CN114181268B - 一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，利用第一色谱分离出木糖，得到提取液和提余液，提取液用于制备结晶木糖，提余液与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行调配，利用耐高渗、转化率高的解脂耶氏酵母发酵生产赤藓糖醇，再利用赤藓糖醇溶解度低，易结晶特性，先进行离心结晶处理得到赤藓糖醇晶体，赤藓糖醇的离心母液经第二色谱分离得到阿拉伯糖含量高的提余液，然后再制备得到阿拉伯糖晶体。本发明实现了木糖母液的高效利用，在得到木糖和阿拉伯糖的同时，利用其中葡萄糖生产附加值更高的赤藓糖醇，降低了发酵成本，增加了经济效益。
Description
技术领域
本发明属于木糖母液利用技术领域，特别涉及一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法。
背景技术
在生产木糖醇过程中，产生大量的木糖母液，木糖母液中杂糖含量高，常常作为副产物销售用于制作焦糖色素等，附加值低。木糖母液中木糖含量在40％～60％，葡萄糖10％～20％，阿拉伯糖15％～20％，甘露糖0～10％，半乳糖0～5％。关于木糖母液的处理和利用的方法屡见不鲜，主要是提取其中的木糖和阿拉伯糖。为了降低提取分离难度，利用细菌或酵母菌进行发酵，葡萄糖或半乳糖作为菌体生长的碳源被消耗完，从而提高木糖和阿拉伯糖的提取效率。
公开号CN112094956A的专利利用酿酒酵母连续发酵木糖母液，消耗掉葡萄糖，利用色谱分离提纯木糖和阿拉伯糖。公告号CN101705253B的专利利用二次发酵将母液中木糖变成木糖醇，同时提纯阿拉伯糖。公告号CN102603814B的专利同样的是利用酵母发酵除去稀释至20％的木糖母液中的葡萄糖和半乳糖，得到木糖和阿拉伯糖清液。公告号CN101857523B的专利利用发酵除去母液中葡萄糖和半乳糖，将过滤清液经过脱色、离交、浓缩，进行氢化，制备木糖醇和阿拉伯糖醇，后经色谱分离两组分，结晶得到两种成品。公告号CN102952165B的专利也是利用发酵除去葡萄糖和半乳糖，再根据结晶特性的不同，分离出阿拉伯糖的晶体。公开号CN109504733A的专利采用毕赤酵母和出芽短梗霉菌混合菌发酵，生产赤藓糖醇，虽然碳源使用的是木糖母液，但赤藓糖醇浓度很低，仅40g/L左右。以上所述的专利技术多数是通过菌株发酵，除去葡萄糖或半乳糖，进一步分离木糖和阿拉伯糖，提高其纯度。但都存在一定的局限性，由于木糖母液中糖度高，细菌一般不适合生长，多用耐高渗透酵母进行高好氧发酵，对压缩空气的需求大，同时稀释后的母液量大，葡萄糖全部利用完需要菌体量更多，需进行多次扩培，发酵时长在48h或更长，虽然能达到提纯的目的，但能源消耗，生产周期及成本则大大增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，降低木糖母液利用成本，在实现分离木糖和阿拉伯糖的同时，提高葡萄糖的利用价值，利用酵母发酵生产附加价值产物赤藓糖醇，提高赤藓糖醇的产量。
本发明是这样实现的，提供一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
步骤一、木糖母液经模拟移动床第一色谱分离处理后分别得到木糖组分含量高的木糖提取液和葡萄糖组分含量高的木糖提余液，将木糖提取液进行浓缩和结晶处理后得到木糖晶体。
步骤二、将木糖提余液进行浓缩至固形物含量30％～50％，葡萄糖含量为9％～14％，再与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行调配得到葡萄糖混合液，在葡萄糖混合液中，葡萄糖含量为40％～50％。
步骤三、将预先制备的解脂耶氏酵母种子液接种到发酵罐的发酵培养基中，同时加入步骤二的葡萄糖混合液后进行发酵，得到发酵液，发酵液的葡萄糖含量＜0.3％；发酵液过滤后得到发酵滤液，发酵滤液依次经过脱色、离交、浓缩、离心及结晶处理后分别得到赤藓糖醇晶体和赤藓糖醇离心母液。
步骤四、赤藓糖醇离心母液经过模拟移动床第二色谱分离处理后分别得到赤藓糖醇组分含量高的赤藓糖醇提取液和阿拉伯糖组分含量高的赤藓糖醇提余液，将赤藓糖醇提取液与步骤三中的发酵滤液混合，将赤藓糖醇提余液依次进行脱色、离交、浓缩、结晶处理后得到阿拉伯糖晶体。
与现有技术相比，本发明的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，利用第一色谱分离出木糖，得到提取液和提余液，提取液用于制备结晶木糖，提余液与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行调配，利用耐高渗、转化率高的解脂耶氏酵母发酵生产赤藓糖醇，再利用赤藓糖醇溶解度低，易结晶特性，先进行离心结晶处理得到赤藓糖醇晶体，赤藓糖醇的离心母液经第二色谱分离得到阿拉伯糖含量高的提余液，然后再制备得到阿拉伯糖晶体。本发明实现了木糖母液的高效利用，在得到木糖和阿拉伯糖的同时，利用其中葡萄糖生产附加值更高的赤藓糖醇，同时通过与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行混合，一方面可以提高培养基中葡萄糖含量，提高了每批发酵中赤藓糖醇产量，另一方面提高每批发酵中母液的利用率，总体利用木糖母液提余液配比发酵液发酵制备赤藓糖醇，赤藓糖醇的浓度在156g/L以上，转化率在52％以上。本发明还降低了发酵成本，提高了木糖母液的附加值，增加了经济效益。
附图说明
图1为本发明木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1所示，本发明木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法的较佳实施例，包括如下步骤：
步骤一、木糖母液经模拟移动床第一色谱分离处理后分别得到木糖组分含量高的木糖提取液和葡萄糖组分含量高的木糖提余液，将木糖提取液进行浓缩和结晶处理后得到木糖晶体。
步骤二、将木糖提余液进行浓缩至固形物含量30％～50％(g/100mL，以下描述皆相同)，葡萄糖含量为9％～14％，再与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行调配得到葡萄糖混合液，在葡萄糖混合液中，葡萄糖含量为40％～50％。
步骤三、将预先制备的解脂耶氏酵母种子液接种到发酵罐的发酵培养基中，同时加入步骤二的葡萄糖混合液后进行发酵，得到发酵液，发酵液的葡萄糖含量＜0.3％；发酵液过滤后得到发酵滤液，发酵滤液依次经过脱色、离交、浓缩、离心及结晶处理后分别得到赤藓糖醇晶体和赤藓糖醇离心母液。
步骤四、赤藓糖醇离心母液经过模拟移动床第二色谱分离处理后分别得到赤藓糖醇组分含量高的赤藓糖醇提取液和阿拉伯糖组分含量高的赤藓糖醇提余液，将赤藓糖醇提取液与步骤三中的发酵滤液混合，赤藓糖醇提取液被回收利用，将赤藓糖醇提余液依次进行脱色、离交、浓缩、结晶处理后得到阿拉伯糖晶体。
具体地，在步骤三中，所述发酵培养基按以下比例配置：葡萄糖含量25％～32％、酵母膏0.5％～1％、玉米浆干粉0.3％～0.8％、硫酸镁0.03％～0.08％、柠檬酸铵0.2％～0.8％和磷酸氢二钾0.02％～0.05％。
具体地，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入试管斜面上培养得到试管斜面种子，在试管内预先准备试管斜面种子培养基，试管斜面种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％和琼脂1.5％～2％。
具体地，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入茄形瓶斜面上培养得到茄形斜面种子，在茄形瓶内预先准备茄形斜面种子培养基，茄形斜面种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％和琼脂1.5％～2％。
具体地，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入摇瓶中培养得到摇瓶种子液，在摇瓶内预先准备摇瓶种子培养基，摇瓶种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％、硫酸镁0.03％～0.08％和柠檬酸铵0.2％～0.7％。
具体地，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入发酵罐中培养得到发酵罐种子液，在发酵罐内预先准备发酵罐种子培养基，发酵罐种子培养基按以下比例配置：葡萄糖25％～30％、酵母膏0.5％～1.0％、蛋白胨0.3％～0.8％、硫酸镁0.03％～0.08％和柠檬酸铵0.2％～0.8％，接种量5％～10％，发酵初始pH6.0～7.0，发酵罐种子培养基的灭菌温度115℃～121℃，灭菌时间20min～30min。
下面结合具体实施例来进一步说明本发明的方法。
实施例1
本发明的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法的第一个实施例，包括如下步骤：
木糖母液经第一色谱分离处理后得到含木糖的提取液，提取液浓缩至固形物含量80％，蒸发结晶得到晶体木糖。提余液中各组分占比分别为，葡萄糖25％～32％、阿拉伯糖18％～25％、半乳糖5％～15％；将提余液进行浓缩至固形物40％，其中葡萄糖含量为12％，与晶体葡萄糖进行配比，使混合液的葡萄糖含量在45％，配制体系100L，同时按比例加入除葡萄糖以外发酵培养基配方中其他辅料，进行灭菌，备用。
发酵体系70L，共3批，采用过程补料的方式，具体操作如下：
发酵初始体积40L，培养基按照上述发酵培养基配方，培养基中初始葡萄糖含量为18％，配制好进行灭菌，备用。摇瓶种子分别使用500mL、5L摇瓶发酵，装液量分别为总体积的10％，培养20h～24h，当5L摇瓶中菌密度18～25(在600nm波长下，菌液的吸光值，简称OD值)时转至发酵罐内，接种量为8％，发酵温度30℃，转速为200rpm～400rpm，溶氧20％～30％，通气量为1.5Nm3/h，待发酵液中菌密度达到35～40，开始补加上述混合糖液至发酵罐体积到70L，连续补料过程保持发酵液中葡萄糖含量在17％～20％，补料完成后，继续发酵，当发酵液中葡萄糖含量＜0.3％时停止发酵。发酵结果如表1所示
表1实施例1的测试结果
| 批次一 | 批次二 | 批次三 | |
| 发酵时长/h | 102 | 97 | 100 |
| 赤藓糖醇浓度/(g/L) | 156.74 | 165.40 | 162.80 |
| 转化率/％ | 52.2 | 55.1 | 54.3 |
赤藓糖醇浓度均在156g/L以上，转化率≥52.2％。
发酵结束后，发酵液经过陶瓷膜过滤，得到上清液，经脱色、离交，浓缩至固形物含量68％，以5℃/h速度进行降温结晶，20h后经离心得到赤藓糖醇晶体。离心母液经模拟移动床第二色谱分离处理得到赤藓糖醇和阿拉伯糖组分，赤藓糖醇组分回到过滤上清液中，提高赤藓糖醇产量，阿拉伯糖组分纯度达到75％，经过浓缩，结晶，离心得到阿拉伯糖晶体。
实施例2
本发明的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法的第二个实施例，包括如下步骤：
提余液的获得和各组分占比与实施例1相同。将提余液进行浓缩至固形物50％，其中葡萄糖含量为14.3％，液体葡萄糖浓缩至葡萄糖含量65％，两种按体积4：6比例进行混合，使混合液的葡萄糖含量为45％，配制体系1000L，同时按比例加入除葡萄糖以外发酵培养基配方中其他辅料，进行灭菌，备用。
发酵体系700L，共3批，采用过程补料的方式，具体操作如下：
发酵初始体积400L，培养基按照上述发酵培养基配方，培养基中初始葡萄糖含量为18.7％，配制好进行灭菌，备用。试管斜面种子转接至500mL茄形瓶斜面，30℃，培养4～5天，每瓶中加入80mL无菌水洗下菌苔，分别转入5L摇瓶发酵，30℃培养20h～24h,菌密度18～25，转至两个50L种子罐内，装液量35L，发酵温度30℃，罐压0.1MPa，待菌密度达到20～25，其中一个种子罐内菌种转入1000L发酵罐，转速为180rpm～300rpm，溶氧20％～30％，通气量为16Nm3/h，待菌密度达到35～40，开始补入上述混合糖液300L，同时加入另一种子罐内新的种子液，连续补料过程保持发酵液中葡萄糖含量在17％～20％，补料完成后，继续发酵，当发酵液中葡萄糖含量＜0.3％时停止发酵，发酵体系中葡萄糖总浓度为30％。发酵结果如下：
| 批次一 | 批次二 | 批次三 | |
| 发酵时长/h | 104.5 | 101 | 106.5 |
| 赤藓糖醇浓度/(g/L) | 160.71 | 165.40 | 162.80 |
| 转化率/％ | 53.9 | 55.5 | 54.6 |
赤藓糖醇浓度均在160g/L以上，转化率≥53.9％。
发酵结束后，发酵液经过陶瓷膜过滤，得到上清液，经脱色、离交，浓缩至固形物含量65％，以6℃/h速度进行降温结晶，16h后离心得到赤藓糖醇晶体。离心母液经模拟移动床第二色谱分离处理得到赤藓糖醇和阿拉伯糖组分，同样的，赤藓糖醇组分重新回到过滤上清液中，阿拉伯糖组分纯度达到77％，经过浓缩，结晶，离心得到阿拉伯糖晶体。
实施例3
本发明的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法的第三个实施例，包括如下步骤：
提余液的获得和各组分占比与实施例1、实施例2相同。将提余液进行浓缩至固形物48％，其中葡萄糖含量为13.7％，加入550L，再投入380kg一水结晶葡萄糖和自来水,混合液的葡萄糖含量为42％，配制体系1000L，同时按比例加入除葡萄糖以外发酵培养基配方中其他辅料，进行灭菌，备用。
发酵体系700L，共3批，采用过程补料的方式，具体操作如下：
发酵初始体积400L，培养基按照上述发酵培养基配方，培养基中初始葡萄糖含量为20％，配制好进行灭菌，备用。试管斜面种子转接至500mL茄形瓶斜面，30℃，培养4～5天，每瓶中加入80mL无菌水洗下菌苔，分别转入5L摇瓶发酵，装液量800mL，30℃培养22h,菌密度18～25，转至两个50L种子罐内，装液量35L，发酵温度30℃，罐压0.1MPa，同样的，待菌密度达到20～25，其中一个种子罐内菌种转入1000L发酵罐，转速为180～300rpm，溶氧20％～30％，通气量为15Nm3/h，待菌密度达到35～40，开始补入上述混合糖液300L，同时加入另一种子罐内新的种子液，连续补料过程保持发酵液中葡萄糖含量在15％～18％，当发酵液中葡萄糖含量＜0.3％时停止发酵，发酵体系中总葡萄糖含量为30％。发酵结果如下：
| 批次一 | 批次二 | 批次三 | |
| 发酵时长/h | 99.5 | 104 | 102.5 |
| 赤藓糖醇浓度/(g/L) | 163.57 | 159.80 | 165.22 |
| 转化率/％ | 54.5 | 53.3 | 55.1 |
赤藓糖醇浓度均在159g/L以上，转化率≥53.3％。
发酵结束后，发酵液经过陶瓷膜过滤，得到上清液，经脱色、离交，浓缩至固形物含量67％，以6℃/h速度进行降温结晶，18h后离心得到赤藓糖醇晶体。离心母液经模拟移动床第二色谱分离处理得到赤藓糖醇和阿拉伯糖组分，同样的，赤藓糖醇组分重新回到过滤上清液中，阿拉伯糖组分纯度达到78％，经过浓缩，结晶，离心得到阿拉伯糖晶体。
对比例1
利用固形物30％的色谱提余液直接发酵制备赤藓糖醇，初始葡萄糖含量为7.2％，除不进行补料发酵工艺外，其他过程采用实施例1的70L发酵体系和发酵控制，发酵结束后赤藓糖醇为31.6g/L，转化率43.8％。
对比例2
利用固形物30～40％的色谱提余液与晶体葡萄糖、液体葡萄糖及一水葡萄糖配比后，全部配置成作为初始发酵培养基使用，初始葡萄糖含量为21％，除不进行补料发酵工艺外，其他过程采用实施例1的70L发酵体系和发酵控制，直接发酵，发酵结束后赤藓糖醇为64.5g/L，转化率30.0％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、木糖母液经模拟移动床第一色谱分离处理后分别得到木糖组分含量高的木糖提取液和葡萄糖组分含量高的木糖提余液，将木糖提取液进行浓缩和结晶处理后得到木糖晶体；
步骤二、将木糖提余液进行浓缩至固形物含量30％～50％，葡萄糖含量为9％～14％，再与液体葡萄糖或晶体葡萄糖进行调配得到葡萄糖混合液，在葡萄糖混合液中，葡萄糖含量为40％～50％；
步骤三、将预先制备的解脂耶氏酵母种子液接种到发酵罐的发酵培养基中，同时加入步骤二的葡萄糖混合液后进行发酵，得到发酵液，发酵液的葡萄糖含量＜0.3％；发酵液过滤后得到发酵滤液，发酵滤液依次经过脱色、离交、浓缩、离心及结晶处理后分别得到赤藓糖醇晶体和赤藓糖醇离心母液；
步骤四、赤藓糖醇离心母液经过模拟移动床第二色谱分离处理后分别得到赤藓糖醇组分含量高的赤藓糖醇提取液和阿拉伯糖组分含量高的赤藓糖醇提余液，将赤藓糖醇提取液与步骤三中的发酵滤液混合，将赤藓糖醇提余液依次进行脱色、离交、浓缩、结晶处理后得到阿拉伯糖晶体。
2.如权利要求1所述的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，在步骤三中，所述发酵培养基按以下比例配置：葡萄糖含量25％～32％、酵母膏0.5％～1％、玉米浆干粉0.3％～0.8％、硫酸镁0.03％～0.08％、柠檬酸铵0.2％～0.8％和磷酸氢二钾0.02％～0.05％。
3.如权利要求1所述的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入试管斜面上培养得到试管斜面种子，在试管内预先准备试管斜面种子培养基，试管斜面种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％和琼脂1.5％～2％。
4.如权利要求1所述的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入茄形瓶斜面上培养得到茄形斜面种子，在茄形瓶内预先准备茄形斜面种子培养基，茄形斜面种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％和琼脂1.5％～2％。
5.如权利要求1所述的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入摇瓶中培养得到摇瓶种子液，在摇瓶内预先准备摇瓶种子培养基，摇瓶种子培养基按以下比例配置：葡萄糖20％～25％、酵母膏0.8％～1.5％、硫酸镁0.03％～0.08％和柠檬酸铵0.2％～0.7％。
6.如权利要求1所述的木糖母液联产赤藓糖醇和阿拉伯糖的方法，其特征在于，在步骤三中，所述预先制备的解脂耶氏酵母种子液按照如下方法制备：将解脂耶氏酵母菌株接入发酵罐中培养得到发酵罐种子液，在发酵罐内预先准备发酵罐种子培养基，发酵罐种子培养基按以下比例配置：葡萄糖25％～30％、酵母膏0.5％～1.0％、蛋白胨0.3％～0.8％、硫酸镁0.03％～0.08％和柠檬酸铵0.2％～0.8％，接种量5％～10％，发酵初始pH6.0～7.0，发酵罐种子培养基的灭菌温度115℃～121℃，灭菌时间20min～30min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Aijuan Inventor after: Luo Jiaxing Inventor after: Hu Changhui Inventor after: Liao Chengjun Inventor after: Zheng Yi Inventor after: Fang Shuncheng Inventor after: Li Mian Inventor after: Other inventors ask not to disclose names Inventor before: Wu Aijuan Inventor before: Luo Jiaxing Inventor before: Hu Changhui Inventor before: Yang Mingqian Inventor before: Liao Chengjun Inventor before: Zheng Yi Inventor before: Fang Shuncheng |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |