CN107164417A - 一种ε‑聚赖氨酸的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物发酵工程技术领域，具体涉及一种ε‑聚赖氨酸的生产方法，包括将制得的含有ε‑聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附后依次经过氨水解吸和减压浓缩处理。通过使用离子交换技术，以氨水为洗脱剂进行解吸，避免了以往工艺中后续脱盐的繁琐步骤，提高生产效率，降低成本，成本下降30%；同时采用减压浓缩的方式，使得在相对低的温度下氨水解吸后的洗脱液中多余的铵根离子在加压浓缩的过程中以氨气的形式挥发，避免色素颜色加深和蛋白变质，提高所生产的ε‑聚赖氨酸的纯度，使其纯度达到98%以上，收率提高24%以上。

Description

一种ε-聚赖氨酸的生产方法

技术领域

本发明涉及生物发酵工程技术领域，具体涉及一种ε-聚赖氨酸的生产方法。

背景技术

化学防腐剂对人体健康的影响，已经受到人们的高度关注，而天然防腐剂以其安全高效、对人体无毒副作用的优点受到人们推崇。ε-聚赖氨酸是日本学者于1977年从放线菌培养过滤液中提取出有25~30个赖氨酸残基的同型单体聚合物，它是由L-赖氨酸残基通过α-羧基和ε-氨基形成的酰胺键连接而成，故称为ε-聚赖氨酸。ε-聚赖氨酸作为一种天然的生物代谢产品，具有广谱抗菌性，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌、霉菌、噬菌体等均有良好的抑制作用，是目前天然防腐中具有优良防腐性能和巨大商业潜力的微生物类食品防腐剂，相比于山梨醇等传统化学食品防腐剂，ε-聚赖氨酸具有抑菌谱广、抑菌能力强、耐热、水溶性好、不影响食品风味、使用量低和安全性高等优点。

ε-聚赖氨酸的合成是 1947 年由 K L Ephraim 首先完成的，直到现在，除了化学合成法以外，还有酶法和生物合成等几种方法，其中，采用白色链霉菌(Streptomyeesalbulus)以葡萄糖为原料发酵制得的方法较为理想。白色链霉菌通过变异育种，可获得以葡萄糖为碳源高效率生产次生代谢产物的菌种，进而完成ε-聚赖氨酸的工业化生产。但ε-聚赖氨酸产量过低，导致生产成本提高，价格昂贵，限制了ε-聚赖氨酸的广泛应用。因此，近些年来人们也致力于通过改善发酵添加和发酵用添加剂来提高ε-聚赖氨酸的产量，但是其效果都不够显著。进而又逐渐致力于创新从发酵液中提取和提纯ε-聚赖氨酸的方法上，以希望能够提高ε-聚赖氨酸的产量，如中国专利CN101701069A公开了一种提取ε-聚赖氨酸及其盐的方法，依次通过将发酵液酸化、碱化、吸附、解吸、脱色、浓缩的方式得到ε-聚赖氨酸，然而利用这种方式从发酵液中提取出的ε-聚赖氨酸大多都结合了氯离子，也就是说实际提取得到的是ε-聚赖氨酸盐酸盐，而不是ε-聚赖氨酸，实际得到的ε-聚赖氨酸的纯度低，而且ε-聚赖氨酸盐酸盐的抑菌活性明显低于ε-聚赖氨酸，最终使得使用上述方法从发酵液中提取得到的ε-聚赖氨酸产品的防腐性能不理想。

为了获得纯度高的ε-聚赖氨酸，中国专利201610641559.1公开了一种ε-聚赖氨酸的生产方法，将发酵液依次经过过滤、简化、吸附、盐酸解吸、脱色处理后，调节清液的pH为碱性，并且再结合纳滤的方式，将盐酸解吸后生成的ε-聚赖氨酸盐酸盐转化为ε-聚赖氨酸，提高制备的ε-聚赖氨酸的纯度。但是该方法在脱色处理后需要再额外调节洗脱液的pH，而且如果pH控制不当有可能会引起产品的变质，同时又需要进行纳滤操作，增加了操作成本，操作过程繁琐，效率低。

因此，针对ε-聚赖氨酸生产方法进行进一步的创新和研究，提高ε-聚赖氨酸的纯度和产量的同时，提高其生产效率，降低其生产成本，简化工艺流程，成为了推动ε-聚赖氨酸工业化发展过程中亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种ε-聚赖氨酸的生产方法，提高ε-聚赖氨酸的纯度和收率的同时，简化工艺流程，提高生产效率，降低生产成本。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种ε-聚赖氨酸的生产方法，包括将制得的含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附后依次经过氨水解吸和减压浓缩处理。

可选的，所述氨水解吸为将完成吸附的阳离子树脂加入过量的氨水进行洗脱，得洗脱液，为ε-聚赖氨酸溶液。加入过量的氨水是为了确保能够将阳离子树脂上吸附的ε-聚赖氨酸完全洗脱下来，多余的氨水溶解在含有ε-聚赖氨酸的洗脱液中。

进一步可选的，所述氨水的摩尔浓度为0.1~0.5mol/L。

可选的，所述减压浓缩的压力为-0.3~-0.6MPa，温度为60~70℃。采用减压浓缩使得洗脱液在达到60~70℃时，其中溶解的氨水即可以氨气的形式排出，提高ε-聚赖氨酸的纯度，同时避免过高的温度造成的色素颜色加深和蛋白变性。

可选的，所述含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附的具体方法为：将发酵液经D155树脂上柱吸附至树脂达到饱和状态，之后用纯水洗涤吸附饱和的树脂，至洗涤液体澄清。

可选的，所述减压浓缩后还包括脱色处理；所述脱色处理为将减压浓缩后的ε-聚赖氨酸浓缩液升温至60±5℃，加入活性炭进行脱色，再进行板框过滤，得清液。

可选的，所述脱色处理后还包括喷雾干燥处理；所述喷雾干燥处理过程中设定进口温度为140±10℃，出口温度为83±15℃，流速为80~120L/h。

可选的，所述含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附前还包括将含有ε-聚赖氨酸的发酵液依次经过过滤、碱化处理；所述过滤为向发酵液中加入珍珠岩，然后进行板框过滤，得过滤液；所述碱化为将过滤后的发酵液的pH调整为碱性。其中珍珠岩在发酵液中的质量百分含量为1.5~2.5%。

可选的，所述含有ε-聚赖氨酸发酵液的具体制备方法为：取发酵用菌种配置菌液进行发酵15~22h后，调整发酵菌液的pH为4.1±0.2，之后持续不断的向发酵菌液中加入葡萄糖和生物素，并控制葡萄糖的质量百分含量为0.2~2%，生物素的浓度为700μg/L，发酵7~9天，即完成。

可选的，上述制备发酵液的过程中发酵起始配置菌液的质量浓度大于15%。

可选的，上述制备发酵液所用的菌种为链霉菌属白色链霉菌。

本发明ε-聚赖氨酸的生产方法，将含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子吸附树脂吸附后，加入氨水进行洗脱，铵根离子与ε-聚赖氨酸离子在吸附树脂上产生竞争吸附，其中铵根离子更易吸附在吸附树脂上，从而是ε-聚赖氨酸从吸附树脂上脱离，溶解在洗脱液中，为了确保将ε-聚赖氨酸完全从吸附树脂上洗脱下来，通常会采用过量的氨水，多余的氨水会溶解在洗脱液中，然后在后续的减压浓缩过程中，溶解在洗脱液中的氨水以氨气的形式随着水蒸气挥发去除，同时采用氨水洗脱不会引入其他干扰离子，不用增加相应的除盐设备，简化工艺流程，降低成本，提高所生产的ε-聚赖氨酸的纯度，使其纯度达到98%以上，ε-聚赖氨酸的收率提高24%以上，成本减少30%。

另外，采用减压浓缩的方式，可以降低洗脱液中氨气的挥发温度，避免过高的温度造成色素颜色加深和蛋白变性。

进一步的，本发明通过在发酵15~22h后，在发酵菌液中持续不断的加入生物素，进一步提高ε-聚赖氨酸的产量，使得ε-聚赖氨酸的发酵产量提高一倍。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

下述实施例中ε-聚赖氨酸发酵液由下述方法制备而得，具体操作步骤为：

（1）种子培养：种子罐经水清洗干净后，开始进行空消，之后将溶氧和pH电极校正准确后装入种子罐内，配种子培养基至种子罐，之后进行实消，降温至30℃，并将实消后降温至30℃的糖并至种子罐中；调节好种子培养所需控制的各参数，温度自动控制在30±1℃，溶氧大于30%，罐压在0.01-0.03mpa，pH调至6.8-7.0，之后用氨水自动控制在6.0；之后，将实验室培养好的斜面白色链霉菌菌种接种至种子罐中，培养14-22h，得发酵用菌种；

（2）发酵培养：发酵罐经水清洗干净后，开始进行空消，之后将溶氧和pH电极校正准确后装入发酵罐内，配发酵培养基至发酵罐，之后进行实消，降温至30℃，并将实消后降温至30℃的糖并至发酵罐中；调节好发酵培养所需控制的各参数，温度自动控制在30±1℃，溶氧大于30%，罐压在0.01-0.03mpa，pH调至6.0-6.2用氨水进行自动控制；将步骤1）制备的发酵用菌种移种至发酵罐中，使得菌种质量浓度达到15%以上，发酵15-22h，之后用氨水自动调整发酵液的pH为4.1±0.2，以无菌操作的方式一定速度连续流加葡萄糖和生物素，葡萄糖的残留量控制在0.2%-2%，生物素控制在500μg/l，发酵 7-9天，即制得发酵液。

利用上述方法制备的发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度达到50g/l，相对于未采用连续流加生物素的发酵方法，ε-聚赖氨酸的产量提高一倍。

实施例1

一种ε-聚赖氨酸的生产方法，具体操作步骤为：

1）取上述制备的发酵液，向发酵液中加入2%珍珠岩，进行板框过滤，得到过滤液，调整过滤液的pH为碱性，将碱性过滤液经D155树脂上柱吸附，吸附至饱和后用反渗透纯化水洗涤至洗涤液体澄清，然后将洗涤后的饱和树脂采用过量的摩尔浓度为0.3mol/L的氨水进行洗脱，制得ε-聚赖氨酸溶液；

2）将步骤1）制备的ε-聚赖氨酸溶液在-0.45MPa压力下，70℃温度下进行减压浓缩至设定的体积，加入活性炭，升温至60℃，进行脱色，之后再经过板框过滤，得到清液；

3）将步骤2）制备的清液进行喷雾干燥，控制进口温度为140±10℃，出口温度83±15℃，料液流速100L/h，得到白色或黄色粉末状产品，即为所述的ε-聚赖氨酸。

本实施例从发酵液中提取ε-聚赖氨酸的收率为78.9%，纯度达到99%。

实施例2

一种ε-聚赖氨酸的生产方法，具体操作步骤为：

1）取上述制备的发酵液，向发酵液中加入2.5%珍珠岩，进行板框过滤，得到过滤液，调整过滤液的pH为碱性，将碱性过滤液经D155树脂上柱吸附，吸附至饱和后用反渗透纯化水洗涤至洗涤液体澄清，然后将洗涤后的饱和树脂采用过量摩尔浓度为0.5mol/L的氨水进行洗脱，制得ε-聚赖氨酸溶液；

2）将步骤1）制备的ε-聚赖氨酸溶液在-0.6MPa压力下，60℃温度下进行减压浓缩，注意控制体积，加入活性炭，升温至65℃，进行脱色，之后再经过板框过滤，得到清液；

3）将步骤2）制备的清液进行喷雾干燥，控制进口温度为140±10℃，出口温度83±15℃，料液流速80L/h，得到白色或黄色粉末状产品，即为所述的ε-聚赖氨酸。

本实施例从发酵液中提取ε-聚赖氨酸的收率为80.2%，纯度达到98%。

实施例3

一种ε-聚赖氨酸的生产方法，具体操作步骤为：

1）取上述制备的发酵液，向发酵液中加入1.5%珍珠岩，进行板框过滤，得到过滤液，调整过滤液的pH为碱性，将碱性过滤液经D155树脂上柱吸附，吸附至饱和后用反渗透纯化水洗涤至洗涤液体澄清，然后将洗涤后的饱和树脂采用过量摩尔浓度为0.1mol/L的氨水进行洗脱，制得ε-聚赖氨酸溶液；

2）将步骤1）制备的ε-聚赖氨酸溶液在-0.3MPa压力下，65℃温度下进行减压浓缩，注意控制体积，加入活性炭，升温至55℃，进行脱色，之后再经过板框过滤，得到清液；

3）将步骤2）制备的清液进行喷雾干燥，控制进口温度为140±10℃，出口温度83±15℃，料液流速120L/h，得到白色或黄色粉末状产品，即为所述的ε-聚赖氨酸。

本实施例从发酵液中提取ε-聚赖氨酸的收率为79.8%，纯度达到99%。

对比例1

一种ε-聚赖氨酸的生产方法，具体操作步骤为：

1）取上述制备的发酵液，向发酵液中加入2%珍珠岩，进行板框过滤，得到过滤液，调整过滤液的pH为碱性，将碱性过滤液经D155树脂上柱吸附，吸附至饱和后用反渗透纯化水洗涤至洗涤液体澄清，然后将洗涤后的饱和树脂采用摩尔浓度为0.3mol/L的氨水进行洗脱，制得ε-聚赖氨酸溶液；氨水的用量同实施例1；

2）将步骤1）制备的ε-聚赖氨酸溶液加入活性炭，升温至60℃，进行脱色，之后再经过板框过滤，得到清液；

3）将步骤2）制备的清液进行喷雾干燥，控制进口温度为140±10℃，出口温度83±15℃，料液流速100L/h，得到白色或黄色粉末状产品，即为所述的ε-聚赖氨酸。

本对比例从发酵液中提取得到的白色或黄色粉末状产品存在结合了NH₄ ⁺的ε-聚赖氨酸，ε-聚赖氨酸的纯度仅达到80.2%，收率为54.3%。

结论：相比对比例在氨水洗脱后不进行减压浓缩，直接进行脱色干燥，本发明方法中减压浓缩后，氨水带入的NH₄ ⁺形成氨气挥去，使产品中无其他干扰离子，使得ε-聚赖氨酸的纯度由80.2%提高至98%以上，收率由54.3%提高至78.9%左右，收率提高了24.6%。

Claims (10)

1.一种ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，包括将制得的含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附后依次经过氨水解吸和减压浓缩处理。

2.如权利要求1所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述氨水解吸为将完成吸附的阳离子树脂加入过量的氨水进行洗脱，得洗脱液，为ε-聚赖氨酸溶液；所述氨水的摩尔浓度为0.1~0.5mol/L。

3.如权利要求1或2所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述减压浓缩的压力为-0.3~-0.6MPa，温度为60~70℃。

4.如权利要求1或2所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附的具体方法为：将发酵液经D155树脂上柱吸附至树脂达到饱和状态，之后用纯水洗涤吸附饱和的树脂，至洗涤液体澄清。

5.如权利要求1或2所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述减压浓缩后还包括脱色处理。

6.如权利要求5所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述脱色处理为将减压浓缩后的ε-聚赖氨酸浓缩液升温至60±5℃，加入活性炭进行脱色，再进行板框过滤，得清液。

7.如权利要求5所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述脱色处理后还包括喷雾干燥处理。

8.如权利要求7所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述喷雾干燥处理过程中设定进口温度为140±10℃，出口温度为83±15℃，流速为80~120L/h。

9.如权利要求1或7所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述含有ε-聚赖氨酸的发酵液采用阳离子树脂吸附前还包括将含有ε-聚赖氨酸的发酵液依次经过过滤、碱化处理。

10.如权利要求9所述的ε-聚赖氨酸的生产方法，其特征在于，所述过滤为向发酵液中加入珍珠岩，然后进行板框过滤，得过滤液；所述碱化为将过滤后的发酵液的pH调整为碱性。