentation)而言,混合物中碳水化合物的浓度可以在约150到250g/l的范围内,优选地在约150-200g/l的范围内,更优选地在约150-180g/l的范围内。
在表面发酵的情况下,要与甘油混合的优选的碳水化合物选自糖蜜、蔗糖糖浆或含碳水化合物的固体底物(所谓的固态发酵)。在一个实施方案中,通过从碳水化合物原料开始的表面发酵生产柠檬酸,所述碳水化合物原料例如甜菜和甘蔗糖蜜或蔗糖的混合物。对深浸发酵和表面发酵二者而言,可在发酵前或发酵期间添加添加剂例如盐(例如六氰基高铁酸盐(hexacyanoferrate))、营养物和消泡剂。
甘油可与另一碳源混合,使获得的甘油终浓度在10到90%w/w的范围内,优选地在10到85%w/w、10到80%w/w、10到75%w/w、10到70%w/w、10到65%或10到60%的范围内,更优选地在10到55%w/w、10到50%w/w、10到45%w/w或10到40%w/w的范围内,最优选地在10到35%w/w、10到30%w/w、10到25%w/w或10-30%w/w的范围内。在本发明的一个实施方案中,将甘油与另一碳源以10-30%w/w的终浓度混合用于表面发酵。在另一实施方案中,甘油与另一碳源以10到50%w/w的终浓度混合用于深浸发酵。
所有这些百分比都作为葡萄糖当量表示,其中100克甘油等于97.82克葡萄糖当量。因此,短语“作为葡萄糖当量表示的10%w/w甘油”是指每100g葡萄糖当量10g葡萄糖当量甘油,这作为底物的总碳水化合物含量的百分比表示。
根据本发明的方法中可使用任何丝状真菌。优选地,使用具有GRAS状态(公认为安全)的丝状真菌,更优选地使用选自A.niger、A.awamori、A.aculeatus、A.japonicus、A.oryzae、A.vadensis、A.carbonarius、A.tubingensis、A.lacticoffeatus、A.brasiliensis、A.piperis、A.costaricaensis或A.foetidus的Aspergillus。进一步更优选地使用A.foetidusvar acidus、A.foetidus var pallidus或A.niger var awamori。还进一步更优选地使用A.niger ATCC1015,最优选地使用A.niger CBS 513.88。
在本发明的上下文中,术语“甘油(glycerol)”是指1,2,3-丙三醇,并且该术语可与术语“丙三醇(glycerin)”互换使用。
在本发明的上下文中,术语“柠檬酸”是指存在于水溶液中的柠檬酸的任何化学形式,例如未解离的、游离酸的形式或解离为阴离子。柠檬酸的溶解的盐形式可被表征为存在任何阳离子种类时的阴离子,所述任何种类的阳离子是发酵上清液中通常存在的,例如钾、钠、钙或铵。还包括在内的是经分离的游离酸形式柠檬酸的结晶。另一方面,经分离的盐形式柠檬酸的结晶根据其相应的盐名称命名,即柠檬酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸钙等等。
又一方面,如上文所述用于生产柠檬酸的工艺可以与从发酵液的其它组分中分离或纯化产生的柠檬酸的其它步骤(即所谓的下游加工步骤)组合。这些步骤可包括技术人员已知的任何手段,例如浓缩、结晶、沉淀、吸附、离子交换、电渗析、复合膜电渗析和/或反渗透。
柠檬酸可被转化为例如柠檬酸一钠、柠檬酸三钠、柠檬酸三钙、柠檬酸三钠二水化物、柠檬酸三钾、无水柠檬酸一钠,或结晶为无水柠檬酸或柠檬酸一水化物。
通过本文所述方法产生的柠檬酸及其盐可进一步作为成分或添加剂被用于例如食物(例如烘焙制品、婴儿食物、脂肪和油、甜品、乳酪制品、乳制品)、饮料(例如碳酸软饮、糖浆、果汁和饮品、酒、即饮型茶)、药物(例如片剂、糖浆、悬浮液/溶液)、清洗剂和洗涤剂(例如除臭皂、盘碟洗涤液/粉)、个人护理制品(例如洗发水、乳霜和洗剂、卫生制品、牙膏)或其它工业应用例如粘合剂、动物饲料、光化学品(photo chemical)等等。
根据本发明的方法,柠檬酸以至少70%w/w的产率生产,这表示底物中每100克葡萄糖当量形成至少70克柠檬酸一水合物。更优选地,柠檬酸产率为至少75%、80%、85%或90%w/w。进一步更优选地,柠檬酸产率为至少92%、94%、95%、96%、97%、98%、99%w/w。最优选地,柠檬酸产率为至少100%、103%、106%、109%或112%w/w。
本发明方法中使用的甘油可以是粗制的,即未加工和未经纯化的甘油,或其可以被预处理以去除污染物。用于纯化粗制甘油的方法是本领域已知的,例如来自EP 0358255,所述EP 0358255描述了通过微孔过滤纯化未加工的甘油。
经纯化的甘油的使用在表面发酵中尤其有利,所述表面发酵与使用未加工甘油的状态相比允许使用更高浓度的甘油。在一个实施方案中,使用80-90%经纯化的甘油(表述为葡萄糖当量)通过表面发酵生产柠檬酸。
在本发明的一个实施方案中,使用简单的过滤技术将未加工的甘油纯化至表面发酵用途可接受的品质。该工艺包括将粗制甘油与CaO以每kg混合物至少2.0g CaO的终浓度混合,并令其反应,之后在压滤器上过滤反应混合物,从而获得纯化的甘油。
就申请人所知而言,用于纯化粗制甘油的该简单和直接的工艺是新颖的。因此,在本发明的另一方面中,本发明涉及如下纯化粗制甘油的工艺:将粗制甘油与CaO以每kg混合物至少2.0g CaO的终浓度混合并允许其反应,之后在压滤器上过滤反应混合物,从而获得纯化的甘油。
本发明中使用的CaO可以是任何合适的形式,其可以是粉末或液体。在本发明的一个实施方案中,使用石灰乳形式的CaO。将CaO与甘油混合获得每kg混合物至少2.0CaO的终浓度,优选地终浓度为每kg混合物至少2.5克CaO,更优选地其为每kg混合物至少3.0或3.5克CaO。典型地,终浓度不应大于每kg混合物10克CaO。
根据本发明的纯化方法允许短暂的反应时间。反应时间可短至少于120分钟。优选地,反应时间少于90、80、70或60分钟,更优选地,其少于50、40、30、20或10分钟。更优选地,反应时间少于8、6、5、4、3、2或1分钟。当然,更长的反应时间可以应用,但不是必需的,并且会降低纯化过程的效率。
在根据本发明的方法中,纯化甘油和CaO的反应混合物以去除杂质。用于过滤反应混合物的滤器可以是非常简单的滤器,例如压滤器或真空滤器。不需要使用微孔过滤单位或陶瓷滤器。滤器上可应用预涂层或主体加料(body feed)。要在主体加料过滤中使用的合适滤器包含硅酸盐,例如珍珠岩(perlite),其为由融合的硅酸铝钠钾(sodium potassium aluminiumsilicate)组成的无定形矿物,由Dicalite Europe NV,比利时生产;石膏,其例如在柠檬酸下游加工中生产;硅藻土(kieselguhr),也称作硅藻土(diatomeous earth),其例如由Eagle Picher Inc.,美国生产,商品名
在一个实施方案中,使用
助滤剂。
实施例
实施例1使用糖蜜和粗制(未纯化)甘油的混合物通过A.niger的表面
发酵生产柠檬酸
用软化水稀释甜菜和甘蔗糖蜜的混合物,获得每升240g蔗糖。将未加工的甘油稀释至作为甘油表示的260g/L。以70%w/w糖蜜和30%w/w甘油的比例混合两种溶液,这均作为葡萄糖当量占总碳水化合物含量的比例表实。向该混合物中,每升混合物添加3ml磷酸5%、0.7gNa4Fe(CN)6·10H2O、0.45g粉末状的活性炭和1.0mg作为硫酸锌的Zn。用硫酸将pH调节至6.15,并将混合物置于深10cm的托盘中。在70℃下将该托盘巴氏灭菌,并允许其冷却至40℃。向培养基中添加A.niger的孢子,并在具有35℃温度和至少70%相对湿度的培养箱中孵育托盘。在这些条件下,由于真菌菌丝体形成的不足,发酵被阻滞。其它的实验揭示了如果使用低得多的甘油量,则发酵未被阻滞。在不含甘油(但是含有糖蜜作为碳水化合物)的培养基上,菌丝体生长良好并且柠檬酸产率正如所预期的。
该实施例显示如果使用非常小量的甘油,则未加工(未纯化)的甘油仅适用于表面发酵。
实施例2使用糖蜜和预处理的粗制甘油的混合物通过A.niger的表面发
酵生产柠檬酸
用软化水稀释甜菜和甘蔗糖蜜的混合物,获得每升240g蔗糖。通过将未加工的甘油与石灰乳混合得到3g CaO/kg溶液并将其搅拌5分钟,对未加工的甘油进行预处理。然后用水将其稀释,并在使用Dicalite助滤剂的压滤器中于2bar下过滤。将得到的经纯化的甘油稀释至以甘油表达的260g/L。以70%w/w糖蜜和30%w/w甘油的比例混合两种溶液,均表述为葡萄糖当量占总碳水化合物含量的比例。向该混合物中,每升混合物添加3ml磷酸5%、0.7g Na4Fe(CN)6·10H2O、0.45g粉末状的活性炭和1.0mg作为硫酸锌的Zn。用硫酸将pH调节至6.15,并将混合物置于深10cm的托盘中。在70℃下将该托盘巴氏灭菌,并允许其冷却至40℃。向培养基中添加A.niger的孢子,并在具有35℃温度和至少70%相对湿度的培养箱中孵育托盘。菌丝体被培养至在液体表面上形成层,并且来自液体的蔗糖被转化为柠檬酸。当通过HPLC测量蔗糖、葡萄糖、果糖和甘油浓度降至低于4g/l时,停止发酵。巴氏灭菌终止酶活性后,通过HPLC或滴定法测量液体中的柠檬酸浓度。生产性能被计算为柠檬产率,所述产率被表述为底物中每100克葡萄糖当量的柠檬酸一水合物克数。使用未加工材料的发酵中,产率为95%。为了比较,单独基于糖蜜的发酵中的产率为100%。
该实施例显示使用经预处理的甘油作为底物,在表面发酵中获得的产率可与使用糖蜜作为底物获得的产率相比。
实施例3使用玉米、木薯和粗制甘油的混合物通过A.niger的深浸发酵
生产柠檬酸
研磨碳水化合物未加工材料例如木薯和玉米,并与水混合。在含有玉米粉浆体作为碳水化合物的分离的发酵罐中开始种子发酵,用淀粉分解酶在90℃的温度下液化。冷却至37℃后,向发酵罐中加入A.niger孢子,以每体积每分钟(vvm)0.1到0.2体积的空气流速进行种子发酵,并将温度控制在37℃。约20小时后,将种子发酵罐内容物转移至主发酵罐中。通过添加水、添加剂和营养物,用20%w/w玉米粉、70%w/w木薯粉和10%w/w未经预处理的未加工甘油的混合物(均表述为葡萄糖当量占总碳水化合物含量的比例)制备主发酵罐。混合物中总碳水化合物浓度为150g葡萄糖当量/l。添加淀粉水解酶和消泡剂。加热至90℃从而液化淀粉并随后冷却至35℃后,将种子发酵罐的内容物转移至主发酵罐中。转移后通过在0.1vvm的气流速下冷却控制发酵,并且当碳水化合物耗尽(这耗费140小时)时终止发酵。通过HPLC或滴定法测量液体中的柠檬酸浓度。与使用无甘油培养基的独立实验中获得的85.5%的产率相比,柠檬酸的产率(每100g碳水化合物的柠檬酸一水合物克数,表述为葡萄糖当量)为88%。
该实施例显示用甘油作为底物获得的产率与用基于玉米和木薯的培养基获得的产率相似。
实施例4使用玉米、木薯和粗制甘油的混合物通过A.niger的深浸发酵
生产柠檬酸
该实验如实施例3完成,只是碳水化合物内容物由20%w/w未经预处理的未加工甘油、60%w/w木薯粉和20%w/w玉米粉(均表述为葡萄糖当量占总碳水化合物含量的比例)组成。柠檬酸产率为85%(每100g碳水化合物的柠檬酸一水合物克数,表述为葡萄糖当量)。
该实施例显示用未处理甘油作为底物获得的产率与用基于玉米和木薯的培养基获得的产率相似。
实施例5使用葡萄糖浆和粗制甘油的混合物通过A.niger的深浸发酵生
产柠檬酸
使用葡萄糖浆作为碳水化合物未加工材料,并与水混合。在含有玉米粉浆体作为碳水化合物的分离的发酵罐中开始种子发酵,用淀粉分解酶在90℃的温度下液化。冷却至37℃后,向发酵罐中加入A.niger孢子,以每体积每分钟(vvm)0.1到0.2体积的空气流速进行种子发酵,并将温度控制在37℃。约20小时后,将种子发酵罐内容物转移至主发酵罐中。用80%w/w葡萄糖浆、20%w/w未经预处理的未加工甘油(均表述为葡萄糖当量占总碳水化合物含量的比例)、水、添加剂和营养物的混合物,制备主发酵罐。混合物中总碳水化合物浓度为160g/l并添加消泡剂。加热至120℃来灭菌并随后冷却至35℃后,将种子发酵罐的内容物转移至主发酵罐中。转移后通过在0.1vvm的气流速下冷却控制发酵,并且当碳水化合物耗尽(这典型地耗费80-100小时)时终止发酵。通过HPLC或滴定法测量液体中的柠檬酸浓度。柠檬酸产率应当是使用无甘油培养基获得的产率的至少90%。
申请人或代理人文件参考编号26040WO |
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