[发明专利]二羟基丙酮的酶促转化方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，涉及一种二羟基丙酮的生产方法，具体地说是一种二羟基丙酮的酶促转化方法。

背景技术

1，3-二羟基丙酮（1,3-Dihydroxyacetone ，DHA）是一种重要的精细化工产品。在食品、医药、化妆品品中均有广泛的用途。该物质也是一种重要的化工中间体，可以以其为原料合成多种手性化合物。二羟基丙酮有多种生产方法。主要可分为化学合成法与生物发酵法。化学合成法使用的原料为一些化工原料，在反应中要用到一些重金属催化剂，最终产品如应用于食品、医药及化妆品行业时，其安全性难以得到保证。其次，化学合成工艺对环境生成的污染也是一个不容忽视的问题。相对来说，生物发酵法的生产方法是以甘油为原料，通过生物氧化将其转化成二羟基丙酮。该工艺的原料及生产方法决定了所生产的产品对人类是安全的，对环境污染的影响也较化学合成法小。因此，目前以工业规模生产的二羟基丙酮都是以微生物的发酵方法生产的。

在自然界中可以将甘油氧化成二羟基丙酮的微生物种类很多。但绝大多数均不能应用于二羟基丙酮的生物转化。其主要原因是多数微生物对自已所产生二羟基丙酮的再利用能力很强，使得产生的二羟基丙酮无法有培养基中积累。目前为止，所知道的可以产生二羟基丙酮的微生物主要有酵母菌与葡萄糖氧化杆菌。两者相比，葡萄糖氧化杆菌的转化能力更强。因此在二羟基丙酮的生物转化工艺中均采用葡萄糖氧化杆菌作为生物催化剂。

葡萄糖氧化杆菌（Gluconobacter oxydans）是一种好氧的微生物，适应在含有高浓度糖类及低的pH环境中生长，在自然界中主要生长于植物的花朵、果实等环境中。该菌在长期的适应过程中，进化出了一套特殊的膜结合的脱氢酶系统。它们是一类含有黄素或PQQ的膜结合脱氢酶，这些酶对许多糖、醇及有机酸有很强的脱氢能力。并且这类脱氢反应仅在细菌的质膜上进行，绝大多数所形成的产物不被吸收入细胞内继续降解，而直接排出体外而产生大量的代谢产物。该菌这一种对底物的不完全氧化的特点被人们用来进行各种产品（如维生素C、葡萄糖酸及二羟基丙酮的生产。在利用葡萄糖氧化杆菌进行二羟基丙酮的过程中，该菌利用其特有的膜结合甘油脱氢酶将甘油氧化成二羟基丙酮。由于葡萄糖氧化杆菌对二羟基丙酮的代谢能力非常弱，所产生的二羟基丙酮可在培养基中大量积累。一般来说80%以上的加入的甘油可被转化成二羟基丙酮。

二羟基丙酮的一个重要特点是它在水中的溶解度非常高（根据温度的不同最高可达700g/L）。因此如果发酵所产生的二羟基丙酮的浓度较低的话，会对下游纯化工艺中的结晶造成困难。为此在利用葡萄糖氧化杆菌生产二羟基丙酮的工艺中，提高最终发酵产物中的二羟基丙酮的浓度是一个重要的发展方向。为此人们进行了大量的研究工作。现已证明在发酵过程中影响提高最终发酵液中二羟基丙酮浓度主要因素是高浓度的甘油及二羟基丙酮对细菌生长及代谢活性的抑制作用。为了提高葡萄糖氧化杆菌的转化效率，人们除了在培养基的组成及培养条件上进行优化之外，还研究了多种二羟基丙酮的发酵工艺。这些生产工艺主要包括有固定化细胞转化法、膜反应器法、两步发酵法、静止细胞转化法及半连续循环法等。以上各工艺各有利弊，一般最终发酵浓度最高可达百分之十左右。Bauer发明了一种半连续两步循环法semi-continuous two stage repeated fed batch）。在该发工艺中整个发酵过程分两阶段完成，他们利用一株高产的工业生产菌株及全自动发酵设备将二羟基丙酮的最发酵浓度提高到22%。但是，他们在发酵过程中对微生物的分析中发现当二羟基丙酮的浓度高于16%时发酵液中已无可再生的活细胞了。又如中国发明专利ZL200510033823.5提供的一种二羟基丙酮的生产方法，就是以甘油为底物采用葡萄糖氧化杆菌作为发酵菌生产二羟基丙酮。但以上这些方法无法获得高浓度的二羟基丙酮，导致后续的分离工序较为复杂，增加了二羟基丙酮的生产成本。

发明内容

本发明针对传统发酵方法无法生产高浓度二羟基丙酮的缺陷，提供一种二羟基丙酮的酶促转化方法，该方法是一种基于生物的酶促催化反应过程，经本法可得到高浓度的二羟基丙酮。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：