CN105132476A - 一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，涉及生物催化糖合成糖酸的技术领域。主要特征：在含有葡萄糖和木糖的混合糖液或者木质纤维素水解液中，以1g/L～10g/L氧化葡萄糖酸杆菌为生物催化剂，在供氧条件下共催化葡萄糖和木糖合成糖酸。添加一定浓度含锌离子和三价铁离子的金属盐以选择性抑制细胞对葡萄糖酸的分解代谢作用，而对木糖和葡萄糖的脱氢催化反应几乎没有影响，进而达到细胞共催化高效合成葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)产品的效果，并且有效缩短反应时间。采用本方法，葡萄糖和木糖的利用率达到100％，葡萄糖酸的得率超过70％，木糖酸的得率超过92％，产品葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)的总浓度可以超过30％(质量浓度)。

Description

一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法

一、技术领域

本发明涉及生物催化糖合成糖酸的技术领域，特别涉及一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法。

二、背景技术

葡萄糖酸和木糖酸作为多羟基有机酸类生物基化学品可以作为食品、饲料添加剂、水泥减水剂、分散剂、缓释剂、混凝土黏接剂、增塑剂、玻璃清洗剂、冶金除锈剂、金属离子螯合剂、纺织助漂剂、农药悬浮剂和鞣革剂和水体稳定剂等，广泛应用于食品、医药、饲料养殖、化工和环保等多种行业。糖酸的制备生产方法主要包括化学法及生物法，其中化学法一般需要采用无机催化剂、反应条件较苛刻、存在副产物和环境污染较大，相比而言生物法工艺条件温和，生产过程绿色环保，具有更加广阔的应用前景。

目前，利用经定向驯化的氧化葡萄糖酸杆菌株(Gluconobacteroxydans)NL71，在通氧加压全细胞催化反应条件下可以高效、快速催化单一的C6糖类(包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖)、C5糖类(包括木糖、阿拉伯糖)碳骨架上的C1醛基转化成羧酸根生成对应的糖酸(盐)，最高糖酸产品浓度、单位体积生产速率和底物转化率分别达到600g/L、3.72g/(L.h)和99％以上(CN201310167758.X；ZhouXin，etal，BiochemicalEngineeringJournal，2015)，达到了很高的生产水平。

在木质纤维素尤其是草类和阔叶材原料的水解液中同时含有以葡萄糖和木糖为多种糖组分，利用全细胞共催化技术直接合成葡萄糖酸和木糖酸产品有望实现木质纤维资源糖组分的高效、全值化转化与利用。但是，在多种糖组分共存的反应体系中，氧化葡萄糖酸杆菌优先快速催化葡萄糖生成葡萄糖酸，包括木糖在内的其它糖类的生物氧化均会受到葡萄糖不同程度抑制而产生延滞效应，同时生成的葡萄糖酸也会被细胞迅速进一步分解代谢而大量消耗，最终造成葡萄糖酸产品得率的严重损失(ZhouXin，etal，Bioresources，2015；ZhouXin，etal，BiochemicalEngineeringJournal，2015)，因此直接以氧化葡萄糖酸杆菌全细胞催化木质纤维素水解液难以实现多种糖组分共催化同步高效合成糖酸的目的。

三、发明内容

发明目的：在含有葡萄糖组分的多种糖共存反应体系中，添加适量的二价锌和三价铁离子，利用两种金属离子的协同作用对氧化葡萄糖酸杆菌细胞中葡萄糖酸分解代谢反应途径进行选择性抑制，阻遏并减少细胞对葡萄糖催化产品葡萄糖酸的消耗，但同时两种离子对细胞的葡萄糖和木糖催化脱氢反应几乎没有抑制作用，从而实现木质纤维素水解液多种糖组分高效共催化同时制取葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)产品的目的。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，包括以下步骤：

(1)在含有100g/L％～300g/L葡萄糖和木糖的混合糖液或者木质纤维素水解液中，接入细胞浓度为1g/L～10g/L的氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans)细胞作为生物催化剂，控制反应体系的溶氧浓度等于或不低于1mg/L，pH值等于或不低于3.0；

(2)在步骤(1)的基础上，添加含有二价锌和三价铁离子至两种金属离子的总浓度为5g/L～20g/L，其中锌离子的浓度占比不低于30％。利用两种金属离子的协同作用选择性地抑制细胞葡萄糖酸的分解代谢途径，而对细胞催化木糖和葡萄糖脱氢生成对应糖酸的反应影响较小；

(3)采用步骤(1)和(2)使反应体系中的葡萄糖和木糖均被完全利用，葡萄糖酸的得率达到70％，木糖酸的得率达到92％，产品葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)的总浓度可达到30％(质量浓度)。

所述的所述反应体系中的底物为所有含有葡萄糖，木糖或任意组合型反应底物。

所述的金属离子调控物为所有含有二价锌和三价铁离子或任意组合型的化合物，添加形式为含有两种离子的金属盐固体或溶液。

所述的生物催化剂为氧化葡萄糖酸杆菌或以它为宿主菌的基因重组菌株或其它遗传改良菌株。

有益效果：本发明通过添加一定浓度的金属离子锌和铁的协同作用，在不影响细胞对木糖和葡萄糖催化氧化制取木糖酸和葡萄糖酸前提下，选择性地抑制氧化葡萄糖酸杆菌细胞葡萄糖酸分解代谢途径，以阻遏和减少细胞对葡萄糖酸酸的利用，达到细胞共催化多种糖组分高效合成葡萄糖酸和木糖酸的效果。与现有的技术相比，能够显著提高细胞共催化多种糖组分同步合成葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)的产品得率，同时缩短反应时间，有效提高整体生产效益。

四、附图说明

图1是未添加二价锌和三价铁离子全细胞共催化葡萄糖和木糖合成糖酸的反应历程图；图中，横座标表示反应时间(h)，主纵座标表示单糖及对应糖酸的浓度(g/L)，次纵座标表示糖酸的产品得率(％)；

图2是添加氧化锌和三氧化二铁(4.5g/L锌离子和3.5g/L铁离子)全细胞共催化葡萄糖和木糖合成有机酸的反应历程图；图中，横座标表示反应时间(h)，主纵座标表示糖及糖酸的浓度(g/L)，次纵座标表示糖酸的产品得率(％)。

五、具体实施方式

实施案例1

在3.0L机械通风式反应罐中，加入1.5L的葡萄糖和木糖混合液，其中葡萄糖和木糖的初始浓度分别为75g/L和25g/L。通入氧气并密封罐体维护气压在0.01～0.10MPa，接入氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度1.0g/L进行全细胞催化反应。采用pH电极监测并以30％(w/w)氢氧化钠溶液在线自动流加调节反应体系的pH值3.0～6.0。采用溶氧电极监测并控制反应液中的溶氧浓度不低于1mg/L。添加8/L氧化锌固体和12g/L三氧化二铁固体。反应直至葡萄糖和木糖消耗完全时停止反应获得葡萄糖酸钠和木糖酸钠产品液。产品中葡萄糖酸和木糖酸的浓度分别达到58.6g/L和25.7g/L，对应的产品得率分别达到71.7％和92.9％。

实施案例2

在10L机械通风式反应罐中，加入7.0L木质纤维素水解液浓缩液，其中葡萄糖和木糖的浓度分别为202g/L和95g/L。通入氧气并密封罐体维护气压在010～0.10MPa，接入氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度10g/L进行全细胞催化反应。采用pH电极监测并以30％(w/w)NaOH溶液在线自动流加调节反应体液的pH值5.0。采用溶氧电极监测并结合搅拌速率调节以控制反应液中的溶氧浓度不低于1mg/L。添加氯化锌和三氯化铁浓溶液至反应体系中两种金属盐浓度分别达到10g/L氯化锌和20g/L三氯化铁。反应直至葡萄糖和木糖消耗完全时停止反应获得葡萄糖酸钠和木糖酸钠产品液。产品中葡萄糖酸和木糖酸的浓度分别达到163.5g/L和99.8g/L，对应的产品得率分别达到74.3％和94.9％。

Claims (5)

1.一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在含有100g/L～300g/L萄糖和木糖的混合糖液或者木质纤维素水解液中，接入细胞浓度为1g/L～10g/L的氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans)细胞作为生物催化剂，控制反应体系的溶氧浓度等于或不低于1mg/L，pH值等于或不低于3.0；

(2)在步骤(1)的基础上，添加含有正二价锌离子和正三价铁离子的金属盐至两种离子的总浓度为5g/L～20g/L，其中锌离子占比不低于30％。利用两种金属离子的协同作用选择性地抑制细胞葡萄糖酸的分解代谢途径，而对细胞催化木糖和葡萄糖脱氢生成对应糖酸的反应影响较小；

(3)采用步骤(1)和(2)使反应体系中的葡萄糖和木糖均被完全催化转化，葡萄糖酸的得率超过70％，木糖酸的得率超过92％，产品葡萄糖酸(盐)和木糖酸(盐)的总浓度可以达到30％(质量浓度)。

2.根据权利要求1所述的一种金属离子选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，其特征在于：反应体系指所有含有木糖、葡萄糖或者任意组合型的反应基质。

3.根据权利要求1所述的一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，其特征在于：反应体系指所有含有二价锌、三价铁元素或者任意组合型的化合物固体或溶液。

4.根据权利要求1所述的一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，其特征在于：所述的催化产物是指包括木糖酸(盐)、葡萄糖酸(盐)或者任意组合型的化合物。

5.根据权利要求1所述的一种金属离子协同选择性调控全细胞共催化合成多种糖酸的方法，其特征在于：所述微生物菌株为氧化葡萄酸杆菌GluconobacterOxydans及任何以它为宿主菌的基因重组菌株或者遗传改良菌株。