[发明专利]一锅法酶水解-氧化纤维素制备葡萄糖酸的方法

说明书

本发明公开了一锅法酶水解‑氧化纤维素制备葡萄糖酸的方法，在含有纤维素原料的酶解体系中，加入里氏木霉纤维素酶，草菇纤维二糖脱氢酶、黑曲霉葡萄糖氧化酶，进行协同酶解反应，一锅法制备出葡萄糖酸。本发明利用纤维二糖脱氢酶氧化纤维素酶解主要产物纤维二糖为新的切入点，可消除葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖为葡萄糖酸单一路径的诸多不足，极大地定向强化水解酶系‑氧化酶系相互协同作用，提高木质纤维素酶水解效率和葡萄糖酸得率。该方法相比目前纤维素酶/葡萄糖氧化酶法分步水解和氧化技术，采用一锅法技术实现纤维素高效同步酶水解和氧化，具有纤维素酶水解和氧化效率高，工艺和设备简单，成本更低等优点，在利用木质纤维素制备葡萄糖酸中具有良好的应用潜力。

技术领域

本发明属于生物基化学品生物制造技术领域，具体涉及一种利用纤维二糖脱氢酶参与协同的新型多酶催化体系一锅法高效酶水解-氧化纤维素制备葡萄糖酸的方法。

背景技术

葡萄糖酸(Gluconic acid，五羟基己酸)是一种重要的大宗生物基平台化学品，作为一种无腐蚀性、不易挥发、无毒性的温和有机酸，葡萄糖酸及其衍生物在食品、饲料、纺织和制药等行业具有广泛应用，近年来，葡萄糖酸钠作为一种常用的水泥缓凝剂而广泛应用于建筑行业。随着葡萄糖酸这种大宗化学品越来越多的功能得到开发，应用将越来越广泛，需求量非常巨大，生产规模逐渐扩大，葡萄糖酸的生产越来越受到国内外广泛关注。

葡萄糖酸可以通过化学或电化学催化方法、生物方法(酶或微生物发酵)从葡萄糖氧化制备，相比于化学或电化学催化方法，生物催化法更为高效和环境友好，是目前工业化生产葡萄糖酸所采用的方法。该方法主要是以丝状真菌黑曲霉(Aspergillus niger)、细菌氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)等微生物为生产菌株，将玉米淀粉或者蔗糖作为原料获得的葡萄糖通过微生物发酵转化为葡萄糖酸。以淀粉为原料生产葡萄糖酸的技术已经相当成熟，葡萄糖酸的浓度和转化率都比较高，但是由于存在与人争粮的问题，加之淀粉来源的葡萄糖本身价格较高，限制商品葡萄糖酸生产规模的进一步提升和成本下降，影响葡萄糖酸及其衍生物在更广泛领域的应用。因此，找到一种价格低廉且储量丰富的可再生原料来代替传统的淀粉和蔗糖生产葡萄糖酸，从而避免与人争粮，实现葡萄糖酸产业的可持续性高效发展非常必要。

基于木质纤维原料来源非常广泛，而目前又未能得到有效利用，有望成为今后工业化葡萄糖酸生产极好的潜在替代原料，相关研究已成为该领域的热点。目前以木质纤维为原料通过生物催化法(酶或微生物发酵)生产葡萄糖酸须要两步组成，第一步，预处理木质纤维须用纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖，第二步，葡萄糖再由微生物(主要为黑曲霉和氧化葡糖杆菌)发酵，或者通过葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase，GOD)将葡萄糖氧化为葡萄糖酸。但是，不管是采用微生物发酵法还是葡萄糖氧化酶法将葡萄糖氧化为葡萄糖酸，要实现以木质纤维为原料生产葡萄糖酸，预处理木质纤维素必须首先转化为可发酵性葡萄糖，从目前研究情况看，无论是利用商品纤维素酶或者自产的纤维素酶，由于木质纤维素的顽抗性，纤维素酶水解效率和成本仍然是关键制约因素。因此，利用木质纤维为原料生产葡萄糖酸，面临着和木质纤维生物炼制生产其它生物基化学品同样一个无法回避的瓶颈问题，即如何实现低成本、高效的木质纤维素酶解？同时这种分步水解、氧化的技术方案无疑增加了工艺和设备的复杂性，不利于进一步降低生产成本。所以从目前看，受制于诸多因素的影响，利用纤维素酶水解和葡萄糖氧化酶法将木质纤维素转化为葡萄糖酸的技术路径还存在诸多问题。

发明内容

发明目的：针对目前以木质纤维为原料通过生物催化法(酶或微生物发酵)生产葡萄糖酸须要两步组成，存在纤维素酶水解效率和成本问题，以及技术工艺和设备复杂性等问题，本发明的目的是提供一锅法酶水解-氧化纤维素制备葡萄糖酸的方法，可消除葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖为葡萄糖酸单一路径的诸多不足，极大地定向强化水解酶系-氧化酶系相互协同作用，提高木质纤维素酶水解效率和葡萄糖酸得率。同时添加液体石蜡为氧载体，可以提高分子氧传递速度，进一步提高催化速度和葡萄糖酸产率。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：