一种同时生产木糖醇和卫矛醇的工艺 【技术领域】
本发明涉及一种同时生产木糖醇和卫矛醇的工艺，属于生物技术领域。
背景技术
木糖醇和卫矛醇都是多元醇，木糖醇是一种新型甜味剂，食用木糖醇不易产生龋齿，也不会增加血糖，因而作为甜味剂被大量应用于食品行业，并作为糖尿病和肝炎患者的临床营养剂和治疗剂。另外它还是重要的化工原料，广泛用于国防、皮革、塑料和涂料等方面。卫矛醇，又名甜醇、半乳糖醇、已六醇，无色结晶性粉末，味微甜，难溶于冷水和醇，易溶于沸水，属于生化试剂，主要用于细菌鉴别、培养基配方等，是微生物研究、防病治病必不可少的重要糖类，其注射液也是治疗类风湿与防治白血病的重要药物。在自然界中，它主要存在于卫茅科植物及山萝花属的某些植物中，由于其含量很低，且常常与其它物质混合在一起，所以卫矛醇的生产与制备非常困难，市场价格很高。
木糖母液是以玉米芯为原料生产晶体木糖后得到的副产品，主要成份为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖。目前木糖母液的大规模应用主要集中在所含单糖的综合应用上，例如制备焦糖色素，生产饲料酵母等，不能充分发挥母液中各种单糖的价值。
专利CN 101029059A中描述了利用木糖母液中半乳糖生产卫矛醇的方法，但是没有分离利用其他糖类，不能使木糖母液中的主要糖份得到充分利用。
专利CN 101555503A中描述了利用酵母菌发酵木糖母液中的木糖、葡萄糖和半乳糖，不发酵阿拉伯糖来制备阿拉伯糖的方法，虽然分离得到了阿拉伯糖，但是其他糖类都被酵母发酵掉，也达不到充分利用木糖母液中主要糖份的目的。
专利CN 1210862A中提出了一种从木糖母液中回收木糖的工艺，通过将木糖母液脱水、醇稀释和结晶回收了木糖，一方面回收率低，另一方面大部分糖还是存在于母液中，得不到充分的利用。
【发明内容】
针对上述现有技术，本发明提供了一种同时生产木糖醇和卫矛醇的工艺。本发明采用先进的模拟移动床色谱分离技术、成熟的微生物发酵技术和催化加氢技术制得了木糖醇和卫矛醇，使木糖母液中的主要糖份得到了充分利用，提供了一种木糖母液大规模应用的方法，达到了提高木糖母液经济效益的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种同时生产木糖醇和卫矛醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将木糖母液稀释至质量浓度为30～40％，经脱色过滤、离子交换后得净化液，然后将净化液进行色谱分离，得到木糖和葡萄糖的混合液以及半乳糖和阿拉伯糖的混合液，其中，木糖和葡萄糖的混合液浓度为15～25％，其中木糖含量为75～90％，葡萄糖含量为5～20％；半乳糖和阿拉伯糖的混合液浓度为5～10％，其中半乳糖含量为45～65％，阿拉伯糖含量为25～35％；
(2)制备木糖醇：向上述经色谱分离得到的木糖和葡萄糖的混合液中加入营养成份，营养成份包括酵母膏、硫酸镁、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵，其中，添加量为：按照每升木糖和葡萄糖的混合液添加酵母膏5g、硫酸镁3g、磷酸二氢钾5g、磷酸二氢铵6g；调pH到4.0～6.0，灭菌后接入酵母菌种子液，进行发酵，发酵条件为：pH 4.0～6.0，按5～10％接种量接入种子液，温度28～35℃，通气量1∶(0.2～0.5)，搅拌转速100～150r/min条件下发酵64～72h，得发酵液；
(3)上述发酵液经金属微滤膜过滤去除酵母菌体后，进行脱色过滤、离子交换，再经蒸发浓缩至质量浓度为65～75％，结晶，得到结晶木糖醇；
(4)将步骤(1)中经色谱分离得到的半乳糖和阿拉伯糖的混合液进行蒸发浓缩，浓缩至质量浓度为35～45％，然后催化加氢，使混合液中的半乳糖转化成卫矛醇，阿拉伯糖转化成阿拉伯糖醇，从而得到卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液；
(5)对上述得到的卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液进行脱色过滤、离子交换后，打入结晶釜蒸发至过饱和加入卫矛醇晶种和晶种生长促进剂，结晶得到结晶卫矛醇。离子交换后不需要进行蒸发器蒸发，因为卫矛醇在水中的溶解度很低，加氢、脱色和离子交换后得到醇液浓度仍在35～45％之间，浓度蒸的过高会使卫矛醇过早的析出，而起不到结晶的目的。
所述步骤(1)中脱色过滤是在加入活性炭的同时加入氧化钙，氧化钙的作用是提高过滤速度，因为木糖母液含杂质较多，不容易过滤，氧化钙的添加量为干物质质量的0.2～1.5％，最适添加量为干物质质量的0.5～1.0％。
所述步骤(1)中色谱分离采用的是模拟移动床分离技术，色谱条件为：洗脱剂为除盐水，除盐水是经阴阳离子交换柱处理过的去离子水，指标为：pH值5.0～8.5，Cl
‑≤15ppm，电导率≤20us/cm，分离系统温度控制在40～70℃，分离剂为氯型碱性阴离子色谱分离树脂，所采用的模拟移动床为8柱的模拟移动床设备。
所述步骤(2)中酵母菌为热带假丝酵母。
所述步骤(2)中酵母菌的接种量为5～10％。
所述步骤(2)中酵母菌种子液是通过以下方法得到的：原始热带假丝酵母首先在斜面上活化，然后将活化菌种接入种子培养基进行扩大培养，再将种子液接入发酵培养基进行发酵；所用培养基及培养条件如下：
(i)活化培养基的配方为：酵母膏10g/L，蛋白胨20g/L，琼脂20g/L；活化的培养条件为：pH值4.0～6.0，温度28～35℃，培养72h；
(ii)种子培养基的配方为：木糖20g/L，葡萄糖30g/L，酵母膏10g/L，硫酸镁0.1
g/L，磷酸二氢钾5g/L，磷酸二氢铵3g/L；培养条件为：pH 4.0～6.0，温度28～35℃，通气量1∶(0.2～0.5)，搅拌转速100～150r/min条件下培养10～12h。
所述步骤(3)中金属微滤膜的截留分子量为10000～1000000，过滤操作压力为0.4～2.0Mpa，操作温度为30～80℃。将截留菌体进行回收，可用于下一次发酵。微滤后的发酵液中残留的菌体、蛋白质、胶体、色素、离子及其他杂质通过脱色过滤、离子交换去除，然后经蒸发浓缩至浓度为65～75％，结晶得到结晶木糖醇。
所述步骤(4)中，催化加氢的条件为：料液pH为7.5～8.0，按干物质质量的2～5％加入镭铌镍催化剂，反应温度为120～140℃，压力为9～12MPa，搅拌转速为200～500r/min。
所述步骤(5)中卫矛醇晶种为固体卫矛醇，加入量为料液重量的1～3％。
所述步骤(5)中晶种生长促进剂为食品级山梨酸钾和无水乙醇，或：葡萄糖酸钠和无水乙醇，其加入量分别为料液重量的0.01％和料液体积的2～5％。
本发明的工艺采用了先进的模拟移动床色谱分离技术、成熟的微生物发酵技术和催化加氢技术制得了木糖醇和卫矛醇，使木糖母液中的主要糖份得到了充分利用，达到了提高木糖母液经济效益的目的。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：取质量浓度为65％的木糖母液90kg，加除盐水稀释至质量浓度为35％，将木糖母液打入脱色釜，按木糖母液中干物质质量的4％加入活性炭2.5kg，同时按干物质质量的0.8％加入氧化钙0.47kg，调搅拌转速为200r/min，料液温度升至70℃后，保温30min，进行过滤，得到木糖母液脱色液；将脱色液经过阳阴离子交换柱进行离子交换，得到净化液，净化液中木糖含量为58.58％，葡萄糖含量为8.39％，半乳糖含量为18.77％，阿拉伯糖含量为12.63％。
将净化液打入模拟移动床原料罐，经过8柱装有氯型碱性阴离子色谱分离树脂的模拟移动床设备，控制分离系统温度为50℃，用除盐水进行洗脱，收集木糖和葡萄糖混合液与半乳糖和阿拉伯糖混合液。其中木糖和葡萄糖混合液浓度为18.5％，质量为138.5kg，木糖含量为85.3％，葡萄糖含量为12.8％；半乳糖和阿拉伯糖混合液浓度为7.4％，质量为160.2kg，半乳糖含量为56.8％，阿拉伯糖含量为30.3％。
向上述得到的木糖和葡萄糖混合中加入营养成份酵母膏、硫酸镁、磷酸二氢钾和磷酸二氢铵，得到发酵培养基(g/L)：木糖158，葡萄糖24，酵母膏5，硫酸镁3，磷酸二氢钾5，磷酸二氢铵6。调pH值5.0，灭菌。按7％接种量接入种子液，温度30℃，通气量1∶0.4，搅拌转速120r/min条件下发酵68h制得木糖醇发酵液。发酵后发酵液中木糖醇含量为130.4g/L，木糖转化率达到81.5％。
将上述发酵液用金属微滤膜过滤去除酵母菌体，金属微滤膜的截留分子量为30000～1000000，过滤操作压力为1.0Mpa，操作温度为50℃。将截留菌体进行回收，可用于下一次发酵。微滤后的发酵液中残留的菌体、蛋白质、胶体、色素、离子及其他杂质通过脱色过滤、离子交换去除得净化醇液。
上述净化醇液经四效真空降膜蒸发器蒸发得到浓度为71％的浓缩液，浓缩液打入结晶釜在真空条件下继续蒸发至浓度为82％时加晶种，当晶种长到一定程度时放料至结晶槽，通过降低温度使晶体继续长大，结晶完好后，进行离心，干燥得10.7kg木糖醇晶体。
将色谱分离得到的半乳糖和阿拉伯糖混合液进行蒸发浓缩至浓度为40％，调料液pH为7.8，按干物质质量的4％加入镭铌镍催化剂474g，在温度为130℃，压力为10MPa，搅拌转速为400r/min条件下催化加氢，使混合液中的半乳糖转化成卫矛醇，阿拉伯糖转化成阿拉伯糖醇，得到卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液。
卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液经脱色过滤、离子交换后得到净化醇液，将净化醇液打入结晶釜蒸发至过饱和，按料液重量的2％加晶体卫矛醇474g，同时按料液重量的0.01％加入山梨酸钾2.3g，按料液体积的4％加入无水乙醇约0.63L后降温结晶，结晶后离心、干燥得到4.12kg卫矛醇。
实施例2：取质量浓度为65％的木糖母液90kg，加除盐水稀释至质量浓度为30％，将木糖母液打入脱色釜，按木糖母液中干物质质量的4％加入活性炭2.5kg，同时按干物质质量的0.2％加入氧化钙0.12kg，调搅拌转速为200r/min，料液温度升至70℃后，保温30min，进行过滤，得到木糖母液脱色液；将脱色液经过阳阴离子交换柱进行离子交换，得到净化液，净化液中木糖含量为58.58％，葡萄糖含量为8.39％，半乳糖含量为18.77％，阿拉伯糖含量为12.63％。
将净化液打入模拟移动床原料罐，经过8柱装有氯型碱性阴离子色谱分离树脂的模拟移动床设备，控制分离系统温度为40℃，用除盐水进行洗脱，收集木糖和葡萄糖混合液与半乳糖和阿拉伯糖混合液。其中木糖和葡萄糖混合液浓度为17.2％，质量为137.5kg，木糖含量为83.6％，葡萄糖含量为11.5％；半乳糖和阿拉伯糖混合液浓度为6.8％，质量为159.5kg，半乳糖含量为54.7％，阿拉伯糖含量为28.5％。
向上述得到的木糖和葡萄糖混合中加入营养成份酵母膏、硫酸镁、磷酸二氢钾和磷酸二氢铵，得到发酵培养基(g/L)：木糖144，葡萄糖20，酵母膏5，硫酸镁3，磷酸二氢钾5，磷酸二氢铵6。调pH值4.0，灭菌。按5％接种量接入种子液，温度28℃，通气量1∶0.2，搅拌转速100r/min条件下发酵64h制得木糖醇发酵液。发酵后发酵液中木糖醇含量为105.9g/L，木糖转化率达到72.6％。
将上述发酵液用金属微滤膜过滤去除酵母菌体，金属微滤膜的截留分子量为30000～1000000，过滤操作压力为0.4Mpa，操作温度为30。将截留菌体进行回收，可用于下一次发酵。微滤后的发酵液中残留的菌体、蛋白质、胶体、色素、离子及其他杂质通过脱色过滤、离子交换去除得净化醇液。
上述净化醇液经四效真空降膜蒸发器蒸发得到浓度为70.5％的浓缩液，浓缩液打入结晶釜在真空条件下继续蒸发至浓度为80％时加晶种，当晶种长到一定程度时放料至结晶槽，通过降低温度使晶体继续长大，结晶完好后，进行离心，干燥得8.8kg木糖醇晶体。
将色谱分离得到的半乳糖和阿拉伯糖混合液进行蒸发浓缩至浓度为35％，调料液pH为7.5，按干物质质量的2％加入镭铌镍催化剂217g，在温度为120℃，压力为9MPa，搅拌转速为200r/min条件下催化加氢，使混合液中的半乳糖转化成卫矛醇，阿拉伯糖转化成阿拉伯糖醇，得到卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液。
卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液经脱色过滤、离子交换后得到净化醇液，将净化醇液打入结晶釜蒸发至过饱和，按料液重量的1％加晶体卫矛醇217g，同时按料液重量的0.01％加入山梨酸钾2.2g，按料液体积的2％加入无水乙醇约0.29L后降温结晶，结晶后离心、干燥得到2.24kg卫矛醇。
实施例3：取质量浓度为65％的木糖母液90kg，加除盐水稀释至质量浓度为40％，将木糖母液打入脱色釜，按木糖母液中干物质质量的4％加入活性炭2.5kg，同时按干物质质量的1.5％加入氧化钙0.88kg，调搅拌转速为200r/min，料液温度升至70℃后，保温30min，进行过滤，得到木糖母液脱色液；将脱色液经过阳阴离子交换柱进行离子交换，得到净化液，净化液中木糖含量为58.58％，葡萄糖含量为8.39％，半乳糖含量为18.77％，阿拉伯糖含量为12.63％。
将净化液打入模拟移动床原料罐，经过8柱装有氯型碱性阴离子色谱分离树脂的模拟移动床设备，控制分离系统温度为70℃，用除盐水进行洗脱，收集木糖和葡萄糖混合液与半乳糖和阿拉伯糖混合液。其中木糖和葡萄糖混合液浓度为19.8％，质量为140.6kg，木糖含量为87.6％，葡萄糖含量为13.5％；半乳糖和阿拉伯糖混合液浓度为8.2％，质量为162.6kg，半乳糖含量为57.9％，阿拉伯糖含量为32.2％。
向上述得到的木糖和葡萄糖混合中加入营养成份酵母膏、硫酸镁、磷酸二氢钾和磷酸二氢铵，得到发酵培养基(g/L)：木糖173，葡萄糖69，酵母膏5，硫酸镁3，磷酸二氢钾5，磷酸二氢铵6。调pH值6.0，灭菌。按10％接种量接入种子液，温度35℃，通气量1∶0.5，搅拌转速150r/min条件下发酵72h制得木糖醇发酵液。发酵后发酵液中木糖醇含量为155.5g/L，木糖转化率达到88.7％。
将上述发酵液用金属微滤膜过滤去除酵母菌体，金属微滤膜的截留分子量为30000～1000000，过滤操作压力为2.0Mpa，操作温度为80℃。将截留菌体进行回收，可用于下一次发酵。微滤后的发酵液中残留的菌体、蛋白质、胶体、色素、离子及其他杂质通过脱色过滤、离子交换去除得净化醇液。
上述净化醇液经四效真空降膜蒸发器蒸发得到浓度为72％的浓缩液，浓缩液打入结晶釜在真空条件下继续蒸发至浓度为81％时加晶种，当晶种长到一定程度时放料至结晶槽，通过降低温度使晶体继续长大，结晶完好后，进行离心，干燥得15.2kg木糖醇晶体。
将色谱分离得到的半乳糖和阿拉伯糖混合液进行蒸发浓缩至浓度为45％，调料液pH为8.0，按干物质质量的5％加入镭铌镍催化剂667g，在温度为140℃，压力为11MPa，搅拌转速为500r/min条件下催化加氢，使混合液中的半乳糖转化成卫矛醇，阿拉伯糖转化成阿拉伯糖醇，得到卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液。
卫矛醇和阿拉伯糖醇的混合液经脱色过滤、离子交换后得到净化醇液，将净化醇液打入结晶釜蒸发至过饱和，按料液重量的3％加晶体卫矛醇800g，同时按料液重量的0.01％加入山梨酸钾2.6g，按料液体积的5％加入无水乙醇约0.89L后降温结晶，结晶后离心、干燥得到5.15kg卫矛醇。