由未改性淀粉产生乳酸的方法技术

本文所提供的技术涉及利用属于热解纤维素菌属的极度嗜热细菌细胞、其突变体、分离菌株、微生物培养物和微生物组合物由含淀粉材料产生乳酸(L

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由未改性淀粉产生乳酸的方法


[0001]本公开涉及用于利用属于热解纤维素菌属的极度嗜热细菌细胞、其突变体、分离菌株、微生物培养物和微生物组合物从含淀粉材料产生乳酸(L
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乳酸、D
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乳酸和/或D/L
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乳酸)的新方法。该新方法特别适于从任何碳源产生乳酸，不限于但尤其可用于未改性淀粉和/或含淀粉材料。

技术介绍

[0002]淀粉是一种易得的可再生材料，可用于食品和工业应用，包括糖浆生产、生物乙醇和生物化学品生产以及造纸。全球淀粉的主要来源是谷类植物，诸如玉米、小麦和稻米，以及根，诸如马铃薯和木薯。淀粉通常存在于植物用作能量储备的叶子、种子、根和纤维中。
[0003]淀粉是由糖苷键连接的葡萄糖分子构成的大分子量多糖。它由两种结构不同的分子组成：占淀粉的20
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30％的直链淀粉和占70
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80％的支链淀粉。每个分子的相对贡献取决于植物来源。直链淀粉是线性的通过α
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1,4键连接的葡萄糖单元链，聚合度高达6,000，而支链淀粉是高度支化的葡萄糖单元链，聚合度高达200万。直链淀粉中使用α
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1,6键每24至30个葡萄糖单元存在分支。一般来讲，直链淀粉比支链淀粉更不易降解，因为非支化的葡萄糖链更容易结晶，并且酶可以连接的链端点的数目较少。
[0004]淀粉水解成低聚糖和葡萄糖可以使用酶、酸或两者的组合来实现。然而，酶水解迄今为止是最优选的方法。水解一般由三个连续的步骤组成，分别称为糊化、液化和糖化。基本上，(i)糊化涉及水中的淀粉颗粒在高温下崩解，(ii)液化涵盖淀粉通过α
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淀粉酶部分水解，形成较短链的低聚糖，并且(iii)糖化涉及低聚糖通过葡糖淀粉酶完全水解，主要形成葡萄糖。
[0005]在糊化期间，淀粉中的分子间键在存在水的情况下，在90至165℃的温度下被破坏，使氢键合位点接合更多水。结果，淀粉颗粒膨胀并且破裂，半结晶结构部分损失，并且较小的直链淀粉分子开始从颗粒浸出。因此，不可逆的糊化将淀粉颗粒溶解于水中，并且增加淀粉用于随后淀粉酶水解的可用性。
[0006]因此，糊化过程将天然淀粉转化成改性淀粉。在文献中，天然淀粉(也称为生淀粉)被定义为未改性且未加工的淀粉，而改性淀粉被定义为通过物理、酶促或化学过程获得的淀粉产品，所述过程导致物理化学性质诸如含水量、直链淀粉含量、溶胀和粘度的变化(Karmakar等人，2014)。
[0007]糊化之后，淀粉分子通过淀粉酶(特别地，α
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淀粉酶和葡糖淀粉酶)的作用被分解成低聚糖和葡萄糖。α
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淀粉酶是水解过程中使用的第一种酶，其沿着淀粉链随机作用，使α
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1,4糖苷键断裂，以产生低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。葡糖淀粉酶，水解过程中的第二种酶，从低聚糖和麦芽糖的非还原端水解α
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1,4和α
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1,6键以产生葡萄糖。
[0008]存在许多天然产生α
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淀粉酶和葡糖淀粉酶的细菌和真菌。关于α
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淀粉酶，酶主要存在于芽孢杆菌属种(如解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和巨大芽孢杆菌
(Bacillus megaterium))的细菌培养物和曲霉属种(如米曲霉(Aspergillus oryzae)和黑曲霉(Aspergillus niger))的真菌培养物中。关于葡糖淀粉酶，酶通过少量芽孢杆菌属种并且通过真菌物种黑曲霉、米曲霉、斋藤曲霉(Aspergillus saitai)和泡盛曲霉(Aspergillus awamori)产生。
[0009]如前所述，淀粉是易于获得以用于工业生物技术应用的碳源。在这种情况下，
‘
淀粉
’
应从广义上理解，不仅包括含有淀粉的农作物和农业残余物，还包括来自工业和家庭的不同类型的含有淀粉的废物流。
[0010]目前为止，淀粉最重要的应用(就体积而言)是使用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)由玉米产生生物乙醇。传统上，酵母细胞在利用葡糖淀粉酶的糖化过程开始时添加至淀粉溶液中，并且逐渐将释放的葡萄糖分子转化成乙醇和二氧化碳。这个过程被称为同时糖化和发酵(SSF)，在30
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35℃的温度下进行，并且需要约72小时，得到16
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18％(v/v)的乙醇浓度。之后，通过离心，从发酵液分离出酵母细胞，并且通过蒸馏回收乙醇。
[0011]与利用依序水解和发酵的过程相比，SSF具有许多优点。一些优点是仅使用单个容器进行水解和发酵，因此降低了投资成本和停留时间。另一个优点是减少了酶水解的最终产物抑制，因此改善了总体过程的性能。主要缺点是为水解和发酵寻找有利的操作条件的挑战。在大多数情况下，应用的酶和微生物对于最大性能具有不同的最佳条件(诸如pH和温度)，并因此必须寻找并应用不太理想的折中方法。
[0012]除底物的价格之外，生产过程的成本是工业生物技术应用的商业可行性的重要因素，诸如上述生物乙醇的生产或诸如乳酸和正丁醇的其他生物化学品的生产。由于生产过程中的每个步骤都增加成本，所以减少步骤的数目将对总体过程的经济性产生积极影响。
[0013]作为SSF的后续过程，联合生物加工(CBP)是一种应用生物的过程，其将完全底物水解所需的酶的产生与释放糖的发酵组合在单一步骤中。虽然CBP尚未以商业规模实施(主要是因为目前没有表达水解所需的所有酶并且显示高发酵性能的微生物可供使用)，但是该过程将简化操作过程，并因此降低维护和生产成本。
[0014]乳酸是一种有趣的生物化学品，由CBP以商业规模生产。乳酸在世界各地用于制造食品、化学品和药学产品。最近，人们对可生物降解的聚乳酸很感兴趣，它是石化衍生塑料的替代品(Drumright等人，2000)。手性纯乳酸是通过微生物发酵来源于诸如甜菜糖、糖蜜、乳清和大麦麦芽的原料的碳水化合物葡萄糖、蔗糖、乳糖和淀粉/麦芽糖来以商业方式生产的(Narayanan等人，2004)。原料的选择取决于其价格、可用性以及乳酸回收和纯化的相应成本(Datta等人，1995；Vaidya等人，2005)。
[0015]在Panda和Ray(2008)的研究中，使用甘薯(Ipomoea batatus L.)粉，在半固体发酵中由植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)菌株MTCC 1407进行乳酸生产。值得注意的是，甘薯粉是易得且廉价的碳和其他营养物质的来源。已显示，淀粉分解菌株能够在单一步骤中将甘薯粉中存在的生淀粉转化为乳酸。所述微生物从100g红薯粉中存在的55g淀粉(43.4％)生产出23.86g克乳酸，在120小时孵育之后显示56％的转化率。据报道从含淀粉材料生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生乳酸的发酵方法，其包括以下步骤：将非改性淀粉和/或含有非改性淀粉的材料与包含热解纤维素菌属微生物的微生物培养物在初始温度和初始pH下接触一定时间段，从而产生一定量的乳酸，其中所述非改性淀粉和/或所述含有非改性淀粉的材料在作为联合生物加工(CBP)系统的一部分的单步骤过程中被转化，并且其中特别地，所述乳酸在转化期间和/或之后被分离。2.根据权利要求1所述的发酵方法，其中所述时间段为10小时至300小时。3.根据权利要求1至2中任一项所述的发酵方法，其中所述时间段为40小时至200小时、60小时至160小时。4.根据权利要求1至3中任一项所述的发酵方法，其中所述初始温度的范围为55℃至80℃，特别是70℃至78℃，特别是72℃至74℃。5.根据权利要求1至4中任一项所述的发酵方法，其中所述初始pH为5至9，特别是6至8，特别是7至7.5。6.根据权利要求1至5中任一项所述的发酵方法，其中所述含有非改性淀粉的材料包括含有非改性淀粉的植物材料。7.根据权利要求1至6中任一项所述的发酵方法，其中所述含有非改性淀粉的材料为玉米、小麦、豌豆、大麦、木薯、高粱、黑麦、马铃薯或其任何组合。8.根据权利要求1至7中任一项所述的发酵方法，其中所述含淀粉材料为马铃薯、马铃薯的部分和/或含有马铃薯的材料。9.根据权利要求1至8中任一项所述的发酵方法，其中所述含淀粉材料为玉米、玉米的部分和/或含有玉米的材料。10.根据权利要求1至9中任一项所述的发酵方法，其中所述含淀粉材料为豌豆、豌豆的部分和/或含有豌豆的材料。11.根据权利要求1至10中任一项所述的发酵方法，其中所述热解纤维素菌属微生物选自由以下组成的组：产乙酸热解纤维素菌、贝氏热解纤维素菌、长白热解纤维素菌、丹氏热解纤维素菌、热解纤维素菌属种菌株F32、热液热解纤维素菌、克里斯托热解纤维素菌、克龙诺茨基公园热解纤维素菌、产乳酸乙酸热解纤维素菌、摩氏热解纤维素菌、长野热解纤维素菌、黑曜石热解纤维素菌、欧文湖热解纤维素菌和解糖热解纤维素菌，如热解纤维素菌属种菌株DIB041C DSM 25771、热解纤维素菌属种菌株DIB 004C DSM 25177、热解纤维素菌属种菌株DIB 101C DSM 25178、热解纤维素菌属种菌株DIB 103C DSM 25773、热解纤维素菌属种菌株DIB 107C DSM 25775、热解纤维素菌属种菌株DIB 087CDSM 25772、热解纤维素菌属种菌株DIB 104C DSM 25774、热解纤维素菌属种BluCon006 DSM 33095、热解纤维素菌属种BluCon014 DSM 33096、热解纤维素菌属种BluCon016 DSM 33097和热解纤维素菌属种BluConL60 DSM 33252。12.根据权利要求1至11中任一项所述的发酵方法，其中所述微生物为热解纤维素菌属种BluConL60(DSMZ登录号33252)、从其衍生的微生物、其后代或突变体，其中所述其突变体保留BluConL60的性质。13.根据权利要求1至12中任一项所述的发酵方法，其中所述乳酸为L
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乳酸、或D
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乳酸、或D
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乳酸和L
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乳酸的外消旋混合物。14.一种乳酸产生工序，其特征在于包括以下步骤：
a)在生物反应器中，在作为联合生物加工(CBP)系统的一部分的单步骤过程中，通过热解纤维素菌属微生物将非改性淀粉和/或含有非改性淀粉的材料转化成乳酸，b)从发酵培养基分离出乳酸，c)纯化乳酸。15.根据权利要求14所述的乳酸产生工序，其特征在于包括以下步骤：a)在生物反应器中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：布鲁肯生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：