专利名称：高纯度木糖醇的制备方法
技术领域：
本发明涉及高纯度木糖醇的制备方法，详细而言，它涉及巧妙应用离子交换树脂从木糖醇生产菌的培养液(木糖醇酶反应液和木糖醇发酵液)中分离获得高纯度的木糖醇。
木糖醇是一种天然甜味料，在自然界广泛存在，草莓、菜花、莴苣、菠菜等果物和野菜等也含有该物质。木糖醇的特性是具有可与蔗糖相媲美的甜度，但热量低，其最大的特性是还具有抗龋齿性。
如美国专利第4008825号所记载的，木糖醇的制备主要是水解植物性原料中所包含的木聚糖，得到木糖，由还原后得到木糖醇。由于植物性原料中所含有的木糖含量低，该方法存在这样的问题水解所得木糖的回收率低，还存在许多其它不纯物，如戊糖和己糖等。另外，还有一个问题是水解过程中产生许多废液，为了环境保护，在废液处理上要花费许多资金。
如特开昭55-2690号公报、特公昭61-15034号公报、特公昭58-35169号公报所记载的，上面所得木糖在催化剂的作用下还原转变为木糖醇，但以木糖为底物生成的上述其它不纯物质，如戊糖和己糖等与木糖一起被还原，生成与木糖醇结构类似的糖醇，这样就有必要从目的木糖醇分离出夹杂于其中的多种糖醇。
因此希望从木聚糖的水解产物获得尽可能高纯度的木糖醇。木糖的纯度低，将之还原所得木糖醇的纯化过程复杂，进而木糖醇的生产费用增加。
为了解决该问题期望有这样一种木糖醇的制备方法，原始物质入手容易、产生废弃物的量少，且廉价。
检索到这样的制备方法，它从容易入手的葡萄糖开始，经过木糖，利用微生物来制备木糖醇，例如特表平8-505522号公报，它利用酵母从葡萄糖来生产木糖醇。
以葡萄糖作原料利用微生物生产木糖醇的制备方法，它经过水解植物原料中包含的木聚糖和用金属催化剂添加木糖的氧等比较严格的条件并伴随危险的过程，可在稳定条件下制备木糖醇，并降低了制备的费用。
但是，利用微微生物生成的木糖醇中含有副产物有机酸(如柠檬酸、醋酸、葡萄糖酸、延胡索酸和苹果酸)及副产物糖和糖醇(例如葡萄糖、D-阿拉伯醇和甘油)，或者含有培养基成物和微生物来源的成份，浓缩木糖醇生产菌的培养液(木糖醇酶反应液和木糖醇发酵液)，即使对糖醇进行结晶也难得到纯度良好的木糖醇结晶。此外，在前述的特表平8-505522号公报中虽然言及利用发酵来纯化木糖醇，但未提示具体的纯化方法，除此之外，在以葡萄糖为原料利用微生物制备木糖醇的方法中，纯化木糖醇的手段亦未知。因此若能够应用简便方法从应用微生物而制备的木糖醇含有液(木糖醇发酵液和木糖醇酶反应液)中回收到高纯度的木糖醇，就能够容易获得工业上廉价的木糖醇。
本发明的目的是提供最终能在工业上高效分离获得高纯度木糖醇的手段，它是在应用木糖醇生产菌制备木糖醇的方法中，从所得木糖醇溶液(木糖醇生产菌的培养液，例如木糖醇酶反应液和木糖醇发酵液)中制备。
本发明者们对高纯度木糖醇的制备方法进行了努力研究，结果发现通过巧妙利用离子交换树脂可从木糖醇的酶反应液和发酵液等木糖醇生产菌的培养液中分离获得高纯度的木糖醇，且基于此完成了本发明。
即，本发明涉及高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于(1)在水性培养基中培养木糖醇生产菌，从所得培养液中除去固形物；(2)用阳离子交换树脂及阴离子交换树脂除去所得固形物去除液中的离子物质，使之脱盐；(3)将所得脱盐液进行应用强酸性阳离子交换树脂的色谱分析，分离木糖醇和其它糖及糖醇类；(4)从所得木糖醇溶液(级分)中分离获得高纯度的木糖醇，并且本发明涉及高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，该制备方法的工序(1)和工序(2)之间加入排除离子的工序，将脱盐分工段进行，(1)在水性培养基中培养木糖醇生产菌，除去所得培养液中的固形物；(2a)应用强酸性阳离子交换树脂通过离子排除法大体上分离出所得固形物去除液中的离子物质，脱盐；(2b)应用阳离子交换树脂及阴离子交换树脂除去所得离子排除处理液(脱盐液)中的离子物质，脱盐；(3)应用强酸性阳离子交换树脂对所得脱盐液进行色谱分析，分离木糖醇和其它糖及糖醇类；(4)从所得木糖醇溶液(级分)中分离获取高纯度的木糖醇。
图1表示通过阳离子交换树脂“UBK-550”进行离子排除的分离色谱(实施例3的工序(2a))。
以下对本发明进行详细说明。
从按照本发明的方法进行处理的木糖醇酶反应液和木糖醇发酵液中可得到木糖醇，例如，在含有D-阿拉伯醇的培养基中培养木糖醇生产菌-葡萄糖杆菌属。氧化葡糖杆菌(Glucomobacter oxydans)ATCC 621，可将培养基中所含的D-阿拉伯醇转变为木糖醇(酶反应)。另外，D-阿拉伯醇的生成可如用Can.J.Microbiol31(1985)467～471记载的众所周知的微生物学方法从葡萄糖发酵生成。这样生成的D-阿拉伯醇可从发酵液中分离，或未进行分离的发酵液原液可作为木糖醇生产菌的培养基(酶反应液)。无论如何进行最终应用木糖醇生产菌通过酶反应(Enzymation)或发酵(Fermentation)可生产出木糖醇。
由于所得木糖醇生产菌的培养液(木糖醇的酶反应液和木糖醇发酵液)中含有菌体之外的不溶性成分(固形物)，所以首先要通过离心等适当手段除去固形物(工序(1))。
所得固形物去除液中包含未反应原料(未代谢原料)、中间产物的糖及糖醇、有机酸等副产物、以及作为培养基成分而添加的无机盐类等不纯物质。若除去这些不纯物质先要除去以有机酸为代表的离子物质，即进行脱盐。若不进行脱盐而从木糖醇的酶反应液和发酵液分离木糖醇，例如进行结晶分离时，即使添加种晶对浓缩的木糖醇进行结晶分析也析不出木糖醇，或者即便有结晶析出回收率明显降低。
离子物的去除是，如应用三菱化学(株)的‘SK-IB’样阳离子交换树脂及同一公司的‘WA 30’样阴离子交换树脂通过木糖醇溶液，以去除木糖醇溶液中的离子物质(工序(2))。
脱盐终了后的溶液，其固形成分大部分为木糖醇，稍微含有未反应原料或未代谢原料以及中间产物的糖及糖醇等非离子的不纯物质。于是，应用强酸性阳离子交换树脂对这些不纯物质进行色谱分离(工序(3))。
该色谱分离中可应用，如三菱化学(株)的强酸性阳离子交换树脂“UBK-55”，优选应用Ca型。供给色谱分离的木糖醇溶液，其固形成分的浓度为10～100g/dl，优选30～50g/dl(若所给木糖醇溶液在该范围之外时，将该固形成分的浓度进行稀释、浓缩，以调整到该范围内)，包括树脂量的5～20％，优选5-10％。通过色谱分离可将木糖醇级分与其它糖和糖醇的级分分别开来。期望的是其它糖和糖醇级分能通过微生物返回到这些转变为木糖醇的工序中，转变为木糖醇亦可。
色谱分离优选在脱盐终了后进行。这是为了防止色谱用的强酸性阳离子交换树脂的Ca离子从有机酸和无机盐等离子性不纯物质中脱离。
从色谱分离中得到的木糖醇溶液级分可分离获得高纯度的目的木糖醇(工序(4))。
从上述木糖醇级分中分离获得高纯度的木糖醇可通过那些已知的方法，如浓缩结晶析出等。浓缩结晶可这样进行，如将木糖醇溶液浓缩到固形成分的浓度为35～85g/10g水，向其中加入种晶，缓缓冷却。通过过滤、离心等适宜的方法使产生的木糖醇结晶，产生固液分离，由此分离获得高纯度的木糖醇。另外，也可通过书籍的方法-添加有机溶剂结晶析出的方法进行分离获得。即，向上述木糖醇级分中至少添加与水混和的甲醇、乙醇、异丙醇等低级醇(有机溶剂)，析出难溶于醇类的木糖醇。与浓缩结晶时相同，用过滤、离心等适宜的方法使生成的木糖醇结晶固液分离，以分离获得高纯度的木糖醇。或者也可将浓缩结晶与添加有机溶剂结晶的方法联用。例如，将上述木糖醇级分浓缩到某种程度，向其中加入有机溶剂析出木糖醇。
以上是对第1阶段进行脱盐工序时本发明实施方案(一步脱盐法)的说明，该实施方案是作为脱盐工序的前段工序，可追加排除离子的脱盐工序(二步脱盐法)。
以下对二步脱盐法脱盐工序进行详细说明。
如与一步脱盐法相关的先前说明的那样，从木糖醇生产菌的培养液中除去固形物，所得木糖醇溶液中残存有有机酸和无机盐类的不纯物质。
通常，分离有机酸是应用离子交换树脂通过离子交换法来进行，但该方法中要准备能充分吸附有机酸的树脂，必须分离吸附于其上的有机酸。再者，为了再利用树脂就必须要使用大量的酸和碱来溶解吸附的有机酸，这样就产生大量的排水，原材料费和废液处理费的花费增加，因此若树脂的使用量越少就能越容易的方法分离有机酸，树脂的使用量可以削减，木糖醇的制备消费也可减低，于是就可容易获得工业上廉价的木糖醇。
为达到此目的，在先前说明的一步脱盐法中应用阳离子交换树脂及阴离子交换树脂进行脱盐工序(工序(2b))之前追加利用离子排除法的脱盐工序(工序(2a))，将脱盐进行二次，这就是二步脱盐法。如众所周知，将离子交换树脂浸渍到电解质溶液中时，通过Donnan排除，树脂能排除含有离子的电解质，防止它进入离子交换树脂中。而另一方面，非电解质不被离子交换树脂所排除，能进入到树脂中。利用该现象，将含有电解质及非电解质两种物质的溶液通过离子交换树脂柱，树脂排除的含电解质的级分先通过柱，而后回收柱中流出的含非电解质级分，这种方法叫离子排除法。
用离子排除法进行脱盐(工序(2a))可应用，如三菱化学(株)公司的“UBK-550”样强酸性阳离子树脂，优选应用Na型或NH3型。供给离子排除的木糖醇溶液其固形成分浓度为10～100g/dl，优选25～70g/dl，负载树脂量的5-20％，优选5～10％。由此有80％的有机酸可从溶液中除去，即大部分离子物质从木糖醇溶液中去除。
残存的离子物质通过先前说明的一步脱盐法中的脱盐处理来去除。即，将通过离子排除法进行脱盐处理(工序(2a))的木糖醇溶液通过如三菱化学(株)的“SK-1B”样阳离子交换树脂及“WA 30”样的阴离子交换树脂，由此从木糖醇溶液中除去离子(工序(2b))。
一步脱盐法中的脱盐工序(工序(2))代表如上说明的用离子排除法的脱盐工序(工序(2a))及应用阳离子交换树脂及阴离子交换树脂的脱盐工序(工序(2a))，除此之外二步脱盐法与一步脱盐法相同。因此不必对二步脱盐法进行上述说明。
实施例以下通过实施例对本发明进一步说明。
以下所示名成分的定量分析是通过HPLC进行。
其分析条件如下。
(a)针对木糖醇、阿拉伯醇和木糖3种成分柱昭和电工(株)制造的HPLC柱“Shodex SUGARSC-1211”(6mmφ×250mm)柱槽温度60℃溶解液乙腈/水=40/60检测 RI检测器(b)针对醋酸、柠檬酸及葡萄糖酸3种成分柱YMC公司的HPLC柱“YMC YMC-pack ODS-AM303”(4.6mmφ×250mm)柱槽温度 20℃溶解液0.1 M Na2PO4缓冲液(pH=2.8)/乙腈=95/5检测 UV检测器(220nm)实施例1从D-阿拉伯醇开始的一步脱盐法(1)依据木糖醇生产菌的培养来生成木糖醇及从木糖醇生产的培养液中除去固形物(工序(1))将含有马铃薯葡萄糖琼脂(Difco公司)2.4％(W/V)、酵母提取物(Difco)3％、肉提取物(Difco)0.5％及甘油1．5％的水性培养基(pH=7.0)3.7L在120℃加热15分钟，灭菌。另外，将D-阿拉伯醇在120℃加热15分钟灭菌后，以2％(W/V)的量加入到上述培养基中。将氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)ATCC 621接种到该培养基上30℃振荡培养3天。将所得培养液离心，收集菌体，用生理盐水洗1次。
将D-阿拉伯醇溶解到0.1 M磷酸缓冲液(pH=6.0)中，使其终浓度达5％(W/V)，制备320 ml溶液。以该溶液为基本培养基(反应液)，向其中加入上面收集洗净的菌体，湿重达约10％(W/V)，另外为了防止培养进行中(反应时)培养基pH降低，加入碳酸钙，使之达2％(W/V)，30℃振荡培养。作为碳源，在培养开始时加入葡萄糖，使其量达1％(W/V)，培养开始6小时后加入乙醇，使之达5％(W/V)。培养开始24小时后生成4.9g/dl培养液的木糖醇(D-阿拉伯醇的收率为98％。
此时结束培养，将所得培养液(木糖醇酶反应液)进行离心，除去菌体之外的不溶性成分(固形物)之后，再用0.2μm的滤膜进行过滤。
所得滤液为260ml，其中含木糖醇4.5g/dl，醋酸3.4g/dl，葡萄糖酸1．77g/dl，木糖醇0.10g/dl。
(2)应用离子交换色谱除去离子物质(工序(2))从上述工序(1)的所得溶液中吸取200ml，将之首先通过填有200ml三菱化学(株)阳离子交换树脂“SK-1BL”(H型)的柱子，然后通过装有230ml同一公司产的阴离子交换树脂“MARATHONA2MxBD”(OH型)的柱子，进行脱盐。
回收了510ml脱盐液，其中含有木糖醇1.43g/dl，葡萄糖酸0.03g/dl。
(3)用色谱分离糖及其它糖醇类(工序(3))合并工序(1)及(2)重复数次而得到的脱盐液，浓缩之，得到含有以下浓度成分的木糖醇溶液。即，木糖醇34.5g/dl，D-阿拉伯醇0.5g/dl，D-木酮糖0.7g/dl。
将三菱化学(株)的阳离子交换树脂“UBK-555”(Ca型)放到直径5.0cm的保温槽中装柱1300ml，将上述木糖醇溶液上样125ml，用流速为9ml/min的去离子水展开，将RV=0.74～1．2间的溶液分级，回收到540ml含有木糖醇8.2g/dl及D-阿拉伯醇0.1g/dl浓度的溶液。
(4)木糖醇的分离获得(工序(4))制备按工序(3)分级的含有7.5 g/dl木糖醇和0.09g/dl D-阿拉伯醇的溶液，向其1720ml中加入活性炭，脱色，滤过活性炭后，将滤液浓缩到木糖醇的浓度达45g/10g水。浓缩后加入木糖醇的种晶，经过大约3.5小时边将温度从50℃调控到25℃，边缓慢冷却，其后搅拌一夜完成木糖醇的结晶析出。
结晶析出终了后，分离结晶体，用少量水洗涤，干燥后，获得纯度为99.1％的木糖醇结晶80.1g，该结晶的水分为0.9％，未发现其它成分，所以确定为高纯度的木糖醇结晶。
实施例2由D-阿拉伯醇发酵开始的一步脱盐法将于汉逊德巴利酵母汉逊变种(Debaryomy as hansenii var.hansenii)IFO 0060株接种到YM培养基(Difco)上，30℃培养3天。
将含有D-葡萄糖10％、蛋白胨0.5％、KH2PO40.1％、MgSO40.05％及酵母提取物0.2％的培养基(pH=6.0)在120℃加热15分钟灭菌。灭菌后为了防止培养进行过程中培养基pH降低，添加另外灭菌的CaCO32％(W/V)。将上述培养物接种到该培养基上使之达10％(W/V)，30℃培养。培养第3天生成3.6g/dl的D-阿拉伯醇(D-葡萄糖的收率为36％)。
除替代实施例1工序(1)中的基本培养基外，对所得D-阿拉伯醇发酵液1000ml进行同样的处理，最终得到高纯度木糖醇结晶15.8g。
实施例3由D-阿拉伯醇开始的二步脱盐法(1)通过培养木糖醇生产菌生成木糖醇并从木糖醇生产菌的培养液中去除固形物质(工序(1))与实施例1工序(1)完全相同地除去不溶成分(固形物)，用滤膜进行过滤得到含有木糖醇的过滤液(与实施例1工序(1)中的滤液成分相同)。
(2)通过离子排除法排除离子物质(工序(2a))向直径5.6cm的柱中填装1700ml三菱化学(株)的阳离子交换树脂“UBK-550”(用氨(水)置换Na型得到的NH3型)，将工序(1)中得到的滤液浓缩，得到含有木糖醇45.1g/dl的木糖醇水溶液，将之上样到柱上，用流速为8ml/min的去离子水展开。
如后示的
图1所示，分离了木糖醇、阿拉伯醇及有机酸类，回收了580ml含有木糖醇6.9g/dl， D-阿拉伯醇0.08g/dl、柠檬酸0.06g/dl及葡萄糖酸0.64g/dl的木糖醇水溶液。
(3)用离子交换色谱除去离子物质(工序(2b))按照前示工序(2a)的方法，用离子排除法进行脱盐后，用与实施例1工序(2)同样的阳离子交换树脂及阴离子交换树脂进行脱盐。
(4)糖和其它糖醇类的色谱分离(工序(3))重复工序(1)～(2b)，得到与实施例1工序(3)中组成相同的木糖醇溶液，即含有木糖醇34.5g/dl、D-阿拉伯醇0.5g/dl及D-木酮糖0.7g/dl的木糖醇溶液。
将三菱化学(株)的阳离子交换树脂“UBK-333”(Ca型)装入附有1300ml直径5.0cm保温槽的柱子中，将前述木糖醇溶液125ml上样，用流速9ml/min的去离子水展开。将RV=0.74～1．2间的溶液分极，与实施例1的工序(3)相同，回收到含有木糖醇8.2g/dl、D-阿拉伯醇0.1g/dl的溶液450ml。
(5)木糖醇的分离获得(工序(4))按照实施例1工序(4)的方法从与同工序相同组成的木糖醇溶液获得与同一工序同量、同纯度的木糖醇。
实施例4由D-阿拉伯醇发酵开始的2段脱盐法与实施例2同样对D-阿拉伯醇进行发酵，对所得D-阿拉伯醇的发酵液1050ml进行与实施例2同样的处理，得到高纯度木糖醇结晶17.4g。
权利要求
1．高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于(1)在水性培养基中培养木糖醇生产菌，除去培养液中的固形物；(2)应用阳离子交换树脂及阴离子交换树脂从所得固形物除去液中除去离子物质，使之脱盐；(3)将所得脱盐液进行色谱分析，以分离木糖醇和其它的糖及糖醇类，其中应用了强酸性阳离子交换树脂；(4)从所得木糖醇溶液(级分)分离获得高纯度的木糖醇。
2．权利要求1的高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，工序(3)中的强酸性阳离子交换树脂为Ca形式的。
3．权利要求1或2中的高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，其工序(1)中木糖醇生产菌的培养液是以D-阿拉伯醇、D-木酮糖或葡萄糖为原始物质，最终得到培养木糖醇生产菌的培养液。
4．高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于(1)在水性培养基中培养木糖醇生产菌，除去所得培养液中的固形物；(2a)用强酸性阳离子交换树脂通过离子排除法从所得固形物去除液中分离出大部分离子物质，使之脱盐；(2b)用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂从排除离子的处理液(脱盐液)中除去残余的离子物质，使之脱盐；(3)将所得脱盐液进行应用强酸性阳离子交换树脂的色谱分析，分离木糖醇和其它的糖及糖醇类；(4)从所得木糖醇溶液(级分)中分离获得高纯度的木糖醇。
5．权利要求4的高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，其工序(3)中的强酸的性阳离子交换树脂为Ca形式的。
6．权利要求4或5的高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，其工序(2a)中的强酸性阳离子交换树脂为Na形或NH3形。
7．权利要求4～6任一权项中的高纯度木糖醇的制备方法，其特征在于，其工序(1)中的木糖醇生产菌的培养液是以D-阿拉伯醇、D-木酮糖或葡萄糖为原始物质，最终得到培养木糖醇生产菌的培养液。
全文摘要
提供工业上有效获得高纯度木糖醇的手段,它是用木糖醇生产菌制备木糖醇的方法,从所得木糖醇溶液制备高纯度的木糖醇。高纯度木糖醇的制备方法(一步脱盐法),其特征在于(1)在水性培养基中培养木糖醇生产菌,除去培养液中的固形物;(2)应用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂从所得固形物去除液中除去离子物质,使之脱盐;(3)用强酸性阳离子交换树脂对所得脱盐液进行色谱分析,分离木糖醇和其它糖及糖醇类;(4)从所得木糖醇溶液(级分)中分离制备出高纯度木糖醇;以及高纯度木糖醇的制备方法(二步脱盐法),其特征在于,在该制备方法工序(2)的脱盐处理中要先通过离子排除法进行脱盐处理以除去大部分的离子物质。
文档编号C13B20/14GK1283700SQ0012214
公开日2001年2月14日 申请日期2000年7月31日 优先权日1999年8月10日
发明者青木雄一, 小野惠理子, 长岛一孝 申请人:味之素株式会社