CN103184243A

CN103184243A - 一种木糖醇的发酵生产方法

Info

Publication number: CN103184243A
Application number: CN2013100973590A
Authority: CN
Inventors: 杨培周; 姜绍通; 郑志; 罗水忠; 潘丽军; 陈淼林; 齐蕴艺
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明涉及一种发酵生产木糖醇的方法。该方法是掌握嗜鞣管囊酵母发酵产生木糖醇原理的基础上，将发酵过程分为嗜鞣管囊酵母增殖和木糖醇发酵两个阶段，在第一个阶段通过大量通氧提高发酵液溶氧量，提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，缩短整个发酵时间；第二阶段是通过控制流加葡萄糖量调控发酵液中的氧化还原电位，提高木糖醇的转化效率。本发明在500升的发酵罐中生产，发酵时间缩短至36小时，木糖的消耗率为95%，木糖醇转化率为99%，木糖醇的生成速率为7.23g/升小时，与常规发酵相比，木糖醇转化率提高了10%，木糖醇的生成速率提高了7%。本发明整合了发酵和调控两方面内容，具有可控、精确和经济的优点，具有广阔市场前景。

Description

一种木糖醇的发酵生产方法

技术领域

本发明属于木糖醇生产技术领域，具体涉及一种发酵生产木糖醇的方法。

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，主要作为甜味剂和食品添加剂。近年来，木糖醇的市场需求不断扩大，国内木糖醇的年产值己达12亿元。目前，木糖醇的工业生产主要是化学加氢法，从木糖到木糖醇的收率大约只有50~60%。生物转化法是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，其过程不需要纯化木糖，也不需要高压设备，易于分离纯化，降低了生产成本，产生良好的社会经济效益。

目前，工业化发酵产木糖醇的技术主要有两方面：（1）通过优化培养调控，抑制乙醇和其他代谢产物的生成。发酵过程中的溶氧水平直接调控木糖醇的生成速率，由于必须采取微生物好氧发酵技术，在工业化生产中较难满足此工艺的要求，在实际工业化生产中，影响发酵液中溶氧量的因素众多，特别是在低溶氧条件下，很难通过通气进行溶氧微调，不能准确控制发酵液中的氧气水平；（2）通过基因工程改造菌株，韩国等科研人员采用基因工程敲除木糖醇脱氢酶基因，从而抑制木糖醇向木酮糖转化，但是在反应过程中需要大量添加价格相对昂贵的甘油做底物，以维持细胞的正常生长和代谢活动，残留的甘油严重干扰后续木糖醇的分离纯化，工业化价值不高。目前，木糖转化成木糖醇最高得率70％~80％，对于菌株的优化控制尚未出现经济、成熟的方法，影响木糖醇经济化和规模化生产。

发明内容

木糖醇代谢受到NADPH依赖的木糖还原酶和NAD⁺-依赖的木糖醇脱氢酶活性的调控，NADPH依赖的木糖还原酶活性增加提高木糖的吸收转化效率，生产更多的木糖醇；NAD⁺ -依赖的木糖醇脱氢酶催化木糖醇生成木酮糖，过量表达降低木糖醇的生产效率。因此，通过对氧化性辅因子NAD和还原性辅因子NADPH的调控能够有效影响木糖醇在细胞内的代谢。

为提高木糖醇的转化效率，本发明采用两步发酵方法实现木糖醇的高效转化和积累，第一步是通过高溶氧发酵实现微生物快速增殖；第二步是通过氧化还原电位控制实现木糖醇快速积累。本发明的创新之处在于两点：

（1）通过控制葡萄糖和木糖的浓度和比例，控制微生物繁殖速度，缩短达到平台期时间，有助于微生物从生物量向木糖醇生产的高效转化；

（2）通过调控氧化还原电位的强度，控制胞内还原性辅酶因子和氧化性辅酶因子的比例，既要保证微生物高活力，避免早衰，也要降低木糖醇向木酮糖的转化率，提高木糖醇转化率。

为提高木糖醇的转化率，本发明提供一种木糖醇的发酵生产方法。

具体的生产操作步骤如下：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为6-10%，发酵时间36小时，培养温度28~30℃，罐压0.6~0.8kg/cm²，搅拌转速250~300转/分钟，酸碱度pH5~5.5；

发酵前期为自然氧化还原电位，发酵前期的通气量为3~3.5 升/分钟，发酵前期的发酵时间为24小时；发酵中后期的氧化还原电位为-150~-190 mV，氧化还原电位的控制是通过流速为3~4毫升/分钟流加葡萄糖溶液实现的，流加葡萄糖的溶液浓度为40%~50%，发酵中后期的通气量为0.1~0.3 升/分钟；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖40~50 g/升、木糖100~120 g/升、酵母提取物15~20 g/升、磷酸二氢钾4~5 g/升、硫酸镁0.1~0.3 g/升。酵母提取物由蛋白质含量丰富的食用酵母为原料，采用生物技术，将酵母细胞内的蛋白质、核酸等进行降解后精制而成的，酵母提取物中的主要成份为氨基酸、肽、多肽以及酵母细胞的水溶性成分。

本发明采用两步法发酵步骤生产木糖醇，与目前常规的发酵方法相比较，具有如下优势：

1.本发明是在掌握嗜鞣管囊酵母发酵产木糖醇的规律基础上，结合嗜鞣管囊酵母的生物量增殖特征、发酵过程中溶氧的动态变化，以及底物碳源的变化规律，在发酵起始阶段按照一定比例混合葡萄糖和木糖，一方面是为提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，减少整个发酵时间，另一方面，为保证嗜鞣管囊酵母生长进入平台期后，残留的葡萄糖能够平衡发酵溶液中的氧化还原电位；

2.葡萄糖调控氧化还原电位，本发明在发酵前期，高通气量增加溶氧水平，提高嗜鞣管囊酵母繁殖速度，缩短发酵时间；在发酵中后期后，通气量0.1~0.3升/分钟，通过葡萄糖浓度调控氧化还原电位水平，实现发酵精确调控；对低溶氧调控，常规的溶氧控制受到发酵体系溶氧不均衡和溶氧检测灵敏度等因素的影响，难以精确控制，本发明在掌握溶氧与氧化还原电位变化规律的基础上，以设定氧化还原电位参数为依据，采用流加葡萄糖的方法实现溶氧精确调控；

3.本发明在500升的发酵罐中生产，发酵时间缩短至36小时，获得的木糖醇浓度为104 g/升，木糖的消耗率为95%，木糖醇转化率为99%，木糖醇的生成速率为7.23g/升小时，与常规发酵相比，木糖醇转化率提高了10%，木糖醇的生成速率提高了7%。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明作进一步地描述。

本发明使用的材料来源：嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）购于中国科学院普通微生物菌种保藏中心；葡萄糖、木糖、磷酸二氢钾、硫酸镁为国药集团化学试剂有限公司生产，500升发酵罐为连云港百仑生化科技有限公司制造；氧化还原电位为FJA-6型氧化还原电位（ORP）去极化法全自动测定仪。以上来源适合下面所有实施例。

酵母提取物由蛋白质含量丰富的食用酵母为原料，采用生物技术，将酵母细胞内的蛋白质、核酸等进行降解后精制而成的；酵母提取物中的主要成份为氨基酸、肽、多肽以及酵母细胞的水溶性成分，购于国药集团化学试剂有限公司。

实施例1：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为8%，发酵时间36小时，培养温度29℃，罐压0.6 kg/cm²，搅拌转速300转/分钟，酸碱度pH5；

发酵前期为自然氧化还原电位，发酵前期的通气量为3升/分钟，发酵前期的发酵时间为24小时；发酵中后期的氧化还原电位为-150 mV，氧化还原电位的控制是通过流速为3毫升/分钟流加葡萄糖溶液实现的，流加葡萄糖的溶液浓度为40%，发酵中后期的通气量为0.1升/分钟；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖50 g/升、木糖100 g/升、酵母提取物15 g/升、磷酸二氢钾4 g/升、硫酸镁0.1 g/升。

实施例2：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为6%，发酵时间36小时，培养温度30℃，罐压0.6 kg/cm²，搅拌转速280转/分钟，酸碱度pH5；

发酵前期为自然氧化还原电位，发酵前期的通气量为3~3.5升/分钟，发酵前期的发酵时间为24小时；发酵中后期的氧化还原电位为-150 mV，氧化还原电位的控制是通过流速为4毫升/分钟流加葡萄糖溶液实现的，流加葡萄糖的溶液浓度为50%，发酵中后期的通气量为0.15升/分钟；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖40 g/升、木糖120 g/升、酵母提取物20 g/升、磷酸二氢钾5 g/升、硫酸镁0.3 g/升。

实施例3：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为8%，发酵时间36小时，培养温度30℃，罐压0.8 kg/cm²，搅拌转速300转/分钟，酸碱度pH5；

发酵前期为自然氧化还原电位，发酵前期的通气量为3.5升/分钟，发酵前期的发酵时间为24小时；发酵中后期的氧化还原电位为-180 mV，氧化还原电位的控制是通过流速为3毫升/分钟流加葡萄糖溶液实现的，流加葡萄糖的溶液浓度为50%，发酵中后期的通气量为0.3 升/分钟；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖45 g/升、木糖110 g/升、酵母提取物18 g/升、磷酸二氢钾4.5 g/升、硫酸镁0.15 g/升。

实施例4：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为7%，发酵时间36小时，培养温度28℃，罐压0.7 kg/cm²，搅拌转速250转/分钟，酸碱度pH5；

发酵前期为自然氧化还原电位，发酵前期的通气量为3.3 升/分钟，发酵前期的发酵时间为24小时；发酵中后期的氧化还原电位为-150 mV，氧化还原电位的控制是通过流速为3.5毫升/分钟流加葡萄糖溶液实现的，流加葡萄糖的溶液浓度为45%，发酵中后期的通气量为0.15 升/分钟；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖50 g/升、木糖100g/升、酵母提取物20 g/升、磷酸二氢钾5 g/升、硫酸镁0.1 g/升。

Claims

1.一种木糖醇的发酵生产方法，其特征在于：

将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）接入发酵培养基，接入量为6-10%，发酵时间36小时，培养温度28~30℃，罐压0.6~0.8 kg/cm²，搅拌转速250~300转/分钟，酸碱度pH5~5.5；

所述发酵培养基的原料和重量：葡萄糖40~50 g/升、木糖100~120 g/升、酵母提取物15~20 g/升、磷酸二氢钾4~5 g/升、硫酸镁0.1~0.3 g/升；

所述酵母提取物由蛋白质含量丰富的食用酵母为原料，采用生物技术，将酵母细胞内的蛋白质、核酸等进行降解后精制而成的，酵母提取物中的主要成份为氨基酸、肽、多肽以及酵母细胞的水溶性成分。