[发明专利]一种生产山梨醇和葡萄糖酸盐的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种以菊芋为原料经过微生物催化反应生产山梨醇和葡萄糖酸盐的方法。

【背景技术】

山梨醇作为一种重要的化工产品，被广泛应用在医药、食品、轻化、表面活性剂、合成树脂等方面，是能满足多方应用的绿色产品(Vogel，2002)。山梨醇是美国再生能源国家实验室(NREL)和太平洋西北国家实验室(PNNL)评出的12个最具开发潜力的关键中间体之一。以山梨醇作为生物炼油中间体，可以生产多种重要的取代石油化学品的材料和化学品，主要衍生物包括异山梨醇(isosorbide)，丙烯醇(propylene glycol)，聚山梨醇脂肪酸酯(sorbitan fattyacid esters，SFAE)，乳酸，甘油，多聚糖类(branched polysaccharides)等，它们都具有重要的工业价值。目前，山梨醇主要通过化学法生产，国内外普遍采用葡萄糖催化加氢法生产山梨醇。然而化学催化法有许多不可避免的缺点：催化过程在高温高压下进行，能耗高、安全性比较差；对设备的要求高、自动化成本也高；葡萄糖的转化率不够高；使用贵重金属作为催化剂，成本高且后处理困难；以易燃易爆的氢气为原料，存在氢气回收的问题；若以淀粉或者蔗糖为原料，产品中往往伴随着甘露醇，分离比较困难。

Barrow和Viikari在1984年，发现产乙醇细菌Zymomonas mobilis能够利用葡萄糖和果糖的混合物生成山梨醇，从而开启了生物催化法生产山梨醇的研究。生物催化法对比于化学催化法具有反应条件温和，产品转化率高、纯度高，工艺过程简单、设备投资少等优点。在随后的十几年直至现在，研究人员致力于在温和条件下用生物催化法生产山梨醇，并取得了不错的成果。

用生物法工业化生产山梨醇基质成本高是一个重要的限制因素，特别是高价格的果糖。在这种情况下，RO和Kim(Enzyme Microb Technol1991，13：920～924)在1991年研究了利用蔗糖为基质，用甲苯处理的ZM来生产山梨醇和葡萄糖酸，他们将菌株和转化酵素一起固定在角素和海藻酸钙中。该共同固定化酶的最佳基质浓度为200g/L。Silveria在2001年开发了一种两步法来产生山梨醇、葡萄糖酸和乙醇的工艺，使用玉米浆作为第一步骤中的维生素源和氮源(Appl Microbiol Biotechnol，2001，55：442～445)。在这种情况下，生物转化过程以批式模式进行。利用质量浓度为25g/L和40g/L的玉米浆，可以达到最大的GFOR/GL酶活(13.2～13.5U/g干细胞)，这和利用5g/L的酵母粉培养液所达到的结果是一样的，说明玉米浆是一种有效且廉价的培养基质添加物，大大增加了利用运动发酵单胞菌大规模生物法生产山梨醇和葡萄糖酸的经济潜力。

菊芋是一种多年生草本植物，俗称洋姜，鬼子姜，属菊科向日葵属。由于其具有耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙、适应性广、繁殖性强等优点，使其在全国各地均有分布。菊芋的主要成分是多聚果糖，占菊芋块茎干重的70％，果聚糖经菊糖酶或酸水解得到以果糖为主并含有部分葡萄糖的水解液，用其来生产2，3-丁二醇、乙醇、乳酸和微生物油脂(中国专利公开号：CN10128968A；Food Technol Biotechnol 2005，43(3)：241-246；中国专利申请公开号：CN10110899A；中国专利申请公开号：CN1952163A)，都取得了较好的结果。因此，利用非粮可再生资源菊芋为原料，生产山梨醇，同时生产葡萄糖酸，可以在一定程度上降低生产成本，提高生产效率。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用非粮的廉价原料菊芋来代替果糖和葡萄糖生产山梨醇的技术方法，解决目前主要利用糖为底物生产山梨醇成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种生产山梨醇和葡萄糖酸盐的方法，具体步骤为：

(1)原料制备和处理

以鲜菊芋的块茎为原料，将其制成菊芋汁或菊芋浆，向菊芋汁或菊芋浆中加入稀酸；或者将菊粉直接加入稀酸中，再进行水解，制成菊芋水解液，条件为稀酸浓度为0.005～1mol/L，温度为10～150℃，所述的稀酸选自硫酸、盐酸、磷酸、酸性离子交换树脂、固体超强酸、固体金属化合物等固体酸中的一种；水解原料为菊芋、富含低聚果糖或蔗糖的如甘蔗、甜高粱、菊苣、糖蜜中的一种；