[发明专利]一种完全利用木质纤维素生产富马酸的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，尤其是利用木质纤维素资源的微生物发酵产有机酸的方法，具体涉及将木质纤维素完全利用于微生物发酵生产富马酸的方法。

背景技术

富马酸(Fumaric Acid)，是一种重要的有机基本化工原料和精细化工产品，主要用于合成不饱和聚酯树脂等，广泛用于涂料、树脂、医药、增塑剂等领域，并可作为添加剂用于食品饲料工业以及医药领域。同时作为一种重要的四碳平台化合物，富马酸还可以通过酶催化转化等工艺生产L-天冬氨酸、苹果酸、琥珀酸等其他四碳化合物。当前富马酸生产的主流技术是顺酐异构法，其原料苯的毒性严重限制了富马酸在食品及医药等方面的应用。近年来随着石油价格的不断上涨，富马酸的生产成本也不断提高，研究利用可再生的生物质资源发酵制备富马酸成为大势所趋。

发酵法制备富马酸的常用菌种为根霉菌(Rhizopus)，如米根霉(R.oryzae)、少根根霉(R.arrhizus)以及黑根霉(R.nigricans)等，使用的原料有葡萄糖、木糖、淀粉等，在发酵过程中产生的主要副产物为苹果酸、乳酸等杂酸。美国专利US4877731公开了一种通过分阶段溶氧控制策略发酵R.arrhizus利用葡萄糖生产有机酸的方法，富马酸占发酵产总酸的比例约为78％，同时发酵液中含有琥珀酸、苹果酸、α-酮戊二酸等多种有机酸。本发明人公开了一种富马酸产生菌及其诱变筛选方法和利用该菌株发酵葡萄糖生产富马酸的方法，经液体深层发酵富马酸浓度达到90～120g/L，富马酸产量占总酸产量的90％～95％。除了使用葡萄糖为原料，Helena Kautola等利用木糖为原料，固定化发酵R.arrhizus，10.25天后得到富马酸最大产量为16.4g/L(Appl MicrobiolBiotechnol，1989，31：448～452)；Carta F.S等利用根霉菌发酵富含淀粉的木质纤维素木薯甘蔗渣酶解液得到富马酸产量为21.28g/L(Bioresource Technology，1999，68：23～28)。到目前为止，主要研究集中于根霉菌发酵葡萄糖生产富马酸，而以木糖等其他生物质资源作为发酵培养基的碳源，富马酸产量低，生产速率差，糖酸转化率低，制约了发酵产富马酸的工业化。

木质纤维素来源于农作物废弃物，它包括玉米秸秆、玉米芯、甘蔗渣、废木屑等工农业废弃物，含35％～50％的纤维素，20％～35％的半纤维素和10％～15％的木质素，其降解产物中富含大量的糖类，主要有纤维素降解产物葡萄糖以及半纤维素降解产物木糖等。因此，木质纤维素是一笔巨大的潜在资源，若利用得当，就可以化废为利，兼收经济、环境和社会效益。对于我国这样一个人口众多，人均资源贫乏的农业大国，研究与推广木质纤维素的资源化对保护环境，发展经济具有重大的现实意义。

目前对微生物如何有效利用木质纤维素这一方法的研究主要集中于将木质纤维素降解得到的混合糖液用于发酵产乙醇的方面，但是由于葡萄糖对乙醇发酵有很强的抑制作用，以及混和糖利用在乙醇发酵上有困难等问题，在这类产品的生产方法的开发改进问题还有待解决。而其他研究也限于诸如将降解得到的糖液分别分离提纯后，再利用纯木糖转化为木糖醇等方面，然而木糖的转化率低、代谢效率差是解决木质纤维素有效利用的一个关键问题，木质纤维素的完全利用还需要在生产方法上进一步改良。

发明内容

本发明的目的是提供一种能将木质纤维素的降解液完全利用于微生物发酵生产富马酸的方法，主要在于可以将降解半纤维素得到的木糖和降解纤维素得到的葡萄糖几乎完全利用于发酵生产富马酸，实现木质纤维素的高效利用，有效降低富马酸生产的成本。

为了实现本发明的技术目的，本发明采用的技术方案如下：

以两步法降解木质纤维素得到的两步降解液为原料，将其分别用于根霉菌的种子培养步骤以及发酵产富马酸步骤。将降解半纤维素得到的木糖溶液配制成种子培养基用于种子培养的同时，再将降解纤维素的产物葡萄糖溶液配制成发酵产酸培养基用于发酵产富马酸，实现完全利用木质纤维素发酵生产富马酸的技术目的。

具体的步骤如下：

1、对木质纤维素进行降解：

本发明所述的对木质纤维素的降解主要是两步降解法，即首先降解木质纤维素中的半纤维素得到木糖以供种子培养步骤，再降解木质纤维素中的纤维素得到葡萄糖以供发酵产富马酸步骤。

1)降解半纤维素：