CN106337064A - 一种l-苹果酸的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种L-苹果酸生产方法,属于生物工程技术领域。本发明在大肠杆菌BER108纯厌氧生产琥珀酸的基础上通过有氧诱导,将培养基中的琥珀酸、乙酸作为底物催化,转化为苹果酸。并且对苹果酸有氧转化阶段的转化条件如温度、催化底物浓度等进行了优化。最终有氧转化温度在35℃,转化时长在48h左右,苹果酸浓度能够达到82g/l以上,显著提高了大肠杆菌生产苹果酸性能,为苹果酸的生产与研究提供了借鉴与思路。
Description
技术领域
本发明涉及生物化工领域,更具体的,本发明涉及一种L-苹果酸的生产方法。
背景技术
苹果酸作为生物炼制中重要的有机酸及碳四平台化合物,被广泛应用于化工、医药、食品及材料等行业,其发展空间巨大。
目前,苹果酸的生产方法有:化学合成法、酶转化法、微生物发酵法等。化学合成法生产的苹果酸,一般是以石油基为原料,经过化学合成的方法生产。主要包括反丁烯二酸或顺丁烯二酸经高温高压催化加水等几种方法。虽然化学合成法生产成本较低,但其生产的苹果酸产品为DL型,不易被人体吸收且具有一定的毒副作用,限制了其在食品、医药行业的广泛应用。酶转化法生产L-苹果酸主要以富马酸酶转化富马酸为主,因此原料依然依赖于高纯度化学合成的富马酸,其生产过程存在原料价格昂贵、生产污染大、产品中杂酸含量偏高等缺点。微生物发酵法因具有原料来源丰富、产品成本低廉、杂酸含量低、食用安全性高等优势今年来日益受到重视。
在主要的L-苹果酸生产菌株中,野生菌方面:黄曲霉发酵具有较高的产物浓度达到113g/l及生产速率(0.59g/l/h),但因生产菌株具有潜在代谢毒素隐患影响产品在食品等领域的应用;利用根霉进行生产具有一定优势,但缺点亦较多:如发酵产物浓度低、发酵副产物难分离、发酵过程难控制等。大肠杆菌基因背景清楚、培养基成份简单且易培养,目前已有产苹果酸重组大肠杆菌的相关报道,最高水平是通过敲除产琥珀酸大肠杆菌KJ073中的富马酸还原酶、富马酸酶、苹果酸酶基因获得的重组大肠杆菌XZ658,经过有氧-厌氧两步发酵,厌氧阶段培养72 h苹果酸浓度达到34g/L,收率为1.42 mol/mol,生产速率0.47 g/L/h。但高产苹果酸的同时乳酸的产量也明显增多,进一步敲除丙酮酸激酶基因pykA或pykB,乳酸产量下降同时苹果酸的产量明显下降。所以目前发酵法制备苹果酸的技术水平距离工业应用还有一定的距离。
发明内容
本发明的目的在于通过各项调控手段,大幅提高苹果酸的终浓度和合成速率,减少副产物富马酸的生成,建立一种新型高效合成苹果酸的方法。为了实现本发明的目的,本发明采用了以下技术方案:
一种L-苹果酸的生产方法,在大肠杆菌(Escherichia coli)BER108
CCTCC NO: M2012068纯厌氧法产琥珀酸过程结束后进行有氧诱导,将培养基中的琥珀酸、乙酸作为底物催化,转化为苹果酸。
大肠杆菌BER108纯厌氧法产琥珀酸具体过程为:将大肠杆菌BER108按体积比1%(v/v)的接种量接入种子培养基中有氧培养,有氧培养菌体至OD=3时,按接种量10%(v/v)接入装有2L发酵培养基的3L发酵罐中厌氧培养,通入CO2,接种后一次性补加葡萄糖至120g/l,发酵条件为37℃,pH=6.8,搅拌速度为200r/min。
所述的种子培养基的配方为:蛋白胨10g/l,酵母粉5g/l,NaCl 5g/l;所述发酵培养基的配方为:Citric Acid,3.0 g/L;Na2HPO4∙7H2O,3.0 g/L;KH2PO4,8.00 g/L;(NH4)2HPO4,8.00 g/L;NH4Cl,0.20 g/L;(NH4)2SO4,0.75 g/L;MgSO4∙7H2O,1.00 g/L;CaCl2∙2H2O,10.0 mg/L;ZnSO4∙7H2O,0.5 mg/L;CuCl2∙2H2O,0.25 mg/L;MnSO4∙H2O,2.5 mg/L;CoCl2∙6H2O,1.75 mg/L;H3BO3,0.12 mg/L;Al2(SO4
)3∙xH2O,1.77 mg/L;Na2MoO4∙2H2O,0.5 mg/L;Fe(III) citrate,16.1 mg/L,甜菜碱1mmol/L,121℃高压灭菌15分钟;VB1,20 mg/L;Biotin 2 mg/L;600 g/L高浓度葡萄糖溶液单独灭菌补加。
进一步地,在大肠杆菌BER108纯厌氧法产琥珀酸过程结束后,残糖浓度为0时转为有氧催化,用稀H2SO4将pH控制在6.8。所述的有氧催化在30~40℃的温度下进行,优选温度为35℃,根据溶氧控制转速,保持DO>10%,有氧催化时长为24h~60h,优选时长为48h。
进一步地,通过厌氧发酵产琥珀酸的浓度为90g/l~100g/l。
本发明的有益效果在于本发明将厌氧发酵产琥珀酸与有氧催化产苹果酸相结合,提高了葡萄糖转化为苹果酸的转化率,提高了苹果酸的产量。筛选出了最优转化条件,提高了合成效率,为安全、高效的生物法生产苹果酸提供了参考与借鉴。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的内容仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。
实施例
1
:
本发明所使用的出发菌株大肠杆菌(Escherichia coli)BER108的来源:在中国专利局或国际专利组织承认的中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心进行了专利程序保藏(保藏编号:CCTCC NO: M2012068)的,并在本申请日之前已授权(专利号201210138292,授权公告日2013年4月17日,授权公告号CN102643770B)的生物材料。
本实施例中,用大肠杆菌BER108发酵产琥珀酸的具体方法如下:
将大肠杆菌BER108按1%(v/v)的接种量接入种子培养基中有氧培养,有氧培养菌体至OD=3时,按接种量10%(v/v)将种子液接入装有2 L培养基的3L发酵罐中有氧培养,通入CO2,接种后一次性补加葡萄糖至120g/l,发酵条件为37℃,pH=6.8,搅拌速度为200r/min。
其中,所述的种子培养基的配方为:蛋白胨10g/l,酵母粉5g/l,NaCl 5g/l。
所述发酵培养基的配方为:):Citric Acid,3.0 g/L;Na2HPO4∙7H2O,3.0 g/L;KH2PO4,8.00 g/L;(NH4)2HPO4,8.00 g/L;NH4Cl,0.20 g/L;(NH4)2SO4,0.75 g/L;MgSO4∙7H2O,1.00 g/L;CaCl2∙2H2O,10.0 mg/L;ZnSO4∙7H2O,0.5 mg/L;CuCl2∙2H2O,0.25 mg/L;MnSO4∙H2O,2.5 mg/L;CoCl2∙6H2O,1.75 mg/L;H3BO3,0.12 mg/L;Al2(SO4
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实施例
2
:
本实施例中,将琥珀酸转化为苹果酸的具体方法如下:
在实施例1发酵结束时,即当残糖浓度为0时结束厌氧培养,给发酵罐通氧气转为有氧培养,根据溶氧控制转速,保持DO>10%。并且用稀H2SO4将pH控制在6.8。转化期间每隔12 h提取发酵液。后期通过HPLC检测各时间段发酵液中的琥珀酸,苹果酸,乙酸,富马酸等的含量。
实施例
3
:
本实施例中,在实施例1发酵结束时,结束厌氧发酵,改为有氧培养,转化温度30℃,pH 6.8,根据溶氧控制转速,保持DO>10%。转化期间每隔12h提取发酵液。后期通过HPLC检测各时间段发酵液中酸的含量。可得到60 h时,琥珀酸60.27 g/l,苹果酸17.56 g/l,转化效率为18.4%,此时为苹果酸产量达到最高。
实施例
4
:
本实施例中,在实施例1发酵结束时,结束厌氧发酵,改为有氧培养,转化温度35℃,pH 6.8,根据溶氧控制转速,保持DO>10%。转化期间每隔12 h提取发酵液。后期通过HPLC检测各时间段发酵液中酸的含量。可得到48h时,琥珀酸4.45 g/l,苹果酸82.42 g/l,转化效率为86.7%,此时为苹果酸产量达到最高。
实施例
5
:
本实施例中,在实施例1发酵结束时,结束厌氧发酵,改为有氧培养,转化温度40℃,pH6.8,根据溶氧控制转速,保持DO>10%。转化期间每隔12h提取发酵液。后期通过HPLC检测各时间段发酵液中酸的含量。可得到24h时,琥珀酸55.87g/l,苹果酸28.11 g/l,转化效率为29.6%,此时为苹果酸产量达到最高。
Claims (6)
1.一种L-苹果酸的生产方法,其特征在于:在大肠杆菌(Escherichia coli)BER108 (CCTCC
NO: M2012068)纯厌氧法产琥珀酸过程结束后进行有氧诱导,将培养基中的琥珀酸、乙酸作为底物催化,转化为苹果酸。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:大肠杆菌BER108纯厌氧法产琥珀酸具体过程为:将大肠杆菌BER108按体积比1%(v/v)的接种量接入种子培养基中有氧培养,有氧培养菌体至OD=3时,按接种量10%(v/v)接入装有2L发酵培养基的3L发酵罐中厌氧培养,通入CO2,接种后一次性补加葡萄糖至120g/l,发酵条件为37℃,pH=6.8,搅拌速度为200r/min。
3.根据权利要求2所述的方法,所述的种子培养基的配方为:蛋白胨10g/l,酵母粉5g/l,NaCl 5g/l;所述发酵培养基的配方为:Citric Acid,3.0 g/L;Na2HPO4∙7H2O,3.0 g/L;KH2PO4,8.00 g/L;(NH4)2HPO4,8.00 g/L;NH4Cl,0.20 g/L;(NH4)2SO4,0.75 g/L;MgSO4∙7H2O,1.00 g/L;CaCl2∙2H2O,10.0 mg/L;ZnSO4∙7H2O,0.5 mg/L;CuCl2∙2H2O,0.25 mg/L;MnSO4∙H2O,2.5 mg/L;CoCl2∙6H2O,1.75 mg/L;H3BO3,0.12 mg/L;Al2(SO4
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4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:在大肠杆菌BER108纯厌氧法产琥珀酸过程结束后,残糖浓度为0时转为有氧催化,用稀H2SO4将pH控制在6.8。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述的有氧催化在30~40℃的温度下进行,优选温度为35℃,根据溶氧控制转速,保持DO>10%,有氧催化时长为24h~60h,优选时长为48h。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,通过厌氧发酵产琥珀酸的浓度为90g/l~100g/l。
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