玉米浆及其制备方法和应用以及高光学纯度乳酸的生产方法与流程

1.本发明涉及玉米深加工及生物工程领域，具体涉及一种玉米浆、一种玉米浆的制备方法、所述玉米浆在生产高光学纯度乳酸中的应用、以及一种高光学纯度乳酸的生产方法。


背景技术：

2.聚乳酸是一种以高光学纯度乳酸为原料聚合得到的生物可降解性生物基材料。目前，工业乳酸的生产方式主要是微生物发酵法，其中以乳酸细菌为菌种的同型发酵的理论糖酸转化率能达到100％，但是乳酸的光学纯度和生产成本一直是限制聚乳酸品质和价格的关键因素。
3.为实现乳酸发酵过程的光学纯度提高和生产成本降低的目标，需要对乳酸发酵的工业宿主底盘进行系统性基因工程优化，多条件诱变筛选，改造代谢通路，提高碳源的糖酸转化率和乳酸的光学纯度，进一步增强生产强度，降低生产成本。但是合成生物学操作的难度相对较大，技术门槛较高，相关研究多处于研发小试阶段。
4.此外，目前乳酸发酵过程主要使用淀粉作为碳原料，经由液化、糖化得到葡萄糖，并将获得的葡萄糖作为最常用的乳酸发酵碳源。而乳酸发酵过程中使用的氮源可以是多种种类的氮源，但氮源的不同，同样会引起乳酸产品的光学纯度差异。尤其是工业生产中，价格较高的酵母粉和蛋白胨产品因成本问题，基本上不在工业乳酸发酵生产的供应原料范围之内。有效的廉价氮源仅包括玉米浆、豆粕水解液和黄豆饼粉等有机氮源，但是往往因廉价氮源的复杂成分，严重制约了发酵乳酸的产品质量，特别是光学纯度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高光学纯度乳酸的生产方法，该方法能够将廉价氮源大规模应用于高光学纯度乳酸的生产，保证乳酸的光学纯度，极大降低高光学纯乳酸发酵生产的原料成本；本发明还提供了一种玉米浆、一种玉米浆的制备方法、所述玉米浆在生产高光学纯度乳酸中的应用。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种玉米浆的制备方法，所述玉米浆的制备方法包括：在玉米淀粉湿法加工的过程中，向浸泡玉米的物料中接种产高光学纯度乳酸的第二菌株进行浸泡，得到的浸泡液经浓缩处理，得到玉米浆，筛选乳酸的光学纯度在85重量％以上的玉米浆。
7.优选地，第二菌株选自所述乳酸发酵菌种为保藏编号为cgmcc no.19507的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.19508的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16834的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16833的乳酸片球菌、保藏编号为cgmcc no.16835的植物乳杆菌和保藏编号为cgmcc no.6382的凝结芽孢杆菌的至少一种。
8.本发明第二方面提供一种玉米浆，所述玉米浆由如上所述的方法制备得到；
9.其中，所述玉米浆中乳酸的光学纯度在85重量％以上。
10.本发明第三方面提供如上所述的玉米浆在生产高光学纯度乳酸中的应用。
11.本发明第四方面提供一种高光学纯度乳酸的生产方法，该方法包括：在包含玉米浆的发酵培养基中，接种第一菌株并进行发酵，得到高光学纯度乳酸；
12.其中，所述高光学纯度乳酸的光学纯度高于99重量％；
13.所述玉米浆的制备方法包括：在玉米淀粉湿法加工的过程中，向浸泡玉米的物料中接种第二菌株进行浸泡，得到的浸泡液经浓缩处理，得到玉米浆，将乳酸光学纯度在85重量％的玉米浆用于高光学纯度乳酸的生产；
14.其中，所述第一菌株和所述第二菌株分别为产高光学纯度乳酸的菌株，两者生产的光学纯度乳酸的种类相同。
15.本发明在玉米淀粉湿法加工的浸泡工段，接入高光学纯乳酸生产菌株，高温强酸条件下，逆流浸泡一个周期，浸泡液经蒸发浓缩即可得到专用玉米浆原料，该原料所含乳酸的旋光性取决于所投入乳酸菌株特性，光学纯度高于99％。通过该工艺的实施，可以将廉价玉米浆原料真正大规模应用于高光学纯乳酸的生产。
16.采用本发明所述的玉米浆应用于在工业乳酸发酵过程中，结合使用产高光纯度乳酸的菌株，无需对原料进行内消旋或中和预处理，也无需对发酵产物进行内消旋或中和处理，即可得到光学纯度高于99％的乳酸产品，大幅降低高品质乳酸生产的原料成本。
具体实施方式
17.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
18.在本发明中，高光学纯度乳酸是指乳酸中l-乳酸或d-乳酸占总乳酸重量的99重量％以上的乳酸。l-乳酸或d-乳酸可以通过hplc法测定，比如可以根据安捷伦1260hplc测定，具体为mci-gel手性柱，2mm的硫酸铜溶液为流动相，流速0.5ml/min，检测波长254nm，柱温20℃，进样量20μl，l-乳酸和d-乳酸的出峰时间分别约为12.5min和10.0min。
19.本发明一方面提供一种玉米浆的制备方法，所述玉米浆的制备方法包括：在玉米淀粉湿法加工的过程中，向浸泡玉米的物料中接种产高光学纯度乳酸的第二菌株进行浸泡，得到的浸泡液经浓缩处理，得到玉米浆，筛选乳酸的光学纯度在85重量％的玉米浆。
20.玉米浆是玉米淀粉湿法生产过程中的副产物。玉米淀粉湿法生产的方式为本领域常规的生产方式，比如可以包括玉米净化、玉米浸泡、玉米破碎、细磨、淀粉筛分、蛋白质分离和干燥，得到玉米淀粉。玉米浸泡的目的在于软化玉米颗粒，打开玉米籽粒包裹淀粉颗粒的蛋白质网，便于后续的淀粉分离，玉米浸泡得到的浸泡液经过浓缩后即为玉米浆。
21.在本发明中，所述第二菌株可以是任意的能够产生高光学纯度乳酸的菌株，优选地，第二菌株选自所述乳酸发酵菌种为保藏编号为cgmcc no.19507的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.19508的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16834的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16833的乳酸片球菌、保藏编号为cgmcc no.16835的植物乳杆菌和保藏编号为cgmcc no.6382的凝结芽孢杆菌的至少一种；更优选为保藏编号为cgmcc no.19507的鼠李糖乳杆菌。
22.优选地，所述第二菌株的接种量使得所述浸泡玉米的物料中的第二菌株的od
600
值达0.1以上。
23.在本发明中，所述od
600
值可以为实测值，或者根据接种的菌株的生物量计算的理论值。
24.所述第二菌株可以以固体菌剂或者菌液的形式接种到浸泡玉米的物料中，也可以使用以第二菌株为优势菌株的浸泡液进行接种，也可以将至少一种方式结合。一般来说，在初次生产的时候，可以使用固体菌剂或菌液接种，后续生产过程中可以以上一级浸泡液用作下一级玉米浸泡的第二菌株接种液，无需额外接种。
25.其中，所述第二菌株的菌液的制备方法可以按照本领域常规的方法进行制备，例如，可以将所述第二菌株接种到常规培养基(比如mrs培养基(还可以另外添加5-15g/l的碳酸钙)或lb培养基等)中进行培养从而得到菌液。
26.所述培养的方式可以为本领域常规的方式，根据本发明一种优选的实施方式，将第二菌株的菌种在培养基中于37-48℃、静置培养12-18小时。
27.以菌液的形式接种时，以浸泡液的体积为基准，所述第二菌株的菌液的接种量优选为1-3体积％，在该优选的情况下，能够利于第二菌株可以快速成为浸泡液中的优势菌株。
28.当以上一级浸泡液的形式接种时，上一级浸泡液的体积优选为浸泡罐体积的10-20体积％。
29.所述浸泡的方式可以为本领域常规的浸泡方式，优选地，所述浸泡的方式包括在逆流循环的条件下，将玉米与亚硫酸溶液接触。
30.所述浸泡可以在浸泡罐中进行，浸泡罐中可以预装上一级浸泡液，或者接种含所述第二菌株的菌液，从浸泡罐的顶部投入干净玉米粒，新鲜的亚硫酸溶液从浸泡罐的底部进入，从顶部排出，与玉米形成逆流接触。
31.优选地，所述亚硫酸溶液的浓度为0.1-0.5重量％。所述亚硫酸为so2溶于水中得到。
32.优选地，所述接触的温度为47-53℃，ph为4-4.5，浸泡周期为36-48h。
33.在本发明中，可以采用本领域常规的浓缩方式进行浓缩，优选地，所述浓缩处理的方式包括在60-80℃条件下，对所述浸泡液进行浓缩，得到玉米浆。
34.优选地，所述玉米浆的固含量为40-45重量％。
35.其中，所述浓缩可以为多效蒸发浓缩或膜式蒸发浓缩等。
36.在本发明中，可以通过测定玉米浆中l-乳酸和d-乳酸的含量，计算l-乳酸或d-乳酸占总乳酸的含量，以其中一个的含量在85重量％以上的玉米浆为乳酸的光学纯度高于85重量％的玉米浆。
37.本发明第二方面提供一种玉米浆，所述玉米浆由如上所述的方法制备得到；
38.其中，所述玉米浆中乳酸的光学纯度在85重量％以上，比如可以为85、90、95、99重量％以上以及任意两个值之间组成的任意范围。
39.本发明第三方面提供如上所述的玉米浆在生产高光学纯度乳酸中的应用。
40.本发明通过筛选的步骤控制玉米浆中乳酸的光学纯度，从而保证生产的玉米浆能够用于生产高光学纯度乳酸。
41.本发明第四方面提供一种高光学纯度乳酸的生产方法，该方法包括：在包含玉米浆的发酵培养基中，接种第一菌株并进行发酵，得到高光学纯度乳酸；
42.其中，所述高光学纯度乳酸的光学纯度高于99重量％；
43.所述玉米浆的制备方法包括：在玉米淀粉湿法加工的过程中，向浸泡玉米的物料中接种第二菌株进行浸泡，得到的浸泡液经浓缩处理，得到玉米浆，将乳酸光学纯度在85重量％的玉米浆用于高光学纯度乳酸的生产；
44.其中，所述第一菌株和所述第二菌株分别为产高光学纯度乳酸的菌株，两者生产的光学纯度乳酸的种类相同。
45.优选地，第一菌株选自所述乳酸发酵菌种为保藏编号为cgmcc no.19507的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.19508的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16834的鼠李糖乳杆菌、保藏编号为cgmcc no.16833的乳酸片球菌、保藏编号为cgmcc no.16835的植物乳杆菌和保藏编号为cgmcc no.6382的凝结芽孢杆菌的至少一种；更优选为保藏编号为cgmcc no.19507的鼠李糖乳杆菌。在所述优选的情况下，除了能够提高乳酸的光学纯度外，还能够乳酸发酵产量可达200g/l及以上。
46.所述第一菌株可以以固体菌剂或者菌液的形式接种到发酵培养基中，根据本发明一种优选的实施方式，所述第一菌株以菌液的形式接种。
47.优选地，所述第一菌株的接种量使得所述发酵培养基中的第一菌株的od
600
值达0.1以上。
48.其中，所述第一菌株的菌液的制备方法可以按照本领域常规的方法进行制备，例如，可以将所述第一菌株接种到常规培养基(比如mrs培养基(还可以另外添加5-15g/l的碳酸钙)或lb培养基等)中进行培养从而得到菌液。
49.所述第一菌株的培养方式可以为本领域常规的方式，根据本发明一种优选的实施方式，将第一菌株的菌种在培养基中于37-48℃、培养12-18小时。可以根据菌株的种类选择静置培养或在摇床内震荡培养。
50.所述第一菌株与第二菌株可以相同或不同，只要两者产生的高光学纯度乳酸的种类相同即可，优选地，所述第一菌株和第二菌株相同。
51.在本发明中，玉米浆作为发酵产乳酸的氮源，所述发酵培养基中还可以含有其他营养物质，比如可以含有碳源和无机盐等，优选地，所述发酵培养基中还包含碳源。
52.所述碳源可以是本领域常规使用的碳源，只要第一菌株能够利用其生产乳酸即可，能优选地，所述碳源选自淀粉糖化液、葡萄糖、蔗糖和糖蜜中的至少一种。
53.优选地，所述发酵培养基中，所述碳源的含量为48-80g/l，所述玉米浆的含量为80-120g/l。所述玉米浆为第二方面所述的玉米浆。
54.所述发酵培养基中还可以含有无机盐，所述无机盐可以是本领域常规使用的无机盐，本领域技术人员可以根据需要选择合适的无机盐。
55.当第一菌株为乳酸菌类时，在本发明的一种优选的实施方式中，所述发酵培养基包含葡萄糖150-250g/l，七水硫酸镁0.1-0.3g/l，醋酸钠3-7g/l，柠檬酸铵1-3g/l，磷酸氢二钾1-3g/l，硫酸锰0.01-0.1g/l，玉米浆80-120g/l。所述玉米浆为第二方面所述的玉米浆。
56.在本发明中，所述发酵的条件可以根据使用的第一菌株的生长发酵条件选择，比
如可以包括：温度为37-48℃，优选为40-45℃，时间为30-48h，优选为36-48h。
57.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
58.种子培养基：mrs培养基 10g/l碳酸钙。
59.发酵培养基：葡萄糖180g/l，七水硫酸镁0.2g/l，醋酸钠5g/l，柠檬酸铵2g/l，磷酸氢二钾2g/l，硫酸锰0.05g/l，玉米浆100g/l。
60.以下实施例中，l-乳酸或d-乳酸的含量参数通过hplc法测得，具体的操作条件包括：安捷伦1260hplc测定，具体为mci-gel手性柱，2mm的硫酸铜溶液为流动相，流速0.5ml/min，检测波长254nm，柱温20℃，进样量20μl，l-乳酸和d-乳酸的出峰时间分别约为12.5min和10.0min。
61.下述实施例中，除非特别说明，所用试剂、培养基均为市售商品，所用方法均为常规方法。
62.实施例1
63.本实施例用于说明本发明所述的高光学纯度乳酸的生产方法。
64.(1)菌液的制备
65.取保藏号为cgmcc no.19508的鼠李糖乳杆菌接种到培养基中，在42℃下培养16h，得到鼠李糖乳杆菌菌液，菌液中的生物量od达4.0以上。
66.(2)玉米浆的制备
67.在玉米淀粉湿法加工过程中，在玉米粒浸泡时，浸泡罐预装10％的上一级浸泡液，从罐顶部连续投入干净的玉米粒，0.3重量％的新鲜亚硫酸溶液从罐底部进入，由罐顶部排出，与下降的玉米形成逆流接触。其中，以浸泡罐体积为基准，按照接种量为1体积％接种步骤(1)得到的菌液。其中，接触的温度为47℃，ph为4，浸泡周期为38h。浸泡后得到的浸泡液经70℃高温浓缩，得到固含量42％的浓缩玉米浆。
68.经测定，玉米浆中的乳酸中l-乳酸的光学纯度为90.1％。
69.(3)乳酸发酵
70.使用步骤(2)制备得到的玉米浆作为氮源配制发酵培养基用于乳酸发酵，将按照步骤(1)的方法制备得到的菌液以5％体积的接种量接种到所述发酵培养基中，在42℃下培养39h，发酵结束后，测定发酵液中乳酸的光学纯度。
71.经测定，发酵液中的乳酸中l-乳酸的光学纯度为99.5％。
72.实施例2
73.本实施例用于说明本发明所述的高光学纯度乳酸的生产方法。
74.(1)按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，使用的菌株为保藏编号为cgmcc no.16835的植物乳杆菌，经测定，玉米浆和发酵液中的乳酸中d-乳酸的光学纯度分别为89％和99.5％。
75.(2)按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，使用的菌株为保藏编号为cgmcc no.6382的凝结芽孢杆菌，经测定，玉米浆和发酵液中的乳酸中l-乳酸的光学纯度分别为92.2％和99.8％。
76.对比例1
77.本对比例用于说明参比的乳酸的生产方法。
78.按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，玉米浆为传统浸泡浓缩得到，也即
浸泡过程中并未添加产生的高光学纯度乳酸的菌株。经测定，玉米浆和发酵液中的乳酸中l-乳酸的光学纯度分别为53％和96％。
79.对比例2
80.本对比例用于说明参比的乳酸的生产方法。
81.按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，采用工业用酵母粉(安琪fm902酵母粉)30g/l替代玉米浆。
82.经测定，发酵液中的乳酸中l-乳酸的光学纯度为99.3％，但每生产1吨l-乳酸的生产成本增加5000元。
83.对比例3
84.本实施例用于说明本发明所述的高光学纯度乳酸的生产方法。
85.按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，筛选l-乳酸光学纯度低于85％的玉米浆原料作为氮源(实际为84.2％)，原料引入的d-乳酸含量2.2g/l，发酵后的乳酸总产量是201g/l。
86.经测定，玉米浆和发酵液中的乳酸中l-乳酸的光学纯度分别为84.2％和98.9％。
87.通过上述结果可以看出，采用本发明所述的技术方案能够无需对玉米浆进行内消旋或中和预处理就能够用于生产高光学纯度的乳酸，大大降低了生产高光学纯度乳酸的成本。
88.实验过程中，发明人还发现，采用本发明所述的方法用于生产高光纯度乳酸时，除了能够在大大降低成本的情况下获得高光纯度乳酸，还能够拓展玉米深加工行业玉米浆副产物的应用价值。
89.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。