CN113527176A - 一种从发酵液中提取分离色氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种从发酵液中提取分离色氨酸的方法，所述方法包括以下步骤：发酵液的预处理—阳离子交换树脂粗提—大孔吸附树脂纯化—脱色脱盐—冷冻干燥。本发明的方法不仅简易，便于操作，而且在保证高收率的基础上得到的样品纯度较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种氨基酸的分离纯化方法，特别涉及一种从发酵液中提取并分离纯化L-色氨酸的方法。
背景技术
L-色氨酸是组成蛋白质的常见20种氨基酸之一，也是人体和动物所必需的8种必需氨基酸之一，又被称为第二必需氨基酸。L-色氨酸由于其特殊的结构和生物学功能及其代谢产物对机体的作用，具有调节蛋白质合成、提高免疫能力、增强5－羟色氨酸代谢、缓解紧张情绪、提高睡眠质量等生理功能，在人和动物的生长发育以及新陈代谢过程中有着非常重要的作用，因此被广泛应用于食品、饲料添加剂、医药、农业及环境监测等方面。
L一色氨酸的生产最早主要是依靠化学合成法和蛋白质水解法制造。随对微生物法生产色氨酸的研究的不断发展，人们开始利用微生物法发酵生产色氨酸。现已走向实用并且处于主导地位。微生物法大体可分为微生物发酵法和酶促转化法，近年来还出现了直接发酵法和化学合成法，直接发酵法和转化法相结合生产色氨酸的研究。另外，基因工程、酶的固定化和高密度培养等技术在微生物育种和酶工业上的应用极大地推动了直接发酵法和酶法生产色氨酸的工业化进程。
和其他生物工程产品一样，L-色氨酸生产也常常会受到生产成本的制约，而在生产成本的构成中，分离纯化等下游工程的成本占相当的比例，从发酵液中提取分离色氨酸的常用方法为：发酵液通过膜过滤或者絮凝剂沉淀除掉菌体蛋白，料液通过离子交换固定床吸附、解吸色氨酸，达到除杂目的，解析液通过活性炭去除色素，最后通过浓缩、结晶干燥获得成品。但该工艺生产存在流程长，操作繁琐，设备投资大，废水多，多次过滤导致收率低等一系列问题。
2010.08.25公开的申请号为CN201010158401.1的中国发明专利公开了一种从发酵液中分离提取色氨酸的新方法，利用超滤膜过滤料液以除去蛋白和色素，但其不仅造价昂贵，且孔径微小极容易发生堵塞，又由于色氨酸溶解度较低，结晶后容易被膜截留，从而造成产品的损失，多级膜处理进一步降低产品的收率。
2010.05.19公开的申请号为200910211061.1的中国发明专利公开了一种L-色氨酸的提取方法，最后获得的解析液利用活性炭脱色，活性炭无法彻底去除，影响产品的质量
发酵液是一个极其复杂的多相体系，如何釆用有效的措施将L-色氨酸从发酵液中分离提取出来，从而提高其总收率，是目前L-色氨酸工业生产上一个亟需解决的问题。随着分离纯化技术的进步，树脂种类的不断更新换代，使得分离工艺大为改观，离子交换技术用于色氨酸的提取分离已有较多成功先例，但将阳离子交换树脂和大孔吸附树脂结合，利用双树脂提取纯化发酵液中的色氨酸，采用色谱三号进行脱色还未见报道。
发明内容
为解决现有技术中操作复杂、生产成本高、产品收率低和纯度低等技术问题，本发明提供一种从发酵中提取分离L-色氨酸的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种从发酵中提取分离L-色氨酸的方法，包括如下步骤：
1)将发酵液pH调至10-10.5，搅拌一定时间使发酵液被充分碱化后，固液分离得到滤液；
2)将滤液pH调节至3-4后，用离子交换树脂进行富集；
3)将步骤2)中的树脂进行净化后，用解析液解吸，收集得到色氨酸粗提液；
4)将色氨酸粗提液进行浓缩后，调节pH至7.5-8导入大孔吸附树脂柱，预洗树脂柱后用解吸液进行解吸并收集组分，得色氨酸解吸液；
5)将色氨酸解吸液浓缩后，调节pH至7.5-8再次上样至洁净的大孔吸附树脂柱，利用大量去离子水洗去样品中的色素和酸，再利用高浓度极性溶剂进行解吸，得解吸液；
6)减压浓缩去除解吸液中的有机溶剂后，冷冻干燥得到高纯度的色氨酸固体。
进一步的，所述步骤1)中，搅拌时间为30min-60min，固液分离的方法为高速离心。
进一步的，所述步骤2)中离子交换树脂为D004阳离子交换树脂，其构型独立的选自钠型、氢型或氨型，优选自钠型。
进一步的，所述步骤3)中净化树脂采用pH为7-8的纯水，用量为4-5BV。所述解吸液为0.5M氨水，其用量为3-6BV。
进一步的，所述步骤4)、步骤5)和步骤6)中的浓缩和除去有机溶剂均为减压浓缩，旋蒸温度低于70℃。
进一步的，步骤4)中所述的大孔吸附树脂可选自罗门哈斯公司的XAD-1600、苏州纳微的NM200、上海华震公司的色谱三号和HZ20SS，优选自上海华震公司的色谱三号。
进一步的，步骤4)中所述的大孔吸附树脂柱预洗是采用pH为7-8的纯水，所述纯水用量为4-5BV。
进一步的，步骤4)中所述的调节pH试剂为体积百分比浓度为0.5％乙酸，所述预洗树脂柱的溶液为纯水或0.5％乙酸水溶液，所述的解吸液为体积百分比浓度为0.1-5％乙醇溶液和体积百分比浓度为0.5％乙酸组成的混合溶液；更优选为体积百分比浓度为0.5％乙醇溶液和体积百分比浓度为0.5％乙酸组成的混合溶液。
进一步的，步骤5)中所述的大孔吸附树脂为色谱三号，所述的高浓度极性溶液为体积百分比浓度为80％乙醇溶液。确认
本发明采用阳离子交换树脂和大孔吸附树脂相结合的方法，阳离子交换树脂除去大部分蛋白和色素，对发酵液中的色氨酸进行粗提取，再利用大孔吸附树脂(色谱三号)对粗提液进一步分离纯化。所述工艺省去了超滤膜过滤操作，有效解决传统色氨酸提取过程中成本高、工序繁多、操作复杂、耗时、收率低等问题，并减少了设备及其维护成本。最后利用再生后的色谱三号对色氨酸进行脱盐脱色，树脂及乙醇均能重复回收利用，减少资源浪费，杜绝了使用活性炭脱色造成的固体废碳排放，且提高了色氨酸的收率和最终产品的纯度。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步描述本发明的技术方案，下述实施例仅仅是本发明的典型实施例，本发明保护范围并不局限于实施例所述内容。
下述实施例中，除非另有说明，所涉及的溶液百分比浓度均为体积百分比。
本发明实施例所涉及的色氨酸含量的检测方法如下：
取发酵液450ul，加入等量的0.15MNaOH震荡混合均匀后超声15min，4500r/min离心10min后，取上清液过微孔滤膜，滤液即为待检测液。色谱柱：Aglea-XBP C8柱(4.6mm×250mm，5um)；流动相为0.1％三氟乙酸(A)∶乙腈(B)，梯度洗脱0→5→25→27min，A∶B＝95∶5→80∶20→95∶5→95∶5；流速1.0ml/min；检测波长230nm；柱温30℃；进样量20ul。
实施例1阳离子交换树脂粗提取
现有技术发酵所得的色氨酸发酵液3.2L，将发酵液用5M NaOH溶液调节pH＝10.1，充分搅拌50min后进行离心，得到离心上清液2.3L，效价为1450mg/L(3.34g)。将离心液调节pH至3.5经600ml钠型D004阳离子交换树脂吸附，依次用5BV纯水以2BV/h的流速洗去部分杂质和色素，5BV的0.5M氨水以1BV/h的流速洗脱，获得纯度72％的色氨酸粗提液3L，效价为915mg/L(2.745g)，收率为84.19％。
实施例2阳离子交换树脂粗提取
现有技术发酵所得的色氨酸发酵液3L，将发酵液用5M NaOH溶液调节pH＝10.3，充分搅拌30min后进行离心，得到离心上清液2.2L，效价为1250mg/L(2.75g)。将离心液调节pH至3.3经500ml氢型D004阳离子交换树脂吸附，依次用4BV纯水以2BV/h的流速洗去部分杂质和色素，5BV的0.5M氨水以1BV/h的流速洗脱，获得纯度55％的色氨酸粗提液2.5L，效价为730mg/L(1.825g)，收率为66.36％。
实施例3阳离子交换树脂粗提取
现有技术发酵所得的色氨酸发酵液3.3L，将发酵液用5M NaOH溶液调节pH＝10.4，充分搅拌60min后进行离心，得到离心上清液2.5L，效价为1400mg/L(3.5g)。将离心液调节pH至3.5经600ml氨型D004阳离子交换树脂吸附，依次用4BV纯水以2BV/h的流速洗去部分杂质和色素，5BV的0.5M氨水以1BV/h的流速洗脱，获得纯度68％的色氨酸粗提液3L，效价为820mg/L(2.46g)，收率为70.29％。
实施例4不同大孔吸附树脂的对比
将实施例1中的色氨酸粗提液采用减压浓缩后，将pH调节至8，将体积等分成4份(每份100ml，每份含产品0.68g)，分别导入已再生平衡好的大孔吸附树脂柱(XNM200、HZ20SS、XAD-1600和色谱三号)，然后先用500ml纯水净化树脂柱，再用5％乙醇和0.5％乙酸混合溶液洗脱，收集浓度较高的组分，组成解吸混合液，进行HPLC检测，检测各项结果如表1：
表1各种树脂初纯效果
| 树脂名称 | 上样量 | 解吸混合液含产品量 | 产品纯度 | 收率 |
| NM200 | 0.68g | 0.6g | 86％ | 88％ |
| HZ20SS | 0.68g | 0.58g | 82.4％ | 85.3％ |
| XAD-1600 | 0.68g | 0.54g | 81％ | 79.4％ |
| 色谱三号 | 0.68g | 0.63g | 86.5％ | 92.6％ |
实施例5色谱三号洗脱液中不同乙醇浓度的对比
将实施例2和3中的色氨酸粗提液合并后并减压浓缩至500ml,单位为6850mg/L，pH调节至7.5，取100ml粗提液(685mg)，导入已平衡好的200ml色谱三号树脂柱中，上样完毕，先用5BV纯水以1BV/h的流速预洗柱子，再用5BV0.5％乙酸洗脱粗提液中极性较大的杂质，最后用4BV0.5％乙酸和0.1％乙醇混合液进行解吸，获得纯度为93％的洗脱液800ml。洗脱液浓缩后调节pH至7.8后重新导入至再生好的色谱三号树脂柱中，先用5BV纯水洗去色素、酸和盐后，再用2BV80％乙醇洗脱色氨酸，经浓缩、冷冻干燥获得色氨酸成品纯度为94％，收率为82％。
实施例6色谱三号洗脱液中不同乙醇浓度的对比
将实施例2和3中的色氨酸粗提液合并后并减压浓缩至500ml,单位为6850mg/L，pH调节至7.5，取100ml粗提液(685mg),导入已平衡好的200ml色谱三号树脂柱中，上样完毕，先用5BV纯水以1BV/h的流速预洗柱子，再用5BV0.5％乙酸洗脱粗提液中极性较大的杂质，最后用4BV0.5％乙酸和0.5％乙醇混合液进行解吸，获得纯度为95％的洗脱液800ml。洗脱液浓缩后调节pH至7.5后重新导入至再生好的色谱三号树脂柱中，先用5BV纯水洗去色素、酸和盐后，再用2BV80％乙醇洗脱色氨酸，经浓缩、冷冻干燥获得色氨酸成品纯度为95.5％，收率为92％。
实施例7色谱三号洗脱液中不同乙醇浓度的对比
将实施例2和3中的色氨酸粗提液合并后并减压浓缩至500ml,单位为6850mg/L，pH调节至7.5，取100ml粗提液(685mg),导入已平衡好的200ml色谱三号树脂柱中，上样完毕，先用5BV纯水以1BV/h的流速预洗柱子，再用5BV0.5％乙酸洗脱粗提液中极性较大的杂质，最后用4BV0.5％乙酸和2％乙醇混合液进行解吸，获得纯度为90％的洗脱液800ml。洗脱液浓缩后调节pH至7.5后重新导入至再生好的色谱三号树脂柱中，先用5BV纯水洗去色素、酸和盐后，再用2BV80％乙醇洗脱色氨酸，经浓缩、冷冻干燥获得色氨酸成品纯度为90.3％，收率为93.4％。
实施例8色谱三号洗脱液中不同乙醇浓度的对比
将实施例2和3中的色氨酸粗提液合并后并减压浓缩至500ml，pH调节至7.5，取100ml导入已平衡好的500ml色谱三号树脂柱中，先用500ml纯水以1BV/h的流速冲洗柱子，再用500ml0.5％乙酸洗脱粗提液中极性较大的杂质，最后用4BV0.5％乙酸和5％乙醇混合液进行解吸，获得纯度为84％的洗脱液800ml。洗脱液浓缩后调节pH至8后重新导入至再生好的色谱三号树脂柱中，先用5BV纯水洗去色素、酸和盐后，再用2BV80％乙醇洗脱色氨酸，经浓缩、冷冻干燥获得色氨酸成品纯度为85.9％，收率为95.6％。
通过实施例5到8的结果对比，可以发现当洗脱液为0.5％乙酸和0.5％乙醇混合液时，洗脱得到的样品纯度最高，且收率较高。
Claims (9)
1.一种从发酵中提取分离L-色氨酸的方法，包括如下步骤：
1)将发酵液pH调至10-10.5，搅拌一定时间使发酵液被充分碱化后，固液分离得到滤液；
2)将滤液pH调节至3-4后，用离子交换树脂进行富集；
3)将步骤2)中的树脂进行净化后，用解析液解吸，收集得到色氨酸粗提液；
4)将色氨酸粗提液进行浓缩后，调节pH至7.5-8导入大孔吸附树脂柱，预洗树脂柱后用解吸液进行解吸并收集组分，得色氨酸解吸液；
5)将色氨酸解吸液浓缩后，调节pH至7.5-8再次上样至洁净的大孔吸附树脂柱，利用大量去离子水洗去样品中的色素和酸，再利用高浓度极性溶剂进行解吸，得解吸液；
6)减压浓缩去除解吸液中的有机溶剂后，冷冻干燥得到高纯度的色氨酸固体。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)搅拌时间为30min-60min，固液分离的方法为高速离心。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)中的离子交换树脂为D004阳离子交换树脂，其构型独立的选自钠型、氢型或氨型，优选自钠型。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3)中净化树脂采用pH为7-8的纯水，用量为4-5BV；所述解吸液为0.5M氨水，其用量为3-6BV。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)、步骤5)和步骤6)中所述的浓缩和除去有机溶剂均为减压浓缩，旋蒸温度低于70℃。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中所述的大孔吸附树脂可选自罗门哈斯公司的XAD-1600、苏州纳微的NM200、上海华震公司的色谱三号和HZ20SS，优选自上海华震公司的色谱三号。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中所述的大孔吸附树脂柱预洗是采用pH为7-8的纯水，所述纯水用量为4-5BV。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中所述的调节pH试剂为体积百分比浓度为0.5％乙酸，所述预洗树脂柱的溶液为纯水或体积百分比浓度为0.5％乙酸水溶液，所述的解吸液为体积百分比浓度为0.1-5％乙醇溶液和体积百分比浓度为0.5％乙酸组成的混合溶液；更优选为体积百分比浓度为0.5％乙醇溶液和体积百分比浓度为0.5％乙酸组成的混合溶液。
9.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5)所述的大孔吸附树脂为色谱三号，所述的高浓度极性溶液为体积百分比浓度为80％乙醇溶液。
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