一种选择性转化分流生物制品的方法.pdf

本发明涉及一种从相同生物基质选择性转化、分流、制备不同生物制品的方法，尤其涉及由半纤维素水解物直接生产木糖醇与阿拉伯糖方法。它用酸或酶水解富含阿拉伯糖木聚糖的原料，获得富含阿拉伯糖及木糖的水解物。这种水解物经脱毒处理后，接入能够发酵木糖生成木糖醇，而不能利用阿拉伯糖的酵母菌株。当发酵液中的木糖浓度低至一定限度之后停止发酵。将发酵液经离子交换脱盐，脱色，并适当浓缩之后，进行色谱分离，分别得到木糖醇溶液，及以阿拉伯糖为主要成分的杂糖溶液。经处理后，从上述溶液分别获得晶体木糖醇、结晶阿拉伯糖。它将木糖醇、阿拉伯糖的生产过程结合在一起，降低了生产成本，提高了资源利用率。

1、  一种从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，包括如下步骤：通过工艺设计或者菌种选择，对所述生物基质中的不同组分进行可控的选择性转化；对转化处理的产物进行至少一次分离；对不同的分离产物实施过滤或者纯化，陆续或者同时获得不同的生物制品。

2、  根据权利要求1所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述生物基质被水解处理之后才加入实施所述选择性转化的所述菌种，或者操作实施所述选择性转化的所述工艺设计。

3、  根据权利要求2所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述水解物被实施除去微生物生长抑制物的脱毒处理之后才加入实施所述选择性转化的所述菌种，或者操作实施所述选择性转化的所述工艺设计。

4、  根据权利要求1所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述第一次分离的产物中，至少一种分离产物富集被选择性转化生成的目标生物制品。

5、  根据权利要求2至4的任一项所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，所述方法使用半纤维水解物为原料，目标生物制品是木糖醇和阿拉伯糖，其特征在于，所述方法包括如下步骤：经过脱毒处理之后的半纤维素水解物中接入菌种发酵；选择性地将水解物的木糖转化为木糖醇，而阿拉伯糖不被利用或转化，获得富含木糖醇及阿拉伯糖的发酵液；除去细胞的发酵液经离子交换净化之后，进行第一次色谱分离，获得纯净的木糖醇流分，及杂质较多的阿拉伯糖流分；对阿拉伯糖流分进行第二次色谱分离，提高阿拉伯糖纯度；对所述木糖醇流分、阿拉伯糖流分浓缩、结晶，获得结晶木糖醇与结晶阿拉伯糖。

6、  根据权利要求5所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述菌种为代谢消耗葡萄糖，转化木糖生成木糖醇，但不能利用阿拉伯糖的热带假丝酵母种子。

7、  根据权利要求6所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述热带假丝酵母种子是保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，编号为CCTCC M 205067的热带假丝酵母菌株(Candida tropicalis CCTCC M 205067)的活细胞培养物。

8、  根据权利要求5所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述第一次色谱分离用钙型阳离子树脂作为吸附剂，以纯水为洗脱剂，并且所述木糖醇流分是接近于只含单个液相色谱峰的纯品，所述发酵液中的杂质主要随阿拉伯糖流分排除。

9、  根据权利要求5所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述第二次色谱分离用铵型阳离子树脂作为吸附剂，以纯水为洗脱剂，提高阿拉伯糖纯度到50％—99％。

10、  根据权利要求8或9所述的从同一生物基质制备多个生物制品的方法，其特征在于，所述的色谱分离是单根柱层析，或者是效率更高的模拟移动床装置。

一种选择性转化分流生物制品的方法
技术领域
本发明属于生物发酵技术领域，它涉及选择性转化、分流生物制品的方法，尤其涉及木糖醇、阿拉伯糖组分从相同生物基质被陆续转化、生成、分流、浓缩、结晶，获得不同生物制品的方法。
背景技术
如何对同一生物基质进行可控的选择性转化、分流，陆续或者同时获得不同的生物制品，这是生物技术领域一项重要课题。本发明用半纤维素进行了开创性的技术尝试。
半纤维素主要指植物细胞壁中纤维素之外的聚糖类，是植物体内含量仅次于纤维素的天然多糖，约占植物躯干重量的20—30％。纤维素是由单一葡萄糖聚合成的均一聚糖，半纤维素则是以β-(1—4)-D-木糖构成主链，由不同量的几种糖单元组成分枝结构的低分子量多糖。半纤维素分枝结构当中最主要的取代基是阿拉伯糖基，其它少量的取代基还有半乳糖，甘露糖，鼠李糖等。
半纤维素比较容易水解，用稀酸或酶处理植物纤维材料，很容易生成以木糖、阿拉伯糖为主要糖类，还包括其它杂糖的水解物。
只有将半纤维素水解物中的木糖、阿拉伯糖分别纯化出来之后，它们才能实现各自的商业应用价值。
纯净的木糖主要用途是制备木糖醇。木糖醇由木糖还原生成，具有甜度与蔗糖相当，无致龋性，在体内代谢不需胰岛素参与，也不会造成血糖的急剧变化等重要特性，在防龋齿食品，糖尿病人食品具有重要的应用价值。
纯净的阿拉伯糖不仅风味与蔗糖极为相近，它的许多特殊的功能也引起了人们的广泛关注。例如阿拉伯糖能够抑制蔗糖酶的活性，从而抑制人体对蔗糖的吸收，可用于控制因食用蔗糖引起的血糖升高；阿拉伯糖具有抑制脂肪合成酶的活性，可用于预防肥胖。此外，阿拉伯糖还广泛用作合成核苷类药物的中间体，在医药工业中有广泛的应用范围。
然而，无论木糖或阿拉伯糖，只有达到很高的纯度之后才可能体现出较高的商业价值。木糖、阿拉伯糖的分离纯化，就成为其制造过程中极为重要的环节。
美国专利6,086,681，【从溶液中回收木糖的方法，Method for recovery of xylose fromsolutions，United States Patent(2000)6,086,681】提供了一种以结晶工艺从植物纤维的稀硫酸水解物中分离木糖的方法，该法将纯度为3060％(对总糖)的木糖溶液浓缩到木糖过饱和，然后冷却析出晶体木糖。不过这一发明没有涉及如何分离残余在母液中的木糖，也没有涉及如何分离已知存在于水解物中的阿拉伯糖。
美国专利6,872,316【木糖的回收，Recovery of xylose，United States Patent(2005)6,872,316】提供了一种纳滤(nanofiltration)工艺提高植物纤维水解液中的木糖纯度的方法。因为木糖能够较容易地透过纳滤膜，其它杂质如低聚糖、二价盐，己糖，色素等则较多地被截留滤膜内侧。因而植物纤维水解液的纳滤透过液的木糖纯度，可比原始水解液提高1倍以上，其后续的离子交换，脱色等工艺负担也随之减轻。在这一发明中，阿拉伯糖与木糖一样容易透过纳滤膜，因此它不能实现木糖与阿拉伯糖之间的分离。另外，纳滤对于单糖的分离效果也是十分有限的。
阳离子对单糖(或糖醇)有吸附作用，利用携带有阳离子材料作色谱填料分离不同的单糖或糖醇，是人们从多种单糖的混合溶液中分离目标单糖(或糖醇)的手段之一。
美国专利6,506,897【用甜菜根制备阿拉伯糖，Method of preparing l-arabinose from sugarbeet pulp.United States Patent(2003)，6,506,897】提供的一种制备阿拉伯糖的方法，包括了下几个步骤：a)用强碱溶液提取已经榨过糖的甜菜根。b)用强酸水解前一步骤所获得的粗阿拉伯聚糖。c)酸水解液中和，过滤。d)用单价阳子树脂(选用钠，或钾型)作为分离树脂，色谱分离出阿拉伯糖组分。e)经阳、阴离子交换树脂及吸附树脂进一步纯化所获得的阿拉伯糖溶液。f)结晶回收晶体阿拉伯糖，纯度98％以上。这一专利先用碱提取物料，再用酸水解的工艺显然比较繁琐，另外，专利中没有介绍水解液中是否存在木糖，也没有介绍如何分离木糖的问题。
中国专利01816511.7【专利名称：弱酸阳离子交换树脂色谱分离法从溶液中回收单糖；国际申请：PCT/FI2001/0008482001.9.28；专利权人：芬兰，达尼斯科甜味剂股份有限公司；发明人：H海基莱，J云帕伊宁等】介绍了利用结合了Na⁺、Mg²⁺、H⁺或Ca²⁺型的弱酸性阳离子交换树脂用于色谱分离，使用包括至少一个步骤的色谱分离的多步骤工艺，从含鼠李糖、阿糖、木糖和其混合物的单糖的溶液中回收选自鼠李糖、阿拉伯糖(阿戊糖)、木糖和其混合物的单糖的方法。这一专利的正文及附图描述均显示，它所提供的色谱分离方法中，其木糖组分与阿拉伯糖的组分并未完全分离。此外，它也未述及选择性转化糖为糖醇，以及如何进行糖醇与糖之间的分离问题。
除了将阳离子交换树脂作为糖的色谱分离填料之外，一些结合了阳离子的无机材料也被用于糖类的分离纯化。
美国专利4,664,718【从戊糖/已糖混合物中分离阿拉伯糖的方法；Chang；Chin-Hsiung，Process for separating arabinose from a pentose/hexose mixture。United States Patent(1987)，4,664,718】介绍了以钙Y-型沸石，或钙X-型沸石作吸附剂，从戊糖/已糖混合物中分离阿拉伯糖的方法，但这一专利没有涉及分离回收木糖，或木糖醇。
美国专利4,857,642【从其它醛糖混合物中分离阿拉伯糖的工艺；Kulprathipanja，Processfor separating arabinose from a mixture of other aldoses，United States Patent(1989)，4,857,642】介绍用铵X-型沸石作吸附剂，从其它醛糖混合物中分离阿拉伯糖的方法。美国专利4,880,919【从醛糖混合物中分离阿拉伯糖的工艺；Kulprathipanja，Process for separating arabinose froma mixture of aldoses，United States Patent(1989)，4,880,919】介绍用钙-铵型混合的阳离子交换树脂作吸附剂分离阿拉伯糖。这两个专利也均未涉如何回收木糖或木糖醇的问题。
以水为洗脱剂，单糖、糖醇在阳离子树脂(或沸石)上的色谱分离效果，取决于它们分子结构的亲/疏水性能。具有相同碳原子数的同一类糖(例如，属于五碳醛糖的木糖与阿拉伯糖)，或具有相同碳原子数的糖醇(如五碳的木糖醇与阿拉伯糖醇)之间，彼此互为同分异构体，其化学性质十分相近，同一种阳离子树脂对它们之间吸附能力的差异也就很小。所以，无论用阳离子树脂(包括Na⁺、Mg²⁺、H⁺或Ca²⁺)直接分离半纤维素水解物中的五碳糖(木糖与阿拉伯糖)，或者是分离水解物经化学氢化后所生成的醇液(糖生成相应的醇)，都存在设备分离效率不高，产品的收率与纯度偏低等难于解决的困难。
为了提高分离效率，许多学者采用了生物发酵辅助纯化的手段，即利用只能同化特定单糖的微生物选择性除去不需要的糖类，使水解液中目标单糖的纯度相对提高，以提高后续分离工序的效率。
Nyun等人【Nyun Ho Park，Shigeki Yoshida，Akira Takakashi，et al.A new method for thepreparation of crystalline L-arabinose from arabinoxylan by enzymatic hydrolysis and selectivefermentation with yeast.Biotechnology Letters 2001，23：411—416】用来源于绳状青霉(Penicilliumfuniculosum)培养物的粗酶液水解富含阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan，含28.1％阿拉伯糖，32.8％木糖)的玉米皮，结果有21.3％(w/w)阿拉伯糖，18.7％(w/w)木糖被水解出来。此外，水解物中还含有一些其它单糖及低聚糖。用能够代谢木糖，但不能代谢阿拉伯糖的土星拟威尔逊酵母(Williopsis saturnus)通气培养96小时，结果95％的阿拉伯糖在发酵液中保存下来，而木糖残留量只相当于原始阿拉伯木聚糖重量的0.002％。这种发酵液经活性碳脱色，离子交换树脂脱盐，浓缩后结晶，所获得的晶体中未检测出木糖。用生物发酵选择性地除去木糖的方法，虽然可以解决阿拉伯糖与木糖难于分离的困难，但却浪费了宝贵的木糖资源。
李道义等人【李道义，闫巧娟，江正强等(中国农业大学)，酵母菌发酵玉米皮酸水解液制备结晶L-阿拉伯糖。食品科学，2007，28(4)：125—127，】用自己筛选的酵母菌株WYS15-3发酵玉米皮的稀酸水解物7天，结果选择性地除去了水解液中的葡萄糖与木糖。发酵液经脱色，脱离子、浓缩结晶等步骤，获得含量为97％的阿拉伯糖，得率为玉米皮干基的9.6％。按这一实验所用的菌株与方法纯化玉米皮水解液制备阿拉伯糖，不仅没有利用木糖资源，而且生产过程太长(7天)。此外，由于所用酵母菌株不能同化水解液中的半乳糖，存在于阿拉伯糖过饱和溶液中的半乳糖，直接影响了阿拉伯糖的结晶收率。
中国专利200510040433.0【专利名称：一种从木糖母液或木糖水解液提取木糖和木糖醇的方法；发明人：彭奇均】提供了一种从木糖水解液或木糖母液中分离制备高纯度木糖或木糖醇的技术。具体方法是：以木糖水解液或木糖母液为原料，以酿酒酵母发酵除去其中的葡萄糖，以合成的专用钙型阳离子树脂作为色谱分离树脂，以水为洗脱剂，通过模拟移动床使木糖与阿拉伯糖等杂质分离，得到富含木糖的组分。或者将富含木糖，阿拉伯糖的糖液直接氢化，使它们生成为相应的醇之后，再通过模拟移动床色谱分离，获得不同的糖醇组分。但是，在本发明的举例中，分离水解液(糖液)的过程未能将木糖与其它杂糖(主要是阿拉伯糖)彻底分离，将水解液中的糖加氢还原为糖醇之后再进行的色谱分离，也未能将不同的糖醇(主要是木糖醇与阿拉伯糖醇)彻底分离。此外，这一专利虽然已经使用了微生物除葡萄糖的技术，也介绍了糖液氢化后木糖醇的分离，但并没有涉及如何选择性地将木糖转化为木糖醇，然后再将木糖醇与其它的糖分离的问题。
由于以水为洗脱剂的离子色谱法在分离糖类方面的固有缺陷，人们也尝试用其它的方法解决这一问题。
美国专利20060100423【从单糖混合物中分离与制备阿拉伯糖及木糖的工艺；Hollingsworth；Rawle I，Process for the preparation and separation of arabinose and xylose from amixture of saccharides；United States Patent Application，20060100423】利用单糖与酮或醛试剂反应，生成糖乙缩醛(acetals of the saccharides)，根据不同的糖乙缩醛对极性、非极性有机溶剂溶解性能的差异，可以使不同的糖乙缩醛彼此分离，最后再分别将其水解为相应的单糖。不过，大量使用有机溶剂在工业生产中的缺点是显而易见的。
冯亚青等人【冯亚青，刘燕同，张晓东等，从L-阿拉伯树胶提取L-阿拉伯糖，精细化工，2003，20(5)：288-290】以微晶纤维素，或硅胶为固定相，以正丁醇、乙酸乙酯、异丙醇与水的混合物为流动相，连续进行二次色谱分离，最后获得含量99％的阿拉伯糖晶体。但是，本文并没有使来源于植物细胞壁的半纤维素作原料，它所介绍利用有机溶剂作为流动相的色谱分离方法，在大规模工业性生产中也存在诸多的安全隐患。
综上所述可见，当前工业化生产木糖醇的化学工艺、或直接从半纤维水解物中分离阿拉伯糖，都无法解决木糖与阿拉伯糖之间难于分离的问题。此外，由于化学还原过程的非选择性，以现有的化学工艺也无法直接利用半纤维素水解物同时制备出木糖醇与阿拉伯糖。
微生物也能够催化木糖生成木糖醇。利用微生物直接发酵半纤维素水解物生产木糖醇，由于具有节能，无需化学工艺所必不可少的木糖纯化过程等优势，已经引起人们的极大关注。但目前发酵法生产木糖醇的效率还很低，尽管相关的研究报道甚多，但大多数仍局限于半纤维素水解物的制备方法，木糖醇发酵工艺优化方面。从木糖发酵液制备结晶木糖醇方面的研究甚少，也没有人研究发酵生产木糖醇与阿拉伯糖制备相结合的问题。
本发明人【蔡爱华，张厚瑞等：从蔗渣半纤维素水解物发酵液中分离纯化木糖醇。食品科学。2006，27(7)：136—139】曾经介绍，蔗渣半纤维素水解物发酵液经超滤处理，超滤透过液经离子交换柱层析脱盐之后，再经活性炭脱色，这种木糖醇液浓缩至可溶性固形物含量为80％，即可结晶得到含量≥98.5％的木糖醇产品。本发明人在该报道中还注意到，结晶母液的阿拉伯糖浓度超过木糖醇浓度的45.0％，木糖浓度超过木糖醇浓度的12.6％时，它们都容易随木糖醇一起结晶析出。如果发酵液中的木糖或阿拉伯糖超过这一浓度比例范围，将难于通过结晶的方法有效纯化出木糖醇。这一由发酵液制备结晶木糖醇工艺的特点是，将发酵液净化处理之后直接浓缩结晶，得出木糖醇晶体产品，剩下难以进一步结晶纯化，含有木糖醇，阿拉伯糖，木糖等成分的结晶母液。发明人当时显然没有意识到木糖醇发酵与阿拉伯糖提取结合的问题。
丁兴红等人【丁兴红夏黎明：影响半纤维素发酵液中分离纯化木糖醇关键因子的研究。中国食品学报。2006，6(6)：87—90】以木糖醇溶液与半纤维素发酵液为研究对象，考察了木糖醇初始浓度、残糖(阿拉伯糖)、晶种和结晶温度对木糖醇结晶动力学的影响，并确定了木糖醇初始质量浓度为750g/L，结晶温度为-4℃。在木糖醇溶液中添加1‰木糖醇晶种，能缩短结晶诱导期的延续时间，提高结晶速度。木糖醇溶液中少量的阿拉伯糖能提高木糖醇结晶速度，但当阿拉伯糖质量浓度高于120g/L时，木糖醇晶体的纯度会降低。这篇报告所述工艺路线，也是将净化后的发酵液直接浓缩，浓缩液直接结晶制出木糖醇产品。虽然它提到了发酵液中阿拉伯糖的存在将影响木糖醇晶体的纯度，但并没有论述如何回收阿拉伯糖的问题。
应国清等人【应国清，王普，张峰，虞炳钧：发酵法生产木糖醇的分离纯化工艺。中国医药工业杂志。2002，33(3)：117--123】则在含有残余木糖的发酵液(转化液)中加入一定浓度的NaOH，沸水回流约2h，将残留在发酵液中的木糖降解为相应的酸和并生成相应的盐类，再用阴、阳离子交换树脂除去盐，最后浓缩结晶得到木糖醇晶体。这一工艺显然不考虑回收发酵液中的其它糖类。
我们用钙型阳离子树脂对木糖、阿拉伯糖及木糖醇进行色谱分离的过程中发现，木糖与阿拉伯糖的色谱峰大部分相互重叠，但是，这两种糖与木糖醇的色谱峰却基本不重叠(图1)。显然，木糖醇—阿拉伯糖(糖—醇)之间的色谱分离效率，要比木糖—阿拉伯糖(糖—糖)之间的分离效率高得多。如果我们能够选择性地将半纤维素水解物中的木糖转化为木糖醇，并使阿拉伯糖不参与反应，那么就可以实现将对原料木糖—阿拉伯糖的分离，转变成为对产品木糖醇—阿拉伯糖的分离，木糖与阿拉伯糖之间的分离难题也就迎刃而解了。
某些酵母菌具有代谢消耗葡萄糖，转化木糖生成木糖醇，但不能利用阿拉伯糖的特性。原来以木糖—阿拉伯糖—葡萄糖为主要成分为半纤维素水解物，经这种微生物发酵之后就会转变为以木糖醇—阿拉伯糖为主要成分的发酵液。于是，用这种酵母对半纤维素水解物进行一次发酵，不仅能达到生物转化(木糖转化为木糖醇)与生物纯化(细胞代谢消耗除去葡萄糖，使木糖醇与阿拉伯糖的纯度提高)的双重效果，而且后续的产物色谱分离的效果也将得到有效改善。此外，对发酵液的一次色谱分离过程，事实上同时纯化了木糖醇与阿拉伯糖两个产品，从而避免了单纯生产木糖醇或阿拉伯糖时对原料选择的严格限制，提高了原料的综合利用水平，节约了生产成本。
发明内容
本发明开创了一套对同一生物基质进行可控的选择性转化、分流，陆续或者同时获得不同生物制品的方法。它通过特定工艺和菌种对生物基质中的部分组分进行生物转化，但是维持或者增强其他组分的自然生化特性，待前一转化产物被分流之后，再对其他组分实施新的转化、分流、分离、纯化、结晶等，获得新的生物制品。本发明实际上也首次公开、验证了通过工艺控制和菌种选择，对同一生物基质中的不同组分实施选择性转化、分流，进而获得不同生物制品的技术。
在以半纤维素为转化基质的开创性试验中，本发明创造了通过发酵半纤维素水解物生产木糖醇，与从半纤维素水解物提取阿拉伯糖相结合的新方法，有效解决了化学工艺生产木糖醇的过程中，以及由半纤维素水解物提取阿拉伯糖的过程中，由于木糖与阿拉伯糖之间化学性质相近带来的分离效率低，产品收率低，或使用有机溶剂带来的安全隐患。与现有从发酵液制备木糖醇的工艺相比，本发明多收获了阿拉伯糖；与现有的阿拉伯糖的生产工艺相比，本发明多收获了木糖醇。本发明对于提高资源利用率，降低木糖醇及阿拉伯糖生产成本方面的优势十分明显。
本发明的整个过程包括用酸或酶水解富半纤维素的原料，获得以木糖，阿拉伯糖为主成分，同时含有葡萄糖，甘露糖，半乳糖等杂糖的半纤维素水解物。这种水解物经除去微生物生长抑制物的脱毒处理之后，接入能够同化利用葡萄糖，专一性地转化木糖为木糖醇，但不能利用阿拉伯糖的酵母菌株。当发酵液木糖浓度低至一定限度之后停止发酵，得到以木糖醇与阿拉伯糖为主成分的发酵液。其中，木糖醇含有量一般不低于1％，阿拉伯糖含有量一般不低于2％。发酵液经细胞分离，离子交换脱盐，脱色之后适当浓缩，直接用钙型阳离子树脂为吸附剂，以纯水为洗脱剂进行色谱分离，分别得到纯度99％以上的高纯度木糖醇流分，及以阿拉伯糖--杂糖流分。高纯度木糖醇流分减压浓缩，降温结晶获得晶体木糖醇。阿拉伯糖--杂糖流分改用铵型阳离子交换树脂为吸附剂，仍以纯水为洗脱剂进行色谱分离，进一步提高阿拉伯糖流分的纯度。最后将纯度较高的阿拉伯糖流分浓缩结晶，获得晶体阿拉伯糖。
虽然上述色谱分离过程可以在填充了阳离子树脂的固定色谱柱上完成，但工业化的模拟移动床色谱装置能有效提高分离效率。
按照本发明的内容和试验数据，图1是木糖，阿拉伯糖及木糖醇的钙型阳离子树脂色谱分离流出曲线图。图2是生物转化半纤维水解物同时生产木糖醇与阿拉伯糖的工艺流程图。图3是玉米皮半纤维素水解物的HPLC色谱图(1.葡萄糖，2.木糖，3.阿拉伯糖)。图4是玉米皮半纤维素水解物的木糖醇发酵液HPLC色谱图(1.木糖，2.阿拉伯糖，3.木糖醇)。图5是钙型阳离子树脂模拟移动床色谱分离的木糖醇分流，在HPLC上显示为单个色谱峰。图6是钙型阳离子树脂模拟移动床色谱分离的阿拉伯糖—杂糖分流HPLC色谱图(1.阿拉伯糖，2杂糖，3.杂糖)。图7是第二次色谱分离(铵型阳离子树脂)的阿拉伯糖分流HPLC色谱图，主峰为阿拉伯糖。
用于本发明的半纤维素水解物是按如下方法制备的：
将富含半纤维素的材料如玉米皮(corn fiber)、玉米芯(com cob)，蔗渣(sugar cane bagasse)等，以质量分数为0.5—2.5％(w/w)的稀硫酸，或盐酸，以酸液能够浸泡过物料为宜，在110—140℃条件下水解0.5—2.5h。水解后收集液体部分，用Ca(OH)₂或CaCO₃调节至pH3—pH4，除去沉淀，上清液再用相当于原料重量1--3％的活性碳吸附处理。滤去活性碳的溶液再依次通过阳离子，阴离子交换树脂净化，浓缩后即得到可用于发酵的半纤维素水解物。
本发明按如下的方法，在发酵罐内利用酵母细胞选择性地催化将半纤维素水解物中的木糖经生物催化转化为木糖醇，而阿拉伯糖不参与生物催化反应。
本发明所指的微生物主要是热带假丝酵母。这种酵母能够利用半纤维素水解物中的葡萄糖，半乳糖，甘露糖等六碳糖作为碳源生长，而不会生成相应的糖醇；对于五碳醛糖，热带假丝酵母能够转化木糖为木糖醇，却不能利用同属五碳醛糖的阿拉伯糖。本发明实际使用的菌株由本发明人筛选的，并保存于中国典型培养物保藏中心的热带假丝酵母菌株Candidatropicalis CCTCC M 205067，及本发明人曾经报道过的Candida tropicalis AS2.1776【ZHANGHou-Rui，ZENG Jian-Zhi HE Cheng-Xin，et.al.Utilization of Sugar Cane Bagasse Hydrolysatesfor Xylitol Production by Yeast，Chinese Journal of Biotechnology.2002，18(6)：724—728】。
种子培养基组成：木糖20g/L，葡萄糖30g/L，酵母膏10g/L，KH₂PO₄，5g/L，NH₄H₂PO₄，3g/L，MgSO₄.7H₂O，0.1g/L，pH 5—6，液体装量一般控制在三角瓶容积的10—20％，115℃灭菌15分钟。取酵母的斜面培养物接种冷却后的培养基，28—35℃摇床活化培养10--12小时。按5—10％(v/v)的接种量将活化的酵母种子培养液转入新鲜培养基，继续摇瓶培养以获得足够量的液体种子。
制备好的半纤维素水解物浓缩至总糖浓度至大约200—250g/L，注入发酵罐，每升培养液另加入来自50—150g米糠或麦麸的热水浸出物，以满足酵母细胞生长的营养需要。按5—10％(v/v)的接种量接入酵母种子，33℃通气发酵培养，至木糖消耗完毕，结束发酵。
每一批发酵结束，用离心或过滤的方法将发酵液与酵母细胞分离。除去细胞的发酵液用于制备结晶木糖醇与阿拉伯糖，所收集细胞则转入新鲜的水解物培养基中，开始下一批发酵。培养基中的木糖浓度，培养基的配方，发酵罐内的装液量与前一批保持一致。如此反复循环，直至细胞不能利用。
本发明按如下的方法分离发酵液中的木糖醇与阿拉伯糖。
已经除去细胞的发酵液首先经过超滤，除去蛋白质、多糖及部分色素，再用活性碳吸附脱色，然后用离子交换树脂脱盐处理，得出无色透明的木糖醇发酵净化液。减压浓缩木糖醇发酵净化液至40—60％(w/w)浓度，供第一次色谱分离用。
在装有钙型阳离子树脂的色谱柱上端加样，开启色谱柱下端出口，当样品完全进入柱床后，用30—90℃纯水洗脱。在下端流出液的第一个色谱峰是以阿拉伯糖为主成分的糖类混合物，第二个色谱峰是几乎不含任何其它杂质，纯度>99％的木糖醇。在色谱流出曲线上，两个色谱峰基本不重叠。
将色谱分离获得木糖醇组份减压浓缩至浓度90％(w/w)左右，降温结晶，获得纯净的晶体木糖醇。
将第一次色谱分离获得的糖流分减压浓缩到总糖40—60％(w/w)，用铵型阳离子树脂作为吸附剂，仍以纯水为洗脱剂进行第二次色谱分离。在此次分离中，其流出的第一个峰是杂糖，第二个峰以阿拉伯糖为主成分。收集第二个色谱峰组分，然后减压浓缩至总糖60—80％，降温结晶，并分离出纯净的阿拉伯糖晶体。
用同一类型的阳离子树脂作为模拟移动床填料，可以比单柱更加高效地分离将木糖醇与阿拉伯糖分离，大幅度提高单位重量树脂在单时间内的生产效率，并节约用水量。
本发明与现有的技术相比，所具有的突出的实质性特点和显著的进步是：
第一，本发明通过特定的酵母菌株发酵半纤维素水解物，将其中大部分杂糖消耗于细胞代谢，木糖被高效率地转化为木糖醇，而阿拉伯糖不参与任何生物催化过程。于是，通过同一工艺过程能同时获得两个产品，这是以往报道的工艺所不能实现的。
第二，本发明通过生物的选择性催化作用，将以往的木糖—阿拉伯糖之间的糖—糖分离，转换为木糖醇—阿拉伯糖之间的糖—醇分离，净化后的发酵液利用色谱分离即可获得纯度>99％的木糖醇液，且产物回收率接近于100％。这两个指标水平是以往任何报道所没有达到的。
第三，本发明在第一次色谱分离过程就直接获得高纯度的木糖醇液，后续的木糖醇结晶过程纯粹是产品的物理成型过程，而不是产品的纯化手段。所以，本发明不存在不可利用的木糖醇结晶母液，这是以往的工艺所不能实现的。
第四，由于本发明在第一次色谱分离完全回收了木糖醇，所以第二次色谱分离过程主要是阿拉伯糖一杂糖之间的分离，它比阿拉伯糖—木糖之间的分离要相对容易。本发明通过第二次色谱分离将阿拉伯糖液的纯度提高到85％以上，这也是以往的工艺所不能实现的。
第五，本发明拓宽了木糖醇或阿拉伯糖生产的原料来源。无论用半纤维素水解物制备木糖或阿拉伯糖，所用原料的目标单糖含量必须较高，否则目标单糖将无法结晶析出。例如，以往生产阿拉伯糖就只能选用阿拉伯聚糖含量十分丰富的原料，并在严格控制酸用量以减轻木聚糖主链降解，降低水解物中的木糖相对含量，才能制备出结晶阿拉伯糖。同样，以往生产木糖也不能使用阿拉伯聚糖含量较高的原料。而本发明能在阿拉伯糖含量很高的条件下转化木糖为木糖醇，并通过色谱分离过程将其与阿拉伯糖完全分离。所以，无论选用原料中阿拉伯糖与木糖的比例如何，利用本发明提供的技术都能方便地同时生产出高纯度的木糖醇与阿拉伯糖。
第六，与现有的阿拉伯糖生产工艺相比，本发明更有效地利用了纤维水解物中的木糖。本发明要求能够同时充分水解出原料中的木糖，然后将其转化为附加值更高的木糖醇，并回收利用。而现有的阿拉伯糖生产工艺中，则尽可能减少木质纤维原料中木聚糖的水解程度，对已经水解出的木糖，只能酵母细胞将其消耗，或任其存在于结晶母液，而无法得到有效利用。
第七，与现有的木糖醇生产工艺相比，本发明更有效地利用了半纤维素水解物中的木糖与阿拉伯糖。在现有的木糖醇化学生产工艺中，必须从半纤维水解物中结晶纯化出木糖，才能进一步用于氢化生产木糖醇，因此有大量的木糖、阿拉伯糖混合于存在结晶母液中无法利用。现有的发酵液分离木糖醇工艺，结晶母液中也存在大量的阿拉伯糖不能利用。借助本发明技术，不仅完全回收了木糖醇，有效回收利用了其中的阿拉伯糖。
附图说明
图1木糖，阿拉伯糖及木糖醇的钙型阳离子树脂色谱分离流出曲线。
图2生物转化半纤维水解物同时生产木糖醇与阿拉伯糖的工艺流程。
图3玉米皮半纤维素水解物的HPLC色谱(1.葡萄糖，2.木糖，3.阿拉伯糖)。
图4玉米皮半纤维素水解物的木糖醇发酵液HPLC色谱(1.木糖，2.阿拉伯糖，3.木糖醇)。
图5钙型阳离子树脂模拟移动床色谱分离的木糖醇分流，在HPLC上显示为单个色谱峰。
图6钙型阳离子树脂模拟移动床色谱分离的阿拉伯糖—杂糖分流HPLC色谱(1.阿拉伯糖，2杂糖，3.杂糖)。
图7第二次色谱分离(铵型阳离子树脂)的阿拉伯糖分流HPLC色谱，主峰为阿拉伯糖。
具体实施方式
如下例子是为说明本发明的具体实施例。
实施例1
40kg玉米皮，加清水160L，煮沸。滤去液体部分，用清水洗一遍残渣，滤干后的残渣中加入2％(w/w)硫酸溶液80L，在水解反应器中125℃水解2小时。过滤除去残渣，滤液用碳酸钙调节至pH3，过滤除去沉淀物，滤液中加入1kg活性碳，吸附处理30分钟后除去活性碳，再依次通过阳离子、阴离子交换层析柱，得到无色透明的糖浆，并在减压条件下浓缩至要求的浓度。这种糖浆的葡萄糖，木糖，阿拉伯糖含量比例近似为1：2：1(参见图3)。
实施例2
干燥的蔗渣40Kg，加2.4％(w/w)硫酸溶液280L，125℃水解2小时。其余后续的处理步骤同实施例1。这种来自于蔗渣半纤维素水解物制备的糖浆，其葡萄糖，木糖，阿拉伯糖的含量比例约为1：10：1。
实施例3
取实施例1所得的玉米皮半纤维素水解物，并且每升发酵液另加入自于100g米糠的热水提取物，调节至总糖250g/L，其中含木糖约120g/L，阿拉伯糖80g/L，110℃灭菌10分钟。5L发酵罐(Biotech-5BG；Shanghai Baoxin Bioengineering.Equipment，Shanghai，China)装量3L，接种新鲜的热带假丝酵母CCTCC M 205067(Candida tropicalis CCTCC M 205067)，接种量5％(v/v)，通气量1vvm，搅拌转速300rpm，33℃培养约30h，木糖被转化为木糖醇，阿拉伯糖不参与反应(图4)。停止发酵后离心收集细胞沉淀，用新鲜的培养基将沉淀的细胞调成浆状，注回发酵罐。培养基加满至第一次发酵的装量体积，维持与第一罐相同的通气与搅拌速率水平。如此连续进行5次循环的发酵结果如表一。
表一、选择性转化玉米皮水解物生成木糖醇


实施例4
用木糖厂的木糖结晶母液为底物，在3T发酵罐用预先培养好的菌体发酵，工业离心机离心发酵液收集菌体，其它控制条件与实施例3相同。连续进行5次循环的发酵结果如表二。
表二、木糖结晶母液选择性转化生成木糖醇

实施例5
取实施例3所得的发酵液10L，经截留分子量5Kdal的超滤膜超滤脱蛋白，然后通过次序为：阳离子--阴离子一阳离子---阴离子的柱层析脱盐(阳离子树脂，001×7；阴离子树脂，D301。中国，南开大学树脂厂)，同时除去色素，得到无色透明的木糖醇—阿拉伯糖净化液。减压条件下将净化液再浓缩到可溶性物含量60％。
浓缩的净化液首先用共有20根2.5×50cm柱子，填充了钙型阳离子树脂(AMBERLITE CR1320Ca)为吸附剂的模拟移动床色谱系统，进行第一次色谱分离。分离温度60℃，进料速率5ml/min，纯水洗提速率25ml/min。系统平衡之后流出液的组成为：1.木糖醇流分，木糖醇含量≥99％(图5)，浓度12—13％；2.阿拉伯糖—杂糖流分，总可溶性物浓度5—7％，其中阿拉伯糖含量55—60％(图6)，其它杂质30—45％。木糖醇液直接浓缩之后结晶，获得晶体木糖醇，阿拉伯糖—杂糖流分则需进一步纯化。
将上一步骤获得的阿拉伯糖—杂糖流分减压浓缩至可溶性物含量60％，用铵盐将AMBERLITE CR1320Ca树脂转换为铵型，仍用上述的20根2.5×50cm柱子组成模拟移动床色谱系统进行第二次色谱分离。分离温度30℃，进料速率3ml/min，，纯水洗提速率23ml/min。系统平衡之后收集阿拉伯糖流分，其阿拉伯糖的纯度由进料之初的55—60％，提高到85％以上(图7)，浓缩之后结晶得出纯度≥99％的阿拉伯糖产品。