CN115650845A - 一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，属于生物化工生产技术领域。本发明利用氧化葡萄糖酸杆菌生物催化木糖发酵生产高浓度木糖酸钾发酵液，发酵液经离心分离制得木糖酸钾清液，再经浓缩和干燥制得木糖酸钾固体，采用无水甲醇溶剂充分溶解形成木糖酸钾均相溶液，然后滴加浓硫酸混匀实现酸化反应与结晶过程同步进行，最终获得高纯度木糖酸结晶。本申请通过生物催化技术与结晶技术的联用，基于木糖原料首次获得了高纯度木糖酸结晶，为木糖的高效转化与利用提供了新的方法与技术。

Description

一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法

技术领域

本发明属于生物化工生产技术领域，更具体地说，涉及一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法。

背景技术

木糖酸源于自然界中第二丰富的糖(木糖)的选择性氧化，是一种很有前途的有机酸，被美国能源部确定为30种高价值化学物质之一。木糖酸有广泛的应用潜力，包括食品、制药原料和造纸、1、2、4-丁三醇前体、有机转化的高效生物催化剂、羟基酸和粘胶纤维可以混合以获得具有冷却效果的纤维织物、基于木糖酸开发新型非能量型食用酸味剂、冰爽纤维混纺剂等。

木糖酸可以在实验室中通过电化学氧化法或化学氧化法产生。然而，这些过程需要高温、高压或使用贵金属来获得高产量和选择性，并造成严重的环境污染。国内外有关木糖酸生产和应用的研究仅见于少量文献中，且主要集中在20世纪70～80年代，对微生物生产木糖酸的代谢及纯化生产途径知之甚少，有待于进一步研究。木糖酸由木糖氧化而来，而木糖是半纤维素水解液的主要产物。利用半纤维素中的木糖来生产木糖酸，将显著降低生产成本，加速木糖酸的工业化生产，同时可以提高半纤维素的附加值，有效利用农业废弃物，对于农业废弃物中木质纤维素的利用以及环境保护和可持续发展均具有重要意义。木糖转化为木糖酸的生物效率高，产量高，具有广阔的发展前景。绿色有效的生物转化技术引起了人们对葡萄糖酸杆菌对木糖至木糖酸生物路径的关注。

从有机酸的纯化相关技术来说，结晶是一种长期建立的分离技术，是制备和分离固体产品的重要工具，但由于木糖酸独特的多羟基结构，使得木糖酸亲水性极强，溶解度非常高，即使在空气中也能立即潮解，这一特征使得通过结晶的方式纯化制备木糖酸产品从未有人真正实现过。由于晶体的晶格对化合物分子结构的微小变化非常敏感，结晶更有助于获得高纯度物质，因此，以晶体的方式从发酵液中有效分离高纯度的木糖酸具有重要的工业应用价值。并且，目前仅有相关的木糖酸盐晶体的分析报道，而纯木糖酸晶体的制备及结构分析研究在科学界尚属空白。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法：从含有木糖酸钾的发酵液中提取木糖酸钾，然后以所述木糖酸钾为原料，通过浓硫酸-甲醇溶剂体系制备木糖酸晶体。

进一步地，所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，包括如下步骤：

(1)将含有木糖酸钾的发酵液离心后获取上清，经浓缩、冷冻干燥，得到木糖酸钾；

(2)将步骤(1)所得木糖酸钾溶于甲醇，得到木糖酸钾甲醇溶液；

(3)向木糖酸钾甲醇溶液中滴加98％浓硫酸；

(4)滴加完毕后将体系于低温环境中静置，产生木糖酸晶体。

进一步地，步骤(1)中所述含有木糖酸钾的发酵液的制备方法为：将氧化葡萄糖酸杆菌接种于含有木糖的培养基中进行发酵培养，培养结束后使用氢氧化钾调节pH至12-14。

进一步地，步骤(1)中所述浓缩的具体方法为：将上清加热到40-60℃，蒸干至含水量为20％以下。

进一步地，步骤(2)中所述木糖酸钾甲醇溶液中木糖酸钾与甲醇质量比为0.8～1.2∶2，所述甲醇为无水甲醇。

进一步地，步骤(3)所述木糖酸钾溶液中木糖酸钾的质量与98％浓硫酸的质量比＜3。

进一步地，步骤(4)所述低温环境的具体温度为：0-4℃。

任一所述的方法制备得到的木糖酸晶体。

所述的木糖酸晶体在晶体分析、药物研究或食品制作中的应用。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明建立了一种木糖酸结晶策略：采用无水甲醇溶剂充分溶解形成木糖酸钾匀相溶液，然后滴加浓硫酸混匀实现酸化反应与结晶过程同步进行，最终获得高纯度木糖酸结晶。本方法充分利用甲醇作为酸化缓冲剂和结晶溶剂，以经济、简便的方式从发酵液中高效分离制备大量、高纯度木糖酸晶体，所得木糖酸晶体可用于木糖酸晶体结构的科学分析研究等，解决了业内难题；

(2)本发明方法步骤简单，设计合理，易于实施，能够用于木糖酸晶体的工业生产，具有极高的经济价值。

附图说明

图1为滴加了98％浓硫酸的木糖酸钾溶液上清液图；

图2为木糖酸结晶过程的HPLC谱图(S1、S2为取样位置)；

图3为冰水浴4h后的木糖酸结晶图(木糖酸晶体粘附于瓶子底部)；

图4为木糖酸结晶过程图；

图5为产物木糖酸晶体的核磁共振谱图及HPLC谱图；

图6为氧化葡萄糖酸杆菌催化木糖生物制备高纯度木糖酸的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。以下实施例中如无特殊说明，所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均为购买得到的。

以下实施例所使用的氧化葡萄糖酸杆菌NL71是以ATCC 621-H菌株为出发菌株进行长期驯化选育的菌株(氧化葡萄糖酸杆菌为ATCC 621-H菌株，来源于美国标准生物品收藏中心(American type culture collection，ATCC)。

种子培养基：山梨醇50g/L；酵母粉5g/L。

增殖培养基：山梨醇100g/L；酵母粉10g/L。

发酵罐体系催化培养基：木糖100g/L(分批补料)，葡萄糖2.5g/L，硫酸镁0.5g/L，磷酸二氢钾1g/L，磷酸氢二钾2g/L，硫酸铵5g/L，酵母粉15g/L，采用KOH或NaOH或CaCO₃调节pH。

实施例1：

制备木糖酸钠发酵液，包括以下步骤：

将氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans NL71)经过种子培养基和增殖培养基培养后，接种于装有2.0L催化培养基的3-L发酵罐中进行通气培养，培养条件具体为：通气量3vvm，温度30℃，压强0.02-0.0MPa，转速300rpm。发酵72h后，发酵液中木糖酸钠含量可达400g/L左右，添加过量的NaOH粉末进行中和，调节pH值至12-14。

制备木糖酸钙发酵液，包括以下步骤：

将氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans NL71)经过种子培养基和增殖培养基培养后，接种于装有2.0L催化培养基的3-L发酵罐中进行通气培养，培养条件具体为：通气量3vvm，温度30℃，压强0.02-0.0MPa，转速300rpm。发酵72h后，发酵液中木糖酸钙含量可达100-200g/L左右，添加过量的CaCO₃粉末进行中和，调节pH值至6-7。

制备木糖酸钾发酵液，包括以下步骤：

将氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans NL71)经过种子培养基和增殖培养基培养后，接种于装有2.0L催化培养基的3-L发酵罐中进行通气培养，培养条件具体为：通气量3vvm，温度30℃，压强0.02-0.0MPa，转速300rpm。发酵72h后，发酵液中木糖酸钾含量可达400g/L左右，添加过量的KOH粉末进行中和，调节pH值至12-14。经检测分析，木糖酸钾发酵液中的成分及含量如下表所示：

成分	含量(g/L)
		木糖酸钾	400
菌体	0.68
		硫酸镁	0.5
磷酸二氢钾	1
		磷酸氢二钾	2
硫酸铵	5
		葡萄糖酸钾/2-酮基葡萄糖酸钾	2.5
其它	15

实施例2：从木糖酸钠发酵液制备木糖酸晶体

将实施例1中获得的木糖酸钠发酵液离心后去除氧化葡萄糖酸杆菌细胞等沉淀，保留上清液，然后将所得上清液在55℃左右浓缩至含水量为18-20％，呈黄色透明胶状溶液，然后将其在-78℃下冷冻干燥12h，得到木糖酸钠冻干固体。得到的木糖酸钠难溶于甲醇中无法进行酸化结晶。

实施例3：从木糖酸钙发酵液制备木糖酸晶体

将实施例1中获得的木糖酸钙发酵液离心后去除氧化葡萄糖酸杆菌细胞等沉淀，保留上清液，然后将所得上清液在55℃左右浓缩至含水量为18-20％，呈黄色透明胶状溶液，然后将其在-78℃下冷冻干燥12h，得到木糖酸钙冻干固体。尽管木糖酸钙溶于甲醇但木糖酸钙中的钙离子会与过量的硫酸根离子直接生成硫酸钙沉淀无法得到纯净的木糖酸晶体。

实施例4：从木糖酸钾发酵液制备木糖酸晶体

将实施例1获得的高浓度木糖酸钾发酵液离心后去除氧化葡萄糖酸杆菌细胞等沉淀，保留上清液，然后将所得上清液在55℃左右浓缩至含水量为18-20％，呈黄色透明胶状溶液，然后将其在-78℃下冷冻干燥12h，得到木糖酸钾冻干固体。

将木糖酸钾冻干固体在加热条件下溶于纯甲醇中(木糖酸钾冻干固体与甲醇质量比为1∶2左右)，然后离心并保留木糖酸钾-甲醇溶液。

将98％浓硫酸滴加在离心得到的木糖酸钾-甲醇溶液中，由于过量添加98％浓硫酸会导致木糖酸钾发生碳化，所以98％浓硫酸添加量为：溶液中木糖酸钾的质量与98％浓硫酸的质量比＜3。由于浓硫酸密度大于甲醇溶液，因此，加完浓硫酸后，可观察到溶液分层现象，上层主要为黄色的木糖酸钾-甲醇溶液，下层主要为浓硫酸(图1-2)。经色谱检测表明，木糖酸根离子进入下层浓硫酸后，迅速与氢离子结合形成木糖酸晶体，而在上层的木糖酸根离子仍为游离态。如图2所示，下层的木糖酸根离子浓度仅为上层甲醇的1/21。

将滴加完浓硫酸的木糖酸钾-甲醇混合溶液进行4℃冰水浴0-48h，在下层溶液中的木糖酸先形成晶体(图3)，随后溶液中逐渐产生K₂SO₄结晶黏附于瓶壁。检测分析溶液中相关物质在0-48h过程中的含量，可分为三个阶段(图4)：

0-4h为第一阶段：仅形成木糖酸晶体的阶段，木糖酸在下层硫酸溶液瓶底中结晶，高浓度的氢离子抑制了硫酸钾的结晶过程，在此过程中，下层的木糖酸根离子与氢离子快速结合产生结晶，因此这一阶段的下层木糖酸根离子浓度较低。

4-16h为第二阶段：由于扩散，上下层溶液中各种离子浓度逐渐进入恒稳状态。

16-24h为第三阶段：由于硫酸钾溶解度较低，产生黏附于瓶壁的K₂SO₄颗粒状结晶。

以0.2mL 98％浓硫酸进行酸化处理木糖酸钾-甲醇溶液，48h结晶过程结束后，共得1.34g混合固体，包括0.5g硫酸钾晶体和0.84g木糖酸晶体，木糖酸晶体得率为67.2％。若第一阶段结束时(4h时)倒出上层溶液，可得到纯木糖酸片状晶体0.84g。

通过核磁共振表征所得纯木糖酸晶体，碳谱及氢谱表明，所得到的木糖酸晶体与木糖酸标准的模拟图一致。通过HPLC对木糖酸晶体进行检测，得到一个单峰的木糖酸分析结果图，表明所得木糖酸晶体纯度极高，印证了核磁分析结果(图5)。

综上，本发明开发了一种绿色生物技术，能够在短时间内制备大量、高纯度的木糖酸晶体，所得木糖酸晶体可用于木糖酸晶体结构的科学分析研究或用于药物研究等(图6)。

Claims (9)

1.一种从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于：从含有木糖酸钾的发酵液中提取木糖酸钾，然后以所述木糖酸钾为原料，通过浓硫酸-甲醇溶剂体系制备木糖酸晶体。

2.根据权利要求1所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将含有木糖酸钾的发酵液离心后获取上清，经浓缩、冷冻干燥，得到木糖酸钾；

(2)将步骤(1)所得木糖酸钾溶于甲醇，得到木糖酸钾甲醇溶液；

(3)向木糖酸钾甲醇溶液中滴加98％浓硫酸；

(4)滴加完毕后将体系于低温环境中静置，产生木糖酸晶体。

3.根据权利要求2所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，步骤(1)中所述含有木糖酸钾的发酵液的制备方法为：将氧化葡萄糖酸杆菌接种于含有木糖的培养基中进行发酵培养，培养结束后使用氢氧化钾调节pH至12-14。

4.根据权利要求2所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，步骤(1)中所述浓缩的具体方法为：将上清加热到40-60℃，蒸干至含水量为20％以下。

5.根据权利要求2所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，步骤(2)中所述木糖酸钾甲醇溶液中木糖酸钾与甲醇质量比为0.8～1.2∶2，所述甲醇为无水甲醇。

6.根据权利要求2所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，步骤(3)所述木糖酸钾溶液中木糖酸钾的质量与98％浓硫酸的质量比＜3。

7.根据权利要求2所述的从发酵液中制备木糖酸晶体的方法，其特征在于，步骤(4)所述低温环境的具体温度为：0-4℃。

8.权利要求1-7任一所述的方法制备得到的木糖酸晶体。

9.权利要求8所述的木糖酸晶体在晶体分析、药物研究或食品制作中的应用。

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