DE2138059A1 - Verfahren zur Herstellung von Glucose isomerisierendem Enzym - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Glucose isomerisierendem Enzym

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Description

DR. MÜLLER-BURE DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL
DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL.-ING. GRÄMKOW 2138Q59
PATENTANWÄLTE
28. JUU Dek/Sv - A 2168
Agency of Industrial Science & Technology 3-1» Kasumigaseki 4-chome, Chiyoda-ku, Tokyo / Japan
Verfahren zur Herstellung von Glucose isomerisierendem
Enzym
Priorität: Japan vom 30. Juli 1970, Nr. 6693V70
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glucose isomerisierendem Enzym, im folgenden als Glucose-Isomerase bezeichnet, in hoher Ausbeute durch Züchtung eines Glucose-Isomerase erzeugenden Mikroorganismus in einem Xylobiose enthaltendem Medium.
Glucose-Isomerase ist der Gattungsname für Enzyme, welche Glucose in IFruktose umwandeln und umgekehrt. Diese Enzyme werden zur Umwandlung von Glucose zu Pruktose verwendet.
Bislang wurden Glucose-Isomerasen durch Züchtung verschiedener Arten von Mikroorganismen, wie zur Familie Pseudomonas, zur
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Familie Bacillus und zur Familie Lactobacillus und Streptomyces gehörenden Bakterien, und Hefen in D-Xylose oder Xylan enthaltenden Medien^ hergestellt.
Aufgabe der Erfindung ist ein preiswertes, äußerst nützliches Verfahren zur Herstellung von Glucose-Isomerase durch weitestmögliche Ausnutzung der Fähigkeit von Mikroorganismen zur Herstellung von Glucose-Isomerasen. Die Erfindung wird weiter ins einzelne gehend im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
. Fig. 1 ist ein Diagramm, welches den Zeitverlauf des Wachstums des Mikroorganismus und den Zeitverlauf der Herstellung von Glucose-Isomerase, wie er mit dem Verlauf beobachtet wurde, bei welchem ein Glucose-Isomerase erzeugender Mikroorganismus gezüchtet wurde; zeigt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welcheläTäieTMenge an erzeugter Glucose-Isomerase zeigt.
geändert rs-^isn Eingabe
eingegangen en ^Arf&^-.&jfi Fig. 3 ist ein Diagramm, welches den Zeitverlauf der Herstellung von Glucose-Isomerase wiedergibt.
Um Glucose-Isomerase in hoher Ausbeute durch Züchtung eines Glucose-Isomerase erzeugenden Mikroorganismus herzustellen, wurde der Mechanismus der Induktion und Erzeugung von Glucose-Isomerase durch Glucose-Isomerase erzeugende Mikroorganismen ausführlich untersucht. Hierbei wurde die bislang nicht bekannte Satsache aufgefunden, daß Xylobiose als hoch wirksames Induktionsmittel für die fermentative Erzeugung von Glucose-Isomerase dient.
Bei der Züchtung eines Glucose-Isomerase erzeugenden Mikroorganismus in einem Xylobiose enthaltenden Medium wird die Xylobiose in die mikrobiellen Zellen ohne Zersetzung aufgenommen und sie wirkt dann als Induktionsmittel zur Erzeugung
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von Glucose-Isomerase mit dem Ergebnis, daß eine "bemerkenswerte Menge von Glucose-Isomerase dort erzeugt wird. Ebenfalls gibt es einen Weg, bei welchem D-Xylose dazu dient, um die Erzeugung von Glucose-Isomerase zu induzieren. Dieser Mechanismus (Weg) der induzierten Erzeugung von Glucose-Isomerase, bei welchem D-Xylose als Induktionsmittel funktioniert, tritt vollständig unabhängig von dem Mechanismus der induzierten Erzeugung von Glucose-Isomerase, bei welchem Xylobiose als Induktionsmittel dient, auf. Wenn ein Glucose-Isomerase erzeugender Mikroorganismus in einem Medium gezüchtet wird, welches zusätzlich Xylobiose enthält, wird daher die Ausbeute von Glucose-Isomerase überraschend im Vergleich zu der Züchtung, welche in einem Medium durchgeführt wird, das entweder Xylan oder D-Xylose alleine enthält, erhöht. Xylobiose kann durch partielle Hydrolyse von Xylan oder Xylanhaltigern Material durch eine Säure erhalten werden. Sie kann in einer höheren Ausbeute durch Zersetzung von Xylan oder
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einem Xylan-haltigen Material mit Hilfe von Xylgrae hergestellt werden, welches durch verschiedene Mikroorganismen wie vom Genus Streptomyces (Megumu Inaoka: Report of university of Ehime, 6_, (1961) 104 usw.), Genus Bacillus (Megumu Inaoka: Nature, 178 (1956) 202) und Genus Aspergillus (Sakeo Fukui, Bull. Agr. Chem. Soc, Japan, 21_ (1957) 392) hergestellt wird.
I1Ur Zwecke der Erfindung kann Xylobiose in ihrem reinen Zustand verwendet werden. Zusätzlich kann ein beliebiges, Xylobiose enthaltendes Material verwendet werden, wie partielle Hydrolysate vom Xylan und Xylan-haltigen Materialien (partielle Hydrolysate, die aus der Einwirkung von Säure stammen und Hydrolysate, welche durch Einwirkung von Xylanase erhalten wurden) oder Restwässer welche nach der Abtrennung von D-Xylose durch Kristallisation aus Säurehydrolysaten von Xylan zurückbleiben. Wenn ein Glucose-Isomerase erzeugender Mikroorganismus, der hinsichtlich Xylanase produktiv ist und die Eigenschaft zur Erzeugung von Xylobiose als Endprodukt aufweist, oder wenn die Züchtung in einer Kultur durchgeführt wird, welche hierin Xylanase enthält, die die
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Eigenschaft zur Erzeiigung von Xylobiose als Endprodukt besitzt, kann ein beliebiges Material verwendet werden, aus welchem Xylanase Xylobiose erzeugt, wie Xylotriose und Xylo-oligosaccharide von höherer Ordnung (welche im folgenden als Xylobiose-lieferade Materialien bezeichnet werden).
Zu dem Mechanismus der induzierten Erzeugung von Glucose-Isomerase, bei welchem D-Xylose als Induktionsmittel dient, kann Xylan, D-Xylose oder D-Xylulose entweder alleine oder im Gemisch zugesetzt werden.
Als Xylan kann ein beliebiges Xylan enthaltendes Material und · " Hydrolysate hiervon verwendet werden, wie Weizenkleie, Maiskolben, Maishülsen, Weizenstroh, Baumwollschalen, Pulpeabfall (HoIzstoff-Abfall- Flüssigkeit), Maisquellwasser und andere gleichartige, pflanzliche Materialien und behandelte Erzeugnisse hiervon. Die Züchtung wird unter Verwendung eines Mediums durchgeführt, welches zusätzlich zu Xylobiose eine oder mehrere der Verbindungen Xylan, D-Xylose oder D-Xylulose enthält. Falls Xylan für die Züchtung ausgewählt wird, wird es teilweise durch die Einwirkung des Glucose-Isomerase erzeugenden Mikroorganismus zersetzt. Daher treten der Mechanismus der Glucose-Isomerase-Induktion, bei welcher D-Xylose als Induktionsmittel dient, und deren Mechanismus, bei welchem Xylobiose als Induktionsmittel dient, zum selben Zeitpunkt in der Kultur auf, und die Erzeugung von Glucose-Isomerase wird synergetisch unterstützt.
Xylobiose ist ausreichend wirksam, wenn sie zu dem Medium in einer 0,01 % des Mediums übersteigenden Menge zugesetzt wird. Wenn Xylobiose zudem Medium in einer zu geringen Menge zugefügt wird, wird sie bald vollständig beim Stoffwechsel umgewandelt, und als Ergebnis Hört die Erzeugung von Glucose-Isomerase auf. Wenn Xylobioße zu dem Medium zu einem Zeitpunkt zugesetzt werden soll, muß sie daher im allgemeinen in einer Menge von annähernd 0,2 bis 5 % zugesetzt werden. Falls Xylobiose in das Medium intermittierend oder kontinuierlich im Verhältnis zu dem Verbrauch von Xylobiose eingeführt wird, kann Glucose-Isomerase jedoch in einer merklich hohen Ausbeute durch Ver-
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Wendung einer kleineren Menge von Xylobiose hergestellt; werden. Daher gestattet diese Arbeitsweise der Xylobiosezugabe es, daß Glucose-Isomerase wirtschaftlich hergestellt wird.
Entsprechend der üblichen Arbeitsweise zur Züchtung eines für die Erzeugung von Glucose-Isomerase ausgewählten Mikroorganismus ist es üblich, ein Medium zu verwenden, welches das Induktionsmittel von Glucose-Isomerase im allgemeinen in einer 1 bis 5 % entsprechenden Menge enthält. VJenn ein solches Induktionsmittel wie D-Xylose zur Erzeugung von Enzym angewandt wird, ist die Anzahl von Zellen pro Einheitsmenge vom Medium klein, und die Ausbeute von Glucose-Isomerase ist dementsprechend gering, da dieses Induktionsmittel das Wachstum von Mikroorganismen stark behindert. Häufig erweist sich eine solche Züchtungsmethode für die Enzym-Herstellung als unwirtschaftlich, da das Kultivierungsfiltrat, welches das Induktionsmittel enthält, selbst wenn dieses in dem Medium zurückbleibt, verworfen wird.
Wenn die Züchtung durchgeführt wird, indem das Induktionsmittel für die Enzym-Produktion in dem Medium konstant in einer Menge von mindestens 0,01 %, wie von der Erfindung beabsichtigt, existieren gelassen wird, schreitet die Erzeugung von Glucose-Isomerase mit praktisch derselben Eate voran wie bei der nach konventioneller Arbeitsweise durchgeführten Kultur, wobei praktisch kein Widerstand des mikrobiellen Wachstums durch das Indnktionsmittel auftritt, und das Induktionsmittel kann vollständig verbraucht werden. Daher ermöglicht die Erfindung die Herabsetzung der zu verwendenden Menge an Indukbionsmitbel und erzeugt Glucose-Isomerasen in einer Ausbeute, welche mehr als 1,5-fach so hoch sind wie nach der konventionellen Kultivierungsiaethode erhältlich sind.
BAD
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Das Verfahren, bei welcher Glucose-Isomerase durch inter- -mittierende Zugabe einer erforderlichen Menge von Glucose-Isomerase induzierendem Material zu dem Medium wird, ist ein neues Verfahren, und dieses Verfahren kann nicht nur auf den Fall der Verwendung von Xylobiose angewandt werden, sondern ebenfalls auch auf den Fall, bei welchem D-Xylose, D-Xylulose, Xylan oder ein Xylan enthaltendes Material zu dem Medium zugesetzt wird. Glucose-Isomerase kann wirtschaftlich durch Anwendung dieses Verfahrens bei der konventionellen Arbeitsweise zur Herstellung von Glucose-Isomerase erzeugt werden.
Die Ausbeute von Glucose-Isomerase kann weiterhin durch Einbringen geeigneter Materialien zur Erhöhung der Ausbeute von Glucose-Isomerase, beispielsweise einer Stickstof ifcjelle, von Magnesiumsalz und von Kobaltsalz, in das Medium der vorliegenden Erfindung verbessert werden.
Fig. 1 ist ein Diagramm, welches das Wachstum von mikrobiellen Zellen (Kurve 1) und die Erzeugung von Isomerase (Kurve 2) wie sie mit dem Zeitablauf beobachtet wurden, zeigen, wobei ein Stamm von Geaus Streptomyces als repräsentativer Glucose-Isomerase-fiirzeugender Mikroorganis- ^ mus in einem Medium gezüchtet wurde, welches 3 % Weizen-" kleie als Xylan-haltiges Material, 2 % Maisquell wasser und 0,024 % GoGIp.6H2O enthielt. In diesem Beispiel der KuItürentwicklung bezieht sich die irDauer der Glucose-Isomerase-Induktion" auf die Periode zwischen der 10.Stunde der Kultivierung, zu welcher die Erzeugung von Glucose-Isomerase begann, und dar 40.Stunde der Kultivierung, zu welcher die Ausbeizte von in dem Medium erzeugter Glucose-Isomerase einen konstanten Wert erreichte.
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Die Zugabe von Xylobiose-lieferndem Material zu dem Medium muß nur während der Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion durchgeführt werden. In der frühen Phase der Kultivierung ist es daher ausreichend, in dem Medium entweder eine organische Stickstoffquelle oder ein Gemisch von einer organischen Stickstoffquelle mit Kohlenstoffquellen, welche von keinem oder geringem schädlichen Einfluß auf das mikrobielle Wachstum sind, z.B. Glucose, Stärke und Sorbitol, zu verwenden. Andererseits kann eine Methode angewandt werden, bei welcher die Kultivierung in einem Medium begonnen wird, das Xylan oder Xylan-haltiges Material enthält, und während der Dauer der Glueose-Isomerase-Induktion wird Xylan oder das XyIanhydroIysat zugefügt, um die Versorgung im Verhältnis zu seinem Verbrauch wieder herzustellen.
Der oben erwähnte Züchtungsprozeß zur Erzeugung von Glucose-Isomerase kann auf beliebige Mikroorganismen angewandt werden, die die Fähigkeit zur Erzeugung von Glucose-Isomerase besitzen. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, welche im folgenden beschrieben werden, wurden beispielsweise Streptomyces sp. YT-No. 4 (ATGG Ho. 21250), Streptomyces albus T-No. 5 (ATCC No. 21132), Streptomyces sp„ YT-No.6 (FEHM-P No. 413) usw. als Glucose-Isomerase erzeugende Mikroorganismen verwendet. Die oben erwähnten Stämme der Art Streptomyces wurden im allgemeinen in der Nähe von 3O0C gezüchtet, während sie belüftet und unter Bewegung gehalten wurden. Zusätzlich zu diesen üblicherweise angewandten mesophilen Mikroorganismen können thermophile Mikroorganismen wie vom Genus Streptomyces, Genus Thermoactinomyces und Genus Thermomonospora angewandt werden, welche Wachstum bei relativ hohen Temperaturen erreichen können. Wenn ein thermophiler Mikroorganismus zur Erzeugung von Glucose-Isomerase angewandt wird, kann die Kultivierung bei einer 400G übersteigenden Temperatur durchgeführt werden, und daher kann eine mög-
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liehe Verunreinigung der Kultur verhindert und die Züchtungsdauer abgekürzt werden. Beispielsweise ergibt der thermophile Streptomyces sp. YT-Fo. 6 ein optimales Wachstum bei Temperaturen von 45 bis 500G, und er kann ein Wachstum selbst bei 500C übersteigenden Temperaturen erreichen. Darüberhinaus besitzt die durch diesen und andere thermophile Mikroorganismen erzeugte Glucose-Isomerase eine höhere thermische Stabilität als die Glucose-Isomerase, welche durch mesophile Mikroorganismen erzeugt wurde, wie noch näher ins einzelne gehend im folgenden beschrieben werden wird.
Die so hergestellte Glucose-Isomerase ist von Natur aus ein Enzym, welches in Zellen vorkommt. Am Ende der Kultivierung werden die Zellen daher gesammelt, indem die kultivierte Brühe einer Filtration oder Zentrifugaltrennung unterzogen wird. Im Verlauf der Kultivierung bzw. Züchtung wird ein gewisser Anteil der Glucose-Isomerase infolge von Autolyse freigesetzt. Um diese Freisetzung durch Autolyse zu verhindern, werden die kultivierte Brühe oder die gesammelten, mikrobiellen Zellen einer Wärmebehandlung bei 60 bis 90°C für eine kurze Zeitspanne unterworfen, um das mit der Autolyse verbundene Enzym-System zu inaktivieren und Glucose-Isomerase innerhalb der Zellen zu fixieren. Eine kontinuierliche Isomerisierung von Glucose zu Fruktose kann " durchgeführt werden, indem eine Säule mit den so behandelten Zellen bepackt wird und eine Lösung von Glucose durch diese Säule durchgeschickt wird. Die zu der Reaktionsmischung zugesetzten Zellen können leicht nach dem Abschluß der Reaktion
Teicht wiedergewonnen werden. Auf diese Weise können sie/wiederholt verwendet werden. Die Zellen, welche die zuvor beschriebene Wärmebehandlung erhalten haben, können unmittelbar nach der Beendigung der Kultivierung zu einer Glucose-Lösung bei einer 60°0 übersteigenden Temperatur zugesetzt werden, um die Isomerisierung zu Fruktose und die Fixierung der Glucose-
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Isomerase in den Zellen gleichzeitig zu bewirken. Wenn das Trocknen der Glucose-Isomerase enthaltenden Zellen zum Zweck der Herstellung von getrocknetem Enzym an einer kultivierten Brühe durchgeführt wird, welche einer solchen Wärmebehandlung zum Zwecke der Verhinderung von Autolyse nicht unterzogen worden ist, können 65 % der ursprünglichen Aktivität wieder erhalten werden. Im Gegensatz hierzu werden 85 % der ursprünglichen Aktivität wieder erhalten, wenn das Trocknen an einer kultivierten Brühe durchgeführt wird, welche eine Wärmebehandlung bei 7O°G während 10 min durchgemacht hat.
Glucose-Isomerase ist ein Metallenzym, und daher wird die Isomerisierungsreaktion im allgemeinen durch Zugabe von Magnesiumsalz und/oder einem Kobaltsalz durchgeführt.
Die Reaktionsbedingungen für die Isomerisierung von Glucose zu Fruktose sind innerhalb eines weiten Bereiches von pH = 5j5 bis pH * .11 und bei einer Temperatur bis 9O0C variierbar. Im Hinblick auf die Verhütung von Zuckerzersetzung und der thermischen Stabilität des Enzymes sind die vorteilhaftesten Reaktionsbedingungen jedoch pH » 5»5 his 8,5 und eine Temperatur von 45°C bis 800O.
Darüberhinaus sind Zucker ziemlich instabile Substanzen. Unter den zuvor genannten Reaktionsbedingungen erleidet ein Zucker daher eine leichte Zersetzung und bildet eine organische Säure. Infolgedessen verändert sich die Reaktionslösung nach der sauren Seite und die enzymatisch^ Reaktion kann nicht longer mit ausreichender Leistungsfähigkeit durchgeführt werden. Damit die Reaktionslösung auf einen gewünschten pH-Wert während der Reaktion von Glucose-Isomerase gehalten werden kann, ist es erforderlich, Natriumhydroxid zu der Reaktionslösung hinzuzufügen, um den pH-Wert der Reaktionslösung zu regulieren. Eine
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solche Heutralisierungsoperation ist bei der kontinuierlichen Isomerisierung von Glucose schwierig durchzuführen, obwohl sie leicht bei der Isomerisierung, die ansatzweise durchgeführt wird, bewerkstelligt werden kann.
Falls Galciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat zu der Reaktionslösung als pH-Regulator für die Isomerisierungsreaktion zugesetzt wird, kann die Reaktionslösung auf einem für die Isomerisierungsreaktion geeigneten pH-Wert gehalten werden, und die Reaktion läuft wirksam ab, da die bei der Zersetzung von Zucker gebildete organische Säure durch das durch den pH-Regulator gelieferte Calcium oder Magnesium neutralisiert Ψ wird.
Falls ein Ionenaustauscherharz, insbesondere ein amphoteres Ionenaustauscherharz, als pH-Regulator anstelle des vorgenannten Calciumcarbonate oder Magnesiumcarbonate vorgesehen wird, wird die bei der Zersetzung des Zuckers im Verlauf der Reaktion gebildete organische Säure durch das Ionenaustauscherharz entfernt, und infolgedessen kann die Reaktionslösung auf einem für die Isomerisierungsreaktion gewünschten pH-Wert gehalten werden.
Für die Isomerisierungsreaktion ist es wünschenswert, daß die Glucose-Konzentration so hoch wie möglich liegt. Im allgemeinen wird die Konzentration in einem Bereich von etwa 30 -70% ausgewählt. Glucose wird durch Dextrinierung von Stärke und dann Konvertierung des dextrinierten Produktes hergestellt. Der konvertierte Sirup von Stärke, die Glucose, welche hierdurch durch Kristallisation abgetrennt wird, das hiervon stammende Restwasser usw. werden als Rohmaterialien für die Isomerisierung verwendet.
Es wurde gefunden, daß die Herstellung von Fruktose aus Stärke oder einem Derivat hiervon ebenfalls bewirkt werden kann, wenn
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die Reaktion unter Verwendung von Glucose-Isomerase in Kombination mit Glucoamylase durchgeführt wird. Falls Fruktose direkt aus Stärke oder Dextrin als Rohmaterial mit Hilfe von sowohl Glucose-Isomerasen und Amylase hergestellt wird, bietet diese Herstellungsart viele industrielle Vorteile wie einen vereinfachten Reaktionsablauf und verminderte Kosten hinsichtlich Ausrüstung, Brennstoff, Kraftbedarf und Arbeit im Vergleich mit der konventionellen Methode, bei welcher Fruktose aus Stärke über den Prozeß der Stärkekonversion und den Prozeß der Glucose-Isomerisierung hergestellt wird.
Die Isomerisierungsreaktion zwischen Glucose und Fruktose ist reversibel. Wenn sie bei 7O0C durchgeführt wird, können 53 - 56 % Glucose zu Fruktose umgewandelt werden. Das Gleichgewicht dieser Reaktion wird schwach in Richtung Fruktose verschoben, wenn die Reaktionstemperatur ansteigt. Im Falle von üblichen Reaktionsmethoden ist es Jedoch nicht möglich, 55 % oder mehr Glucose zu Fruktose zu konvertieren.
Wenn Natriumborat oder eine gleichartige Borverbindung zu der Reaktionslösung zugesetzt wird, wird das Gleichgewicht der Reaktion merklich nach Fruktose verschoben, wodurch es möglich wird,- 88 - 90 % von Glucose zu Fruktose zu konvertieren.
Durch die vorliegende Erfindung kann die Ausbeute von Glucose-Isomerase überraschend durch Durchführung der Kultivierung von einem Glucose-Isomerase erzeugenden Mikroorganismus verbessert werden.
Die Aktivität des Glucose isomerisierenden Enzyms bei der Erfindung wurde auf folgende Weise bestimmt: Zu einem kleinen Anteil der durch Zentrifugaltrennung der behandelten Zellen mit einer Geschwindigkeit von 7000 Upm für etwa 5 min erhaltenen, überstehenden Flüssigkeit wurden
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0,5 ml einer 0,2 M Phosphatpufferlösung (pH = 7,2), 0,2 ml einer 0,1 M MgSO^-Lösung und 0,2 ml einer 1 M Glucose-Lösung zugegeben, und das Gesamtvolumen des Gemisches wurde auf 2,0 ml mit Wasser eingestellt. Das Gemisch wurde dann eine Stunde reagieren gelassen, wonach 2,0 ml einer 0,5 M Perchlorsäure hierzugegeben wurden, um die Reaktion abzubrechen; Die so in dem Reaktionsgemiseh erzeugte IFruktose wurde quantitativ nach der Cystein-Carbazol-Methode bestimmt, und die Menge des Enzyms, welche 1 mg Fruktose unter diesen Bedingungen erzeugte, wurde als 1 Einheit bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert, ohne es hierdurch zu beschränken.
Beispiel 1
Ein Ausgangsmedium (pH-Wert von etwa 7), das 2 % Maisquellwasser (auf Trockenbasis), 0,024 % CoCl2.6H2O und 0,1 % MgSO^.7H2O enthielt, wurde mit Xylan, D-Xylose und Xylobiose alleine und in Kombination in Mengen, um die in Tabelle I angegebenen Prozentsätze zu erhalten, vereinigt. In die erhaltenen Medien wurde Streptomyces albus YT-No. 5 eingeimpft und aerob bei 30°C kultiviert. Nach 33-stündiger Züchtung wurden die kultivierten Brühen nach der zuvor beschriebenen Methode zur Bestimmung der Ausbeute von Glucose-Isomerase untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I gezeigt.
Tabelle I
%-Zugabe zum Ausgangsmedium Ausbeute von Glucose-
Isomerase
(E/ml des Mediums^
Kontrolle (Ausgangsmedium)
+ 0,5 % Xylobiose
3,2
24,4
+ 0,5 % Xylan
+ 0,5 % Xylan + 0,2 % Xylobiose
+ 0,5 % Xylan + 0,5 % Xylobiose
12,3
25,0
29,8
+ 0,5 % D-Xylose 11,2
+ 1,0 % D-Xylose 18,3
+ 0,5 % D-Xylose + 0,5 % Xylobiose 1JJ
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Da das in dem Ausgangsmedium verwendete MaisquelL-wasser Xylan enthielt, konnte die Herstellung von Glucose-Isomerase durch Durchführung der Züchtung des Mikroorganismus in dem Ausgangsmedium alleine bewirkt werden. Durch dieses Beispiel wird gezeigt, daß die Ausbeute von Glucose-Isomerase merklich gesteigert werden konnte, wenn die Züchtung in einem Medium durchgeführt wurde, das Xylobiose zugesetzt zu dem Ausgangsmedium enthielt, oder in einem Medium, das Xylan und D-Xylose zu dem Ausgangsmedium zugesetzt enthielt und weiterhin Xylobiose einschloß.
Beispiel 2
Die in diesem Beispiel verwendete Xylobiose-Quelle war das Hydrolysat, welches bei der Zersetzung von Xylan durch Xylanase, die durch den Mikroorganismus erzeugt wurde (was Xylobiose als Endprodukt ergab) erhalten wurde.
Als Quelle für Xylanase wurde das 3?iltrat verwendet, welches durch Züchtung eines Mikroorganismus vom Genus Actinomycetes in einem Xylan oder ein Xylan enthaltendes Material bei 3O0C und Entfernung der Zellen von der kultivierten Brühe durch Filtration erhalten worden war» Die Zersetzung von Xylan durch diese Xylanase erfolgte bei etwa 550G und einem pH-Wert von etwa 6. Ein 3 % Weizenkleie, 2 % Maisquellwasser, 0,024- % GoOl2.6H2O und 0,1 % MgSO2^TH2Q enthaltendes Medium (100 ml) wurde mit dem Hydrolysat vereinigt, welches durch Einwirkung von Xylanase auf Xylan (zusammengesetzt aus Xylobiose als dem Hauptbestandteil in einer Menge von etwa 300 mg und einer kleinen Menge von Xylotriose) erhalten worden war. Das Ausgangsmedium und das Kombinationsmedium wurden jeweils auf pH«7 eingestellt, in einer 500 ml Sakaguchi-Flasche angeordnet und nach der üblicheen Methode sterilisiert. In das Medium wurde Streptomyces sp. YT-No. 4 eingeimpft und einer
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Schuttelkultivierung bei 3O0C 33 h unterzogen. Dann wurden die kultivierten Brühen nach der oben beschriebenen Methode untersucht, um die Ausbeute von Glucose-Isomerase zu bestimmen. Sie Ergebnisse sind in der Tabelle II aufgeführt.
Aus der fabeile ergibt sich, daß die Ausbeute von Glucose-Isomerase um etwa 60 % gesteigert wurde, wenn die Kultivierung in dem Xylobiose enthaltendem Medium durchgeführt wurde.
!Tabelle II
Medium Ausbeute von Glucose
Isomerase (E/ml des Mediums)
Kontrolle (Medium aus Weizenkleie) 20,1 Ausgangsmedium + 0,3 % Xylobiose
(als Hydrolyeat von Xylan) y\ ,7
Beispiel
In 100 ml eines Mediums, welches 2 % Polypepton, 0,024 % GoOl2.SS2O, 0,1 % MgS04.?H20$ 0,3 % K2HPO4 und 0,5 % XyIo-™ biose enthielt, wurde ßtreptomyces albus TT-No. 5 eingeimpft und einer Schüttelkultivierung bei 3O0O während 30 h unterworfen. Die kultivierte Brühe wurde nach der zuvor beschriebenen Methode zur Bestimmung der Ausbeute von Glucose-Isomerase untersucht. Die Untersuchung zeigte, daß die Ausbeute von Glucose-Isomerase 15»0 E/ml des Mediums betrug.
Beispiel 4
Ein Ausgangsmedium, welches 1 % Polypepton, 0,005 M MgSO^, 0,001 M CoOl2 und 0,025 M Phosphatpuffer (pH - 7,0) enthielt, wurde jeweils mit 0,5 % D-Xylose, 0,5 % Xylobiose,
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0,1 % Xylobiose + 0,4 % D-Xylose und 0,2 % Xylobiose + 0,3 % D-Xylose vereinigt. In die erhaltenen Medium wurden Zellen von Streptomyces sp. YiD-No. 5» welche zuvor in einem Glucose-(1 % Glucose, 1 % Polypepton, 0,1 % MgSO4^H2O und 0,3 % enthaltendem Medium gezüchtet worden waren, eingeimpft und einer Schüttelkultur bei 30°C zur Induzierung der Produktion von Glucose-Isomerase unterworfen. Die Ergebnisse sind/der Pig. 2 gezeigt.
Das Diagramm zeigt die Ausbeute von Glucose-Isomerase gegen die Kultivierungsdauer, wobei die Kurve (3) a=H den Fall, bei welchem 0,5 % D-Xylose zugegeben wurde, die Kurve (4) den Pail, bei welchem 0,5 % Xylobiose zugegeben wurde, die Kurve (5) den Pail, bei welchem 0,1 % Xylobiose und 0,4 % D-Xylose zugegeben wurden, bzw. die Kurve (6) den Pail, bei welchem 0,2 % Xylobiose und 0,3 % D-Xylose zugegeben wurden, anzeigt. Aus dem Diagramm ist deutlich zu ersehen, daß die Glucose-Isomerase-Ausbeute merklich höher war, wenn die Kultivierung in dem sowohl D-Xylose als auch Xylobiose enthaltenden Medium durchgeführt wurde, als in dem entweder D-Xylose oder Xylobiose alleine enthaltenden Medium.
Beispiel 5
Baumwollsaatschalen, die ein Xylan-haltiges Material sind, wurden teilweise mit verdünnter Schwefelsäure zersetzt und mit Natriumhydroxid neutralisiert. Das erhaltene,teilweise Hydrolysat war aus praktisch gleichen Mengen von D-Xylose, Xylobiose und höheren Xylo-oligo-sacchariden zusammengesetzt. Ein Teil des teilweise Hydrolysates (500 mg als D-Xylose) wurde mit Maisquellwasser und GoCIp·6HpO in solchen Mengen vereinigt, damit Endkonzentrationen von 2 % bzw. 0,024 % erhalten wurden. 50 ml des erhaltenen Mediums wurden in einer 500 ml Sakaguchi-Plasche untergebracht und nach einer üblichen Methode sterilisiert. In das Medium wurde Straptomyces albus YT-ITo. 5 eingeimpft und einer Schüttelkultivierung bei 30°0 unterzogen.
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Die Glucose-Isomerase-Ausbeute stieg 35 Ii nach dem Beginn der Kultivierung auf 38,5 E/ml des Mediums.
Beispiel 6
Ein 500 mg Anteil (als D-XyIose) einer wässrigen Lösung (welche im wesentlichen gleiche Volumen von D-Xylose, Xylobiose und höheren Oligosacchariden enthielt) welche durch Zersetzung von Baumwollsaatschalen mit einer Säure und Isolierung der D-Xylose durch Kristallisation erhalten worden war, wurde mit Maisquellwasser und CoCl2.6H2O in solchen Mengen vereinigt, damit die Endkonzentrationen 2 % bzw. 0,024 % wurden. Ein 50 ml-Anteil des erhaltenen Mediums wurde in einer 500 ml Sakaguchi-Flasche untergebracht und nach einer üblichen Methode sterilisiert. In das Medium wurde Streptomyces albus YT-No. 5 eingeimpft und einer Schüttelkultur bei 300C unterzogen.
Als Folge hiervon wurden 28,0 Einheiten von Glucose-Isomerase pro ml des Mediums 35 Stunden nach dem Beginn der Kultivierung erzeugt.
Beispiel 7
Ein 1 % Polyp ept on, 1 % Glucose, 0,3 % K2HPO^, 0,1 % MgSO^.7H2O und 0,024 % CoCl2·6HpO enthaltendes Medium wurde jeweils in 100 ml Anteilen in Sakaguchi-Flaschen untergebracht und dann nach einer üblichen Methode sterilisiert. In die Medien wurde Streptomyces sp. YT-No. 4, welcher die Fähigkeit zur Erzeugung von Glucose-Isomerase besaß, eingeimpft und einer Schüttelkultivierung bei 30°C unterworfen. In einem Medium wurde D-Xylose auf einmal in der 16. Stunde der Kultivierung zugesetzt. In dem anderen Medium wurde eine feststehende Menge von D-Xylose in Intervallen während des Verlaufes der Kultivierung zugegeben. Die Zeitverlaufsänderungen in der Ausbeute von Glucose-Isomerase in den beiden genannten Fällen der Kultivierung sind in der Fig. 3 gezeigt.
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4?
Die Kurve (7) der Fig. 3 gibt den Fall wieder, bei welchem 0,5 % D-Xylose zu dem Kultivierungssystem zu einem Zeitpunkt in der 16. Stunde der Kultivierung zugesetzt wurde, die Kurve (8) den Pail, bei welchem die 1 %ige Xylobiose-Lösung in Intervallen von 1 Stunde jeweils in einer Menge von 1 ml zugegeben wurde, und die Kurve (9) den Fall, bei welchem die 2,5 #ige D-XyIose-Lösung in Intervallen von 1 Stunde jeweils in einer Menge von 1 ml zugesetzt wurde.
Die Tabelle III zeigt die Glucose-Isomerase-Ausbeute, wie sie unmittelbar nach der Zugabe des Glucose-Isomerase induzierenden Materials der angegebenen Μ oder 10 h nach dem Beginn der Zugabe hiervon bestimmt wurde.
Aus Fig. 3 und Tabelle III ist ersichtlich, daß kein merklicher Unterschied in der Bate derGKLucose-Isomerase-Produktion beobachtet wurde. Es wurde festgestellt, daß Glucose-Isomerase wirksam durch Verwendung einer kleineren Menge von Induktionsmittel erzeugt werden konnte, indem der Prozeß der Einführung des Glucose-Isomerase induzierenden Materials in das Kultivierungssystem während der Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion befolgt wurde.
Tabelle III
Methode der Zugabe von Glucose- Ausbeute von Glucose-Isomerase induzierenden Material Isomerase (E/ml des Mediums)
Kontrolle (0,52 % D-Xylose wurde
zu dem Medium zum Beginn der KuI- 7 »4-
tivierung zugesetzt) (1)
Kontrolle (0,32 % D-Xylose wurde
zu dem Medium zum Beginn der KuI- 6,2
tivierung zugesetzt)
Xylobiose wurde intermittierend η 6
zu dem Medium zugefügt (2) '»
D-Xylose wurde intermittierend g ^
zu dem Medium zugesetzt (3) '
Hydrolysat von Xylan wurde inter- 6 0
mittierend dem Medium zugegeben *
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Beispiel 8
In diesem Beispiel wurde Streptomyces aTbus YT-No. 5 in einem Medium gezüchtet, welches 3 % Weizenkleie, die ein xylanhaltiges Material ist, 2 % Maisquellwasser und 0,024- % C0CI2.6H2O enthielt, um Glucose-Isomerase zu erzeugen. Im Verlauf der Kultivierung wurden Xylan, D-Xylose und Xylan-Hydrolysat intermittierend zu dem Kultivierungssystem während der Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion zugegeben, um die Ausbeute von Glucose-Isomerase zu erhöhen. Die Ergebnisse werden im folgenden beschrieben.
Ein 3 % Weizenkleie, 2 % Maisquellwasser und 0,024 % CoCTP.6HP0 enthaltendes Medium wurde jeweils in 100 ml-Anteilen in Sakaguchi-Flaschen eingebracht und nach einer üblichen Methode sterilisiert. Danach wurde Streptomyces albus YT-No. 5 in das in jeder flasche aufbewahrte Medium eingeimpft und einer Kultivierung bei 300C unterzogen.
Nach der 30. Stunde der Kultivierung wurde die Kultivierung weitergeführt, währen 2 % D-XyIose-Lösung, 2 % Xylan-Hydrolysat-Lösung und 2 % Xylan-Suspension zu den Kultivierungssystemen in Intervallen von 1 Stunde jeweils in einer Menge von 1 ml zugegeben wurden. Die Tabelle IV zeigt die Ausbeute der Glucose-Isomerase in jedem Kultivierungssystem nach 38 h Züchtung.
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Ausbeute von Glucose-Isomerase durch zusätzliches Zuführen des Glucose-Isomerase induzierenden Materials verbessert wurde.
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Tabelle IV
Methode der Glucose-Isomerase- Ausbeute von Glucose-
Herstellung Isomerase
(E/ml des Mediums)
Kontrolle. 18,0
D-Xylose intermittierend zugegeben 25» 2
Xylan-Hydrolysat intermittierend
zugegeben 27,0
Xylan intermittierend zugegeben 25,2
Beispiel 9
In diesem Beispiel wurde Streptomyces albus YT-No. 5 io· demselben Medium unter Verwendung von Weizenkleie wie in Beispiel 8 kultiviert, um Glucose-Isomerase herzustellen. Die Glucose-Isomerase-Ausbeute wurde durch intermittierende Zugabe von D-XyIose zu dem Kultivierungssystem während der Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion verbessert.
ELn 3 % Weizenkleie, 2 % Maisquellweasser und 0,024 % GoCl2.6H2O enthaltendes Medium wurde jeweils in einer Menge von 100 ml in Sakaguchi-ITlasehen untergebracht und nach einer üblichen Methode sterilisiert. Danach wurde Streptomyces albus XT-No. 5 in. das Medium in (jeder Flasche eingeimpft und bei 300C kultiviert.
Nach der 28. Stunde der Kultivierung wurde die Kultivierung weitergeführt, während 2,5 % D-XyIose-Lösung kontinuierlich zu dem Kultivierungssystem mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,8 ml/Stunde zugefügt wurde. Eine feststehende Menge der Probe wurde aus dem Kultivierungssystem in feststehenden Intervallen entnommen und zur Bestimmung der GluGOse-Isomerase-Ausbeute untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle V wiedergegeben.
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Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Glucose-Isomerase-Produktion im wesentlichen in etwa 38 h Kultivierung aufhörte, wobei keine Zugabe von D-Xylose erfolgte, während die Produktion weiterging, bis die Ausbeute ungefähr verdoppelt war, wenn die Versorgung von D-Xylose weitergeführt wurde.
Tabelle V
Ausbeute von Glucose-Isomerase
EuItivi erungs-
dauer
Kontrolle
(I</ml des Mediums)
D-Xylose kontinuier
lieh zugegeben
(E/ml des Mediums)
28 7,0 7,0
33 13,8 14,6
38 20,8 24,7
46 19,8 35,2
53 21,8 40,4
Beispiel 10
10 1 eines 3 % Weizenkleie, 2 % Maisquellwasser, 0,024 % CoCTq.öB^Ö und 1 % Xylobiose-haltiges Material enthaltenden Mediums (siehe Beispiel 6) wurde in einem 20 1 Standkulturgefäß untergebracht und nach einer üblichen Methode steril si ert. In das Medium wurden 400 ml einer Impf zucht von Streptomyces spt YT-No. 6, einem thexmophilen Aktinomycet eingeimpft und bei einer Temperatur von 450C bei einer Belüftungsrate von 5 1/min bei einem Rühren mit 200 Upm kultiviert.
Hach einer Züchtung von etwa 20 h erreichte die Glucose-Isomerase-Aktivität 35 E/ml der Kultivierungsbrühe.
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Die durch den zuvor beschriebenen thermophilen Streptomyces erzeugte Glucose-Isomerase wurde hinsichtlich der thermischen Stabilität mit der durch Streptomyees sp. YT-No. 4 erzeugten Glucose-Isomerase verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle VI wiedergegeben.
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die durch den thermophilen Streptomyces erzeugte Glucose-Isomerase gegenüber Hitze weit stabiler war als die Glucose-Isomerase von
ψ,
Streptomyces sp. YT-ITo. «5i geändert p,&m&£> Eingab©
eingegangen G.
Damit ein gegebenes Enzym für industrielle Zwecke brauchbar ist, ist es äußerst wichtig, daß das Enzym thermostabil ist. Wenn das Enzym eine hohe thermische Stabilität aufweist, kann die Eeaktionstempex5atur angehoben werden und die Eeafctionsdauer proportional verringert werden« Darüberhinaus gestattet die Haltbarkeit, daß das Eiaaym wirksam angewandt wird*
■Tabelle VI Glucose-Isomerase,
erzeugt durch
thermophilen
Streptomyces sp.ΊΤ-lSo.6
100
132
185
139
Reaktions
temperatur
(0C)
Glucose-Isomerase,
erzeugt durch
Streptomyces sp«,XT-No·4·
70
80
90
100
11?
143
88
Beispiel 11
Zu JOO Einheiten dea? nmh a&£ A^feeitismeis© das Seigpi@ls 10 hergestelltes Glueos©-Igoa©raa@ i-ms?ci@a 50 S wasserfreie Glucos©2 5 al 0/1 H MgSCk \wä 1 al O5I U GoOl0 su@©gebsno Das Geidsali unrde auf ψχώ. (i^zsE^wolummi von 100 al mit \Ib,b&&s
BAD ORIGINAL
aufgefüllt UDd während der pH-Wert hiervon in der Nähe von 7 gehalten wurde, auf 700G zur Durchführung der Reaktion erwärmt. Die erzeugte Menge von IFruktose erreichte/20 h 10 g, in 43 h 16,5 S bzw. in 68 h 24 g, jeweils nach dem Beginn der Reaktion.
Beispiel 12
Zu einer konvertieren Lösung von Stärke (etwa 40 g Feststoff, etwa 9 % Öligosaccharid) mit einem DE-Wert von etwa 90, welche Glucoaiaylase enthielt, wurden 400 Einheiten von Glucose-Isomerase, die durch einen Mikroorganismus vom Genus Streptomyces erzeugt worden war, 12,3 mg MgSO2^. und 24 mg CoGIg.6HgO gegeben» Das Gemisch wurde mit Wasser auf ein Gesamtvolumen von 100 ml gebracht und, während der Hi-Wert auf etwa 6 festgehalten wurde, auf 55°0-60°C zur Induzierung der Reaktion erwärmt. Im Verlauf der Reaktion wurde eine feststehende Probenmenge aus dem Reaktionsgemisch entnommen und zur Bestimmung der Zuckerzusammensetzung untersucht. Die Tabelle VII zeigt die Zuckerzusammensetzung 72 h nach der Reaktion im Vergleich mit der Zucker zusammensetzung, wie sie im Fall der Säurehydrolyse beobachtet wurde.
Der Glucose-Gehalt wurde nach der enzymatischen Methode unter " Verwendung von Glucoseozldase bzw. die !"ruktose nach der Cystein-Carbazol-Methode bestimmt.
Aus der labelle ist ersichtlich, daß das Gemisch zu einer aus Fruktose und Glucose bestehenden Mischung mit einem Konveraions-Verhältnis von 42,1 % wurde.
Tabelle VIl
Glucose Fraktose Gesamt zucker Kcmver-(mg/al) (mg/mi) (mg/ml sionsver-
toad Glucose- 9? iL ,!9 Γ 4Γ
4O1S 0 40 ,S
U 1J i'i il 7 / 1 f.H
Die Erfindung "betrifft ferner ein Verfahren zur Umwandlung von Glucose zu Fruktose, welches als Stufe die Zugabe der Glucose-Isomerase, welche durch Züchtung eines Glpcose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus in einem Xylobiose oder Xylobiose und Xylan, D-Xylose oder D-Xylulose enthaltenden Medium erhalten wurde, zu Glucose oder einer Glucose enthaltenden Lösung, wobei Glucose zu Fruktose
umfafc. ^9*
umgewandelt wirdj/Vorteilhafterweise wird bei diesem Verfahren die Glucose oder die Glucose enthaltende Lösung, welche die zugesetzte Glucose-Isomerase enthält, auf einer Temperatur zwischen etwa 45°C und etwa 850C und auf einem pH-Wert zwischen etwa 5»5 und etwa 8,0 gehalten. Ferner wird bei diesem Verfahren das zuzusetzende Glucose isomerisierende Enzym verwendet, welches durch Kultivierung eines Glucose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus vom Stamm Streptomyces in einer Xylobiose oder Xylobiose und D-Xylose enthaltenden Kultur gewonnen wurde.
- Patentansprüche -
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Glucose-Isomerase, dadurch gekennzeichnet, daß es als Stufe die Kultivierung eines Glucose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus in einem Xylobiose enthaltenden Medium umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium verwendet wird, welches Xylan oder xylanhaltiges Material, zu dem Xylobiose zugesetzt wurde, enthält·
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium verwendet wird, welches Xylobiose oder ein Xylobiose lieferndes Material und D-Xylose oder D-Xylulose enthält.
4. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung von Glucose-Isomerase durch Kultivierung eines Glucose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus, dadurch gekennzeichnet, daß es die Aufrechterhai tung der Versorgung von Xylan, Xylan-Hydrolysat, D-Xylose oder Xylobiose in dem Medium im Verhältnis des Verbrauches hiervon im Verlauf der Hitivierung oder während der Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion, mindestens während dieser Dauer der Glucose-Isomerase-Induktion unter ErmögUchung der Fortführung der Kultivierung umfaßt, wobei die Konzentration hiervon oberhalb des Minimalwertes von .0,01 % in dem Medium gehalten wird.
5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Glucose-Isomerisierendes Enzym erzeugender Mikroorganismus Actinomyeeten-Mikroorganismen verwendet werden.
_ pm- - BAD ORIGINAL
1 0 9 8 a 7 / 1 7 2 4
is
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Glucose isomerisierendes Enzym erzeugender Mikroorganismus ein Mikroorganismus vom Genus Streptomyces verwend* wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Glucose isomerisierendes Enzym erzeugender Mikroorganismus ein thermophiler Actinomycet en-Mikroorganismus verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß als Glucose isomerisierendes Enzym erzeugender, thermophiler Actinomyceten-Mikroorganismus ein Mikroorganismus vom thermophilen Genus Streptomyces verwendet wird.
9. Verwendung der nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis hergestellten Glucose-Isomerase zur Umwandlung von Glucose zu Fruktose, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Glucose oder Glucose enthaltenden Lösung die durch Kultivierung eiias Glucose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus in einem Xylobiose oder Xylobiose und Xylan, D-XyIose ader D-Xylulose enthaltenden Medium erhaltene GIucobb-Isomerase unter Umwandlung von Glucose zu Fruktose zugesetzt wird.
10. Verwendimg nach Anspruch 9, wobei die Glucose oder Glucose enthaltende Lösung, die die zugesetzte Glucose-Isomerase aü&reist, bei einer Temperatur zwischen etwa 45°0 und etwa 850O und einem pH-Wert zwischen etwa 5»5 und etwa 8,0 gehalten wird.
11. Verwendung nach Anspruch 10 unter Einsatz des Glucose isomerisierenden Enzymes, welches durch Kultivierung eines Glucose isomerisierendes Enzym erzeugenden Mikroorganismus vom Genus Streptomyces in einer Xylobiose oder Xylobiose und 1)-Xylose enthaltenden Kultur erhalten wurde.
nc. BAD ORIGINAL
109887/172U
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