CN101857886B - 一种木糖醇联产l-阿拉伯糖的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，它包括种子制备，木糖水解液脱毒处理，发酵培养，发酵液通过酵母细胞膜过滤，离子交换柱处理后，真空蒸发、浓缩，木糖醇结晶；阿拉伯糖分离。本发明方法所选择的酵母菌以及工艺步骤及参数可有选择性地将木糖转化为木糖醇、消耗其他杂糖而有效保留阿拉伯糖单糖，再通过模拟移动床，将阿拉伯糖单糖单独分离出来。由此既大大提高了木糖醇的收率及纯度，而与此同时联产出高品质的L-阿拉伯糖。

Description

一种木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法

技术领域

本发明涉及木糖醇以及L-阿拉伯糖的制备工艺，具体地说是在制备木糖醇过程中连带生产L-阿拉伯糖的生产方法。

背景技术

木糖醇是一种五碳多元醇，是木糖代谢的中间产物。木糖醇作为甜味剂，口感清凉，而且可以预防龋齿；作为食品添加剂，可延长食品的保鲜期；木糖醇还是糖尿病患者的理想辅助治疗剂和营养甜昧剂。木糖醇也是制造表面活性剂、乳化剂、破乳剂、各种醇酸树脂涂料、清漆、增塑剂等化工产品的重要原材料。目前，木糖醇的工业生产主要是化学加氢法，即首先水解半纤维素，纯化制得木糖，再经过催化加氢，重结晶等步骤制得木糖醇。整个工艺过程包含了一系列的纯化步骤。木糖醇的收率约为50～60％。该方法存在生产工艺复杂、收率低、成本高、污染严重等问题。因此许多研究人员都将研究重点投向生物转化法，即利用富含木糖的半纤维素水解液通过生物法将木糖转化成木糖醇。生物法转化木糖醇，通常是将木糖母液或生物质酸水解液用氢氧化钙调节pH值到5.5～7.0，过滤；加入酵母菌发酵48～96小时，从而将木糖转化为木糖醇。该方法虽然工艺相对简单，收率高，易分离纯化，但生产过程中的废液里含有许多糖类物质，直接排放不仅造成了严重的浪费，同时还造成了严重的环境污染。

L-阿拉伯糖属于五碳醛糖，它是一种没有热量的甜料，能抑制水解双糖的酶，抑制因摄入蔗糖而导致的血糖升高。因此，它可以抑制肥胖、预防并治疗与高血糖相关的疾病。L-阿拉伯糖还可以用作医药中间体、生化领域中的细菌培养基以及合成香料等。一般来讲，不同植物组织中的L-阿拉伯糖含量不同。其含量较高的植物组织有玉米皮、麦糠、压榨过的甜菜和苹果浆等。L-阿拉伯糖的提取一般是采用碱提取植物中的半纤维素，然后再用酸水解。如TschierschB等早期发明的提取方法为：对甜菜提取蔗糖后的滤渣，先在95℃温度下，经碱提取30分钟，过滤得到阿拉伯聚糖，后加酸同温度下水解1小时，中和到中性，过滤得L-阿拉伯糖溶液，然后经色谱分离，加醇浓缩得晶体(详见TschierschB.Schwabe K.Stokov l，etal.Preparation of L-(+)-Hrabinose fronl sugarbeet[J].Pharmazie，1981，36(2)：159160)。Juhani Antila等对提取蔗糖后的甜菜浆先经强碱溶解其中的阿拉伯聚糖，调至中性，过滤后用强酸水解，中和至中性，得阿拉伯糖溶液，过滤后用色谱分离出阿拉伯糖，再用阴阳离子交换树脂和吸附树脂纯化L-阿拉伯糖溶液，浓缩，结晶得纯净的L-阿拉伯糖晶体(详见Juhani Antila，Viii Ravanko，Pertti Walliander.Method of prepar-ingIarabinose from sugar beet pulp【P】.USP 6506987.2003-0-14.)。上述方法在制备过程中，可能会形成某些致癌物质，因而其一般不适合作为食品和药物原料使用；再则，工艺要求其在高温进行酸处理，故还需要有特殊的反应设备；再其次，大量的盐可在酸碱中和时生成，增加了后序工作，成本较大；最后，提取过L-阿拉伯糖的废液对环境也造成了负面影响。

除上述问题之外，现有技术还存在工艺不科学、安全性差、不易于实现工业化批量生产的的问题。例如，CN 101323870公开的专利申请对木糖醇和阿拉伯糖的结晶方式采用加入无水乙醇，结晶时，加入溶媒，只起到固化晶体的作用，起不到任何提纯作用。该方法还增加了工艺的危险性，提高了工艺对设备、厂房的防爆等级的要求；增加了溶媒回收的步骤；不利于实现工业化生产。

本发明方法就是要提供一种木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，该方法既可有效提高木糖醇的收率及纯度，又可联产出高品质的L-阿拉伯糖，且成本低、生产安全性高、有利于环境保护。

本发明所提供的方法它包括以下步骤：

a、种子制备：采用CGMCC 2.0567热带假丝酵母菌，种子由斜面种子、母瓶种子扩大培养后备用；

b、木糖水解液中加入以其质量比计为1％的活性炭，保温50～60℃、20～30分钟，经离子交换树脂进行脱毒处理；洗脱液进入含有氮源的发酵罐，保温灭菌、冷却后，接入a工序中所培养的种子；

c、发酵培养：

接种后，控制温度25～35℃，罐压0.01MPa，通气量10～50Nm³/h，搅拌培养，待发酵周期到45～55h，残糖低于2.5～3.5g/L；

d、发酵液通过酵母细胞膜过滤，菌体循环套用，滤液经脱色、离子交换柱处理后，真空蒸发、浓缩；

该工序通过菌体循环套用，可进一步降低发酵成本，缩短发酵时间，降低设备投资和操作费用，并简化后处理过程。

当出料液透光率≤85％时，最好进行二次脱色处理。以进一步除去抑制水解液发酵的毒性物质。

在进行脱色处理时优选的工艺参数为：加入活性炭，夹套升温至100℃后，控制温度70～80℃，保温20～30分钟。

在进行离子交换柱处理时，优选的工艺参数为：流速控制在50L/h，当阴离子柱出口木糖醇液含量＞0.5％时开始接料。

离子交换柱处理后优选的工艺参数为：将出料液调pH 3.0～6.0后，在温度≤75℃条件下，真空蒸发；

e、当木糖醇液浓缩至纯度75～85％左右、浓度为75～85％左右时，将浓缩后的木糖醇液放置结晶罐，冷却、结晶；结晶母液送至模拟移动床分离，分离温度控制在50～75℃，最高压力0.5～1.5Mpa，循环泵流量示数25～35，母液进料流量3.5～4.5升/小时，洗脱水进水量6.0～6.5升/小时；

f、被模拟移动床分离出的阿拉伯糖，经浓缩获得纯度75～80％，浓度为75～85％的L-阿拉伯糖液时，冷却、获得干L-阿拉伯糖晶体；离心处理后的母液返回b工序，进入下一循环。

本发明所选用的CGMCC 2.0567热带假丝酵母菌种，可从中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心购得，也可以从中国科学院微生物研究所购得。

该菌种的菌种名称为Candida tropicalis，其生物学特征如下：

1、形态特征：该菌株为短卵形到卵形，有时接近球形。

2、培养特征：该菌株在YPD培养基上培养形成菌落，菌落圆形，边缘光滑，白到奶油色，暗或半暗，软，平滑或部分有条纹，钢状或皱状。

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、麦芽糖等，不利用L-阿拉伯糖。最适培养温度30～34℃，最高生长温度41～44℃，最适生长PH值为4.0～6.5。

4、菌株具有良好的稳定性：该菌株置于-20℃含30％的甘油中冷冻保藏、置于10℃蒸馏水中悬浮保藏。传代20次以上仍然保持菌株的活性稳定。

在自然界的微生物当中，能够生产木糖醇的细菌只有很少的一部分，如A.liquaefaciens、smegmatis及Coryhebacterium(棒状杆菌属)等种属。酵母转化木糖生产木糖醇的性能虽然较为优越。但筛选出有特异性的优良菌种仍不是一件很容易的事情。如一般的酵母菌在木糖转化木糖醇的过程中，木糖醇的转化率都不够理想；还有许多酵母菌其主要作用是消耗木糖及其他杂糖，而相对单一地保留L-阿拉伯糖，因此有研究者利用其来单一性地制备L-阿拉伯糖。例如中国专利200810040906.0中所述，选用消耗杂糖的酵母菌株，通过发酵培养将木糖母液或生物质水解液中的木糖转变而成木糖醇，再将98％以上的木糖醇代谢消耗掉，从而达到高效提取L-阿拉伯糖的目的。

本发明方法的重要创新之处在于：在工艺转化过程中，本发明所选择的酵母菌以及工艺步骤及参数可有选择性地将木糖转化为木糖醇、消耗其他杂糖而有效保留阿拉伯糖单糖，再通过模拟移动床，将阿拉伯糖单糖单独分离出来。由此既大大提高了木糖醇的收率及纯度，而与此同时也联产出高品质的L-阿拉伯糖。

本发明方法从木糖醇的废液中提取出了高品质的的L-阿拉伯糖，因而在有效降低L-阿拉伯糖原料成本的同时，也大大提高了木糖醇结晶母液的经济附加值。

本发明方法在制备木糖醇时，其氢来源于细胞里还原型辅酶中的氢原子和水中的氢离子，因而避免了单独制氢，其反应条件温和，无须高压设备，且电耗小，对设备要求低。

由于玉米芯在水解过程中，所产生的乙酸、糠醛、四氢呋喃、酚类等毒性物质会抑制水解液的发酵功能。同时，水解液中富含的多种金属离子和阴离子对酵母菌的代谢也存在不可忽视的抑制作用。为提高水解液的发酵功能，本发明水解液在发酵前进行脱色、脱毒处理，消除了影响发酵的因素。

本发明利用菌体循环套用，降低了发酵成本，缩短了发酵时间，降低了设备投资和操作费用，同时简化了后处理过程。

本发明中木糖醇、阿拉伯糖结晶方式都是采用降温、自然结晶，它既起到提纯的作用，也简化了现有的工艺步骤，提高了生产的安全性，可适于工业化大批量生产。

以下通过实施例的方式进一步说明本发明。

实施例1

本实施例的具体步骤及工艺参数如下：

(1)种子制备

菌种采用CGMCC 2.0567热带假丝酵母菌，按照常规制备方法由斜面种子、母瓶种子扩大培养后备用；

(2)外采木糖水解液1吨，经检测含木糖23％。木糖水解液中加入以其质量比计为1％的活性炭，保温60℃、20分钟，经离子交换树脂脱去木糖水解液中的阴阳离子(以有利于后续的发酵培养)。洗脱液进入含有氮源的发酵罐(采用压差法将氮源压入发酵罐)，保温灭菌、冷却后，备用。

(3)发酵培养：

发酵采用母瓶种子接种发酵罐的方式。

接种：从接种口倒入培养好的母瓶种子。

培养：接种后控制温度35℃，罐压0.01MPa，通气量30Nm³/h，开启搅拌进行培养。自接种后开始每3h取一次样，检测无菌情况、各项生化指标，以高压液相测定残糖至放罐。

发酵过程中采用通气搅拌，待发酵周期到60h，残糖低于3g/L左右即可放料。

(4)膜过滤

将发酵液打至膜过滤岗位的储料罐，开泵，将滤液收集到准备好的贮罐中，目测滤液质量为澄清，当发酵浓缩液体积不足循环时，按滤液出口速度补加一次水，直至滤液出口含量降至1％以下(用阿贝折光计计算含量)。将滤液放入收集罐中。菌体进行循环套用。

(5)脱色、过滤

将滤液打入脱色罐，加入1％的活性炭(以滤液重量比计)，夹套升温至100℃，保温70～80℃，保温20～30分钟。开启过滤机。当透光率＞75％，炭粒≤10个/500ml，视为滤液合格。

(6)离子柱交换

脱色液通入再生好的阳、阴树脂柱，控制流速50L/h，当阴树脂柱出口液含量＞0.5％时开始接料，当色带降至出口时停止接料。阳、阴树脂柱再生备用。

(7)蒸发浓缩

将经过离子交换柱处理的滤液调pH 5.0后，真空吸入蒸发罐中，开始蒸发操作，操作温度≤75℃，如出料透光率≤85％，进行二次脱色，否则合并浓缩液蒸发。

(8)二次脱色过滤

加入活性炭进行二次脱色，夹套升温至70℃，70～80℃保温20～30分钟。开启过滤机，合格后，合并蒸发。当木糖醇纯度85％左右。浓度为80％左右。为合格浓醇液。

(9)结晶

在结晶罐中加入合格浓醇液，开始结晶，降至30℃。保温。

(10)离心分离

将上述结晶液离心后、用相当于物料体积5％的蒸馏水雾化喷入洗晶。分别收集母液、晶体。

(11)干燥

木糖醇晶体在50℃下烘干。时间10小时。得木糖醇晶体75公斤。晶体质量：符合国标。

(12)母液分离

母液合并后，累计100Kg后送入色谱分离工段进行L-阿拉伯糖和木糖醇的分离。

(13)模拟移动床分离

模拟移动床装置是以强酸型阳离子交换Ca²⁺树脂作为吸附剂，以物料、水作为洗脱剂。采用12柱形式，用旋转阀转动的方式来改变进料口、出料口、进水口剂循环村口的位置。

操作条件：分离温度50℃，压力1.5Mpa，循环泵流量示数35，母液进料流量3.5升/小时，洗脱水进水量6.0升/小时。

模拟移动床进料为木糖醇结晶母液，其中含木糖醇70％左右，L-阿拉伯糖20％左右，浓度为40～60％。模拟移动床可连续进行进料、出料操作，同时得到两种出料：富含L-阿拉伯糖的前馏份，富含木糖醇的后馏份。控制好条件进料、进水、前馏份出料、后馏份出料同时进行。

控制操作好条件，进料48小时后，系统达到稳定操作状态后，所得的出料情况：富含L-阿拉伯糖的前馏份木糖醇含量低于10％。富含木糖醇的后馏份L-阿拉伯糖含量低于3％，将富含木糖醇的后馏份视质量情况返回至相应工段。

(14)蒸发浓缩

将L-阿拉伯糖分离液调pH 3.5后，真空吸入蒸发罐中，开始蒸发操作，操作温度≤75℃。当L-阿拉伯糖纯度75～80％，浓度为80％左右为合格浓糖液。

(15)结晶

在结晶罐中加入合格浓糖液，开始结晶，降至30℃。保温。

(16)离心分离

将L-阿拉伯糖结晶液离心后，用相当于物料体积5％的蒸馏水雾化喷入洗晶。分别收集母液、晶体。

(17)干燥

L-阿拉伯糖晶体在50℃下烘干。时间10小时。得L-阿拉伯糖10公斤。

产品质量符合中华人民共和国卫生部公告(2008年第12号)中L-阿拉伯糖的质量标准。

本实施例中木糖醇总收率：77％。(按来料木糖计)，木糖醇质量符合国标。L-阿拉伯糖收率：62％以上(按来料L-阿拉伯糖计)，质量符合中华人民共和国卫生部公告(2008年第12号)中L-阿拉伯糖的质量标准。

实施例2：

外采木糖母液500公斤，经检测含木糖60％，木糖阿拉伯糖的比值约4∶1。木糖母液无需脱毒、脱色处理。收集实例1中过滤的发酵菌体，进行菌体套用。将菌体投入发酵罐中进行发酵。发酵液好氧发酵约20h，完成发酵。得发酵液2吨左右。酵母细胞膜过滤，膜过滤收率可达95％，滤液进行脱色、阴、阳树脂柱交换柱处理后，去除树脂状物及阳离子和有机酸后，直接送至色谱分离工段，利用模拟移动床装置进行阿拉伯糖和木糖醇的分离。阿拉伯糖被分离出后浓缩结晶得40公斤产品，母液继续分离。木糖醇分离后浓缩结晶得100公斤。此工段分离得到醇液可返回原工段再进行木糖醇的提取，以提高木糖醇的收率。

本实施例中木糖醇总收率：73％。(按来料木糖计)，木糖醇质量符合国标。L-阿拉伯糖收率：69％以上(按来料L-阿拉伯糖计)，质量符合中华人民共和国卫生部公告(2008年第12号)中L-阿拉伯糖的质量标准。

Claims (5)

1.一种木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

a、种子制备：采用热带假丝酵母菌CGMCC 2.0567，种子由斜面种子、母瓶种子扩大培养后备用；

b、木糖水解液中加入以其重量比计为1％的活性炭，保温50～60℃、20～30分钟，经离子交换树脂进行脱毒处理；洗脱液进入含有氮源的发酵罐，保温灭菌、冷却后，接入a工序中所培养的种子；

c、发酵培养：

接种后控制温度25℃～35℃，罐压0.01MPa，通气量10～50Nm³/h，搅拌培养，待发酵周期到45～60h，残糖低于2.5～3.5g/L；

d、发酵液通过酵母细胞膜过滤，菌体进行循环套用，滤液经脱色、离子交换柱处理后，真空蒸发、浓缩；

e、当木糖醇液浓缩至纯度75～85％、浓度为75～85％时，将浓缩后的木糖醇液放置结晶罐，冷却、结晶；结晶母液送至模拟移动床分离，分离温度50～75℃，最高压力0.5～1.5Mpa，循环泵流量示数25～35，母液进料流量3.5～4.5升/小时，洗脱水进水量6.0～6.5升/小时；

f、被模拟移动床分离出的阿拉伯糖，经浓缩获得纯度75～80％，浓度为75～85％的L-阿拉伯糖液时，冷却、获得干L-阿拉伯糖晶体；离心处理后的母液返回b工序，进入下一循环。

2.根据权利要求1所述的木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，其特征在于当出料液透光率≤85％时，进行二次脱色处理。

3.根据权利要求2所述的木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，其特征在于二次脱色处理是加入活性炭，夹套升温100℃后，控制温度在70～80℃，保温20～30分钟。

4.根据权利要求1所述的木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，其特征在于d工序中所述离子交换柱处理，其流速控制在50L/h，当阴离子柱出口木糖醇液含量＞0.5％时开始接料。

5.根据权利要求1所述的木糖醇联产L-阿拉伯糖的制备方法，其特征在于d工序中离子交换柱处理后，将出料液调pH 3.0～6.0后，在温度≤75℃条件下，真空蒸发。