[发明专利]一种以菊芋为原料生物转化生产甘露醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及甘露醇的生产，具体地说是一种以菊芋为原料，通过粉碎、酶解、浓缩等手段加工成微生物可以利用的发酵原料，再利用微生物转化法生产甘露醇的方法。

背景技术

甘露醇(D-mannitol)又名甘露糖醇、己六醇。易溶于水，微溶于乙醇和甘油，对稀酸、稀碱稳定，是多元醇中唯一一种不吸湿的晶体。医药上，甘露醇主要作为脱水药、利尿药，用于治疗脑积水、降低颅内压、肾功能衰竭的输液和针剂的配料中，也可与氨基酸等配制成复合输液，同时可作为防治早期肾功能不全的药物中间体和脑血管舒张剂。由于其具有不吸湿性，还可用作抗癌药、抗菌药以及维生素等片剂的赋型剂；在化学工业上，它可以作为合成树脂和涂料的原料、聚氯乙烯的增塑剂、合成洗涤剂的助洗剂及织物柔软剂等；在食品工业上，由于甘露醇不吸湿，甜度适宜，热量低，无毒、副作用，在人体内代谢与胰岛素无关，不提高血糖值，不致龋齿等特点，可用作糖尿病、肥胖病人的甜味剂和功能性食品添加剂。

目前世界上广泛应用的生产方法为提取法、化学合成法和电解还原法。但以上方法不同程度地存在副产物山梨醇的产生，而且收率低。由于微生物发酵法生产甘露醇具有其它生产方法所不具备的优越性，能够有效避免副产物山梨醇的产生，因此有着广阔的应用前景。

许多微生物可通过其自身的细胞代谢工厂，将葡萄糖、果糖、甘露糖、木糖等糖源发酵产生甘露醇。1966年Foda就利用产黄青霉(Penicilliumchrysogenum)发酵葡萄糖溶液(50g/L)并成功地合成出24g/L甘露醇。Kyung-Hwa Song等(2002)分离出一株属于假丝酵母菌属的甘露醇高产酵母菌株C.magnoliaeHH-01。该菌株在葡萄糖和果糖为碳源的培养基中可以生产甘露醇。尽管酵母菌和丝状真菌具有以葡萄糖等碳水化合物合成甘露醇的能力，但其生产甘露醇的容积产率比较低，目前难以应用于工业化生产。而且，产甘露醇真菌中的大多数可利用已经生成的甘露醇，这使得应用酵母菌或丝状真菌发酵的过程难以控制。纯化所生产的甘露醇，尤其是以酵母菌生产的甘露醇，因其培养基内含有高浓度的甘油而使纯化过程比较复杂。而乳酸菌，尤其是异型发酵乳酸菌在厌氧条件下，将乙酰基磷酸转化成乙酸而不是乙醇，这样就额外产生一个ATP。如此要完成NAD+的再生就需要一个电子受体，而果糖恰好可以作为这样一个受体，于是果糖在NAD(P)H依赖性甘露醇脱氢酶的作用下被还原生成甘露醇。2006年，BadalC.Saha利用筛选到的乳酸菌Lactobacillus intermedius NRRL B-3693以酶解精制菊粉为底物，通过同步糖化发酵，在110小时内可得到0.57g/g底物的收率。但工业化应用，精制菊粉成本较高。

发酵用生物质能源主要有以下几种：糖质原料，淀粉质原料，菊粉质原料和木质纤维素类原料。糖质原料来自于富含蔗糖的一类植物中，包括甜菜、甘蔗以及甜高粱等；淀粉质原料来自于富含淀粉的植物中，主要有玉米、小麦、木薯、甜薯；木质纤维素原料存在于稻草、木材等农业残余物，主要由纤维素(半纤维素和木质素所组成，其中纤维素和半纤维素是碳水化合物组分)。菊粉质原料的不同之处在于，分解后主要产生果糖基，所以对于那些经由果糖转化得到目的产物的生产工艺来说，是质优价廉的原料。尤其是富含菊粉的菊科植物——菊芋，其单位面积生物量产量高，耐受生物及非生物胁迫能力强，而且管理及种植成本低。最重要的是，虽然淀粉是简单易得的葡萄糖基原料，而且容易被多种微生物利用。但一方面，国内玉米淀粉远远满足不了大规模发酵工业的发展，另一方面，工业用玉米涉及与粮食的竞争，我国耕地面积有限，玉米人均占有量低，因此开发利用果糖基能源进行生物质转化势在必行。而有效利用菊芋中的聚合果糖和乳酸菌的细胞工厂生物转化生产甘露醇，无疑是比较可行的路线之一。

发明内容

本发明的目的是开发利用一种果糖基发酵原料——菊芋发酵生产甘露醇。菊芋，通过粉碎、酶解糖化、浓缩等工艺加工，形成可供乳酸菌利用的发酵底物。经过菌种的筛选和发酵糖化菊芋汁条件的优化，从而将菊芋中的聚合果糖有效地转化为甘露醇。

所述糖化菊芋汁通过如下步骤获得，

1)菊芋原料的预处理：将菊芋块茎晒干，经粉碎机粉碎成粗颗粒5-10目，烘箱内60℃烘干，得菊芋粗粉；

2)菊芋粗粉的酶解浓缩条件：将菊芋粗粉以水溶解制成质量浓度10～20％溶液，加入1000U～100000U单位/升的菊粉酶，50～70℃水浴搅拌4～9小时充分糖化，纱布过滤，上清42℃旋转蒸发浓缩，获得糖化菊芋汁。

本发明具有如下优点：