CN106544372A - 一种从发酵液中纯化γ‑氨基丁酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从发酵液中分离纯化γ‑氨基丁酸的方法,属于生物技术领域。它包括(1)发酵液的制备及预处理,(2)阳离子柱吸附,(3)稀碱溶液洗脱,(4)阴离子柱脱色,(5)电渗析脱盐,(6)浓缩及干燥等步骤,制备得到纯度高于95%的固态γ‑氨基丁酸。本发明具有工艺简单、能耗低、生产环境良好、无安全隐患等特点,对γ‑氨基丁酸的工业化生产具有良好的促进作用。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,特别是涉及一种从发酵液中分离、纯化γ-氨基丁酸的方法。
背景技术
γ-氨基丁酸是一种动物神经抑制剂,具有降血压、治疗癫痫、促进睡眠、降低神经兴奋、增强记忆力等生理作用,正因为此,γ-氨基丁酸及其衍生物已经成为药物研发的热点之一。目前γ-氨基丁酸的获得有三种途径:植物提取、化学合成及生物发酵。植物提取法由于γ-氨基丁酸在植物中含量较低,因此存在提取困难的问题,化学法则反应迅速,但是缺点是能耗大、成本高,并且具有一定的安全隐患。因此利用微生物发酵法生产γ-氨基丁酸是目前研究的主要方向。乳酸菌是一种食品安全级的微生物,在酸奶、泡菜等食品中具有广泛应用,已经有研究表明乳酸菌能够利用谷氨酸生产γ-氨基丁酸。
名称:一种γ-氨基丁酸的提取分离纯化方法申请,(专利)号:CN201410477049.6,申请日:2014.09.18。公开了一种γ-氨基丁酸的提取分离纯化方法,包括以下步骤:(1)将稻米捣碎,捣碎后加入乙醇水溶液进行浸提,浸提后将提取液离心分离,取上清液;(2)将上清液浓缩,浓缩后将上清液pH调节后,通过活化过的732阳离子交换树脂;(3)再用氨水对732阳离子交换树脂进行洗脱,洗脱后收集洗脱液,将洗脱液浓缩,浓缩后再用乙醇纯化浓缩物,纯化3次后,得到γ-氨基丁酸。独立权利要求项为:1.一种γ-氨基丁酸的提取分离纯化方法,其特征在于所述的γ-氨基丁酸的提取分离纯化方法包括以下步骤:(1)将稻米捣碎,捣碎后加入乙醇水溶液进行浸提,浸提后将提取液离心分离,取上清液;(2)将上清液浓缩,浓缩后将上清液pH调节后,通过活化过的732阳离子交换树脂;(3)再用氨水对732阳离子交换树脂进行洗脱,洗脱后收集洗脱液,将洗脱液浓缩,浓缩后再用乙醇纯化浓缩物,纯化3次后,得到γ-氨基丁酸。
名称:一种γ-氨基丁酸的分离纯化工艺申请(专利)号:CN201010167007.4,申请日:2010.05.10。公开了一种γ-氨基丁酸的分离纯化工艺,它有效解决了生物法制备γ-氨基丁酸由于发酵液成分复杂而导致分离纯化步骤繁冗,工业化成本高的问题。本发明通过采用生物转化法减少转化液中的杂质,从而简化分离工艺,再对转化液进行简单的脱色,得到高纯度,高回收率的γ-氨基丁酸。本发明方法简单,产品回收率高,适合较大规模的工业化生产。主权项:一种γ氨基丁酸的分离纯化工艺,该工艺包括下述顺序的步骤:(1)转化法生产γ氨基丁酸:首先进行菌体培养,通过离心或者板框过滤收集菌体,悬浮在醋酸缓冲液(pH 4.8),加入底物L Glu,在30℃下进行转化反应。(2)γ氨基丁酸转化液预处理:将转化液通过离心或者过滤除去菌体,取上清在70-80℃加热30min,先用滤纸过滤,再用0.45μm滤膜进行抽滤,收集滤液待用。(3)活性炭的处理:活性炭按照一般方法进行处理,粉炭→去离子水洗→热去离子水洗→过滤→干燥(120℃、8h)→冷却至室温,备用。(4)γ氨基丁酸预处理液脱色:将步骤(2)得到的滤液调节至pH5.0,按照2%的添加量加入活性炭粉末,在60℃下保温搅拌30min,双层滤纸过滤后,再用0.45μm滤膜进行抽滤,收集滤液待用。(5)γ氨基丁酸脱色液真空浓缩:将步骤(4)得到的滤液在55℃真空浓缩至稀稠状,保温待用。(6)γ氨基丁酸浓缩液结晶:将步骤(5)的浓缩液加入3倍体积的95%的乙醇,4℃下静止12h后,过滤收集晶体。(7)γ氨基丁酸晶体的洗涤:将步骤(6)收集的γ氨基丁酸晶体按照3毫升/克晶体的比例加入95%的乙醇,40℃搅拌1h,过滤收集晶体。(8)γ氨基丁酸晶体的干燥:将步骤(7)收集的γ氨基丁酸晶体在80℃的烘箱中烘干12 14h,得到γ氨基丁酸的成品。
名称:从谷氨酰氨脱羧酶酶解液中分离纯化γ-氨基丁酸的方法,申请(专利)号:CN201010207446.3。申请日:2010.06.22。该发明涉及一种从谷氨酰胺脱羧酶酶解液中分离纯化γ-氨基丁酸(GABA)的方法,该方法包括以下步骤:富含GABA的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离***进行过滤澄清,浓缩到2~10倍时,加透析水透析,最终滤液量为1~3倍酶解液量;将滤液泵入离子交换***脱盐,脱盐液进入脱色树脂或活性炭柱脱色,脱色后的清液通过蒸发器浓缩,再经过干燥或结晶及重结晶,得到GABA产品。与现有技术相比,本发明的分离纯化工艺简单、合理,工序短,操作方便,分离得到的GABA纯度高、颜色浅、分散性好,总收率高;具有运行成本低、过滤精度高、浓缩倍数高、酶浓缩物浓度高等优点,有利于酶浓缩物的重复利用或固化资源化利用,避免了二次污染。主权项:从谷氨酰氨脱羧酶酶解液中分离纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:将富含γ-氨基丁酸的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离***进行过滤澄清,浓缩到2~10倍时,加透析水透析,最终滤液量为1~3倍发酵液量;将滤液泵入离子交换***脱盐,脱盐液进入脱色树脂或活性炭柱脱色,脱色后的清液通过蒸发器浓缩,固形物浓度达到30%~45%,浓缩液再经过干燥器干燥或结晶及重结晶,得到γ-氨基丁酸产品。
以上在有关乳酸菌生产γ-氨基丁酸的报道中,从发酵液中纯化、精制γ-氨基丁酸的步骤包括:发酵液脱色、阳离子柱吸附、氨水洗脱、真空浓缩、乙醇沉淀等工艺流程,具有工艺复杂、劳动强度大等缺点,其中氨水、乙醇的使用容易造成生产环境恶劣,并且具有很大的安全隐患。因此,有必要针对发酵液中γ-氨基丁酸的提纯,开发一种能够缩短生产环节、降低劳动成本、改善生产环境、消除安全隐患的新型生产工艺。
发明内容
为了解决目前发酵中γ-氨基丁酸纯化工艺中存在的劳动强度大、生产环境差以及安全隐患高等问题,本发明提供一种从发酵液中分离、纯化γ-氨基丁酸的方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:
一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,该方法包括以下步骤:
(1)发酵液的制备及预处理:短乳杆菌SC221发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,然后用陶瓷膜对发酵液进行过滤除菌,得到的除菌发酵液;
(2)阳离子柱吸附:稀盐酸对酸性强阳离子树脂进行预处理,得到氢型阳离子树脂,然后用氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸;
(3)稀碱溶液洗脱:用稀碱溶液对氢型阳离子树脂所吸附的γ-氨基丁酸进行洗脱,收集γ-氨基丁酸洗脱液;
(4)阴离子柱脱色:稀盐酸对碱性阴离子树脂进行预处理,得到氯型阴离子树脂,然后用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色,得到γ-氨基丁酸流出液;
(5)电渗析脱盐:对γ-氨基丁酸流出液进行电渗析脱盐,收集脱盐γ-氨基丁酸;
(6)浓缩及干燥:对脱盐γ-氨基丁酸进行纳滤膜反渗透浓缩,收集截留液,干燥,即可得到固态γ-氨基丁酸。
短乳杆菌SC221,已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保存编号为CGMCC No 11437。
稀盐酸一般是指质量百分浓度为10%以下的盐酸。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的发酵液的制备及预处理步骤中,所述的陶瓷膜的分子量为分子量200-400kw,所述的除菌发酵液的电导率为30-50ms/cm。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸的上样速度为1-2BV/h。
作为技术方案的进一步改进,以上所述步骤(3)中的稀碱溶液的浓度为0.1-1mol/L,所述的洗脱流速为1-2BV/h。
作为技术方案的进一步改进,以上所述步骤(4)中用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色的上样速度为1-2BV/h。
作为技术方案的进一步改进,以上所述步骤(6)中纳滤膜反渗透浓缩的膜压力为0.5-1MPa。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的电渗析脱盐至γ-氨基丁酸流出液电导率降至300μs/cm以下时停止脱盐。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的阳离子树脂为001*7。
作为技术方案的进一步改进,以上所述的阴离子树脂为D201。
本发明具有以下有益效果:
1.本发明采用陶瓷膜的除菌工艺,与现有技术相比,具有高效、便捷的优势,适合于工业化应用。
2.本发明在发酵液脱色之前,先进行阳离子树脂对GABA的专一性吸附。这一步骤区别于以往工艺中的先脱色后吸附,这一改变能够降低后续洗脱液中蛋白质、残糖及其他氨基酸等非目的物的含量,也使得洗脱液的后续脱色变得更加高效。
3.本发明利用其他碱溶液洗脱阳离子树脂所吸附的GABA,代替具有挥发性的氨水,这一步骤与以往工艺相比能够很好地改善生产环境。
4.本发明利用纳滤膜浓缩及喷雾干燥生产GABA成品,取代对以往工艺中乙醇沉淀GABA、沉淀样品结晶等步骤,这一改变能够消除安全隐患,降低生产成本,并且与以往工艺相比,同样能够得到纯度很高的γ-氨基丁酸产品。
附图说明
图1:从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
γ-氨基丁酸的发酵液制备:
短乳杆菌SC221(保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保存编号为CGMCC No 11437)发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,发酵培养基为含谷氨酸钠的MRS培养基:牛肉膏蛋白粉10g/L;蛋白胨10g/L;酵母粉5g/L;乙酸钠5g/L;K2HPO4 2g/L;柠檬酸二铵2g/L;硫酸镁0.2g/L;硫酸锰0.2g/L;吐温-80 1mL/L;葡萄糖50g/L;谷氨酸钠20-50g/L。发酵温度为35℃,搅拌速度为100rpm,控制pH 5.0,无空气通入。
发酵结束得到含γ-氨基丁酸的发酵液。
一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法
γ-氨基丁酸含量检测:按照中国轻工业标准QB/T 4587-2013所述方法,样品经邻苯二甲醛衍生后,用高效液相色谱法进行检测,色谱柱为C18柱,检测器为紫外检测器。
比色法检测脱色效果:将料液在各波长进行扫描,找出其最大吸收峰的位置,以此波长处的吸光度变化作为脱色效果的考察依据。脱色率计算公式如下:脱色率%=(A0-A)/A0×100%。A0、A分别为脱色前后吸光值。
实施例1
(1)发酵液的制备及预处理:短乳杆菌SC221发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,然后用截留分子量为200kw陶瓷膜对发酵液进行过滤除菌,得到电导率为39.7ms/cm的除菌发酵液。经检测,γ-氨基丁酸的收率为95.1%。
(2)阳离子柱吸附:浓度3%的稀盐酸对酸性强阳离子树脂001*7进行预处理,得到氢型阳离子树脂,然后用氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸,上样速度为1.0柱体积/小时(BV/h)。
(3)稀碱溶液洗脱:用浓度为0.5mol/L稀碱(氢氧化钠)溶液对氢型阳离子树脂所吸附的γ-氨基丁酸进行洗脱,洗脱流速为1.0BV/h,收集γ-氨基丁酸洗脱液。检测γ-氨基丁酸收率、洗脱液电导率及脱色率:实验结果表明,γ-氨基丁酸回收率为97.3%,洗脱液电导率降至6.9ms/cm,与发酵液相比,脱色率为66%。
(4)阴离子柱脱色:用浓度3%的稀盐酸对碱性阴离子树脂D201进行预处理,得到氯型阴离子树脂,然后用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色,脱色的上样速度为1.0BV/h,得到γ-氨基丁酸流出液。检测γ-氨基丁酸收率及脱色率:实验结果表明,阴离子柱脱色过程中γ-氨基丁酸回收率为92.1%,与发酵液相比,脱色率>95%。
(5)电渗析脱盐:对γ-氨基丁酸流出液进行电渗析脱盐,γ-氨基丁酸流出液电导率降至300μS/cm以下时停止脱盐,收集脱盐γ-氨基丁酸。检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为95.6%。
(6)浓缩及干燥:对脱盐γ-氨基丁酸进行纳滤膜反渗透浓缩,反渗透浓缩的膜压力保持为0.5MPa,收集截留液(检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为89.5%。),喷雾干燥,即可得到固态γ-氨基丁酸成品。以含γ-氨基丁酸的发酵液为基准,γ-氨基丁酸收率>70%,脱色率>95%,所得γ-氨基丁酸纯度>97%。
实施例2
(1)发酵液的制备及预处理:短乳杆菌SC221发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,然后用截留分子量为300kw陶瓷膜对发酵液进行过滤除菌,得到电导率为48.6ms/cm的除菌发酵液,γ-氨基丁酸的收率为93.7%。
(2)阳离子柱吸附:浓度5%的稀盐酸对酸性强阳离子树脂001*7进行预处理,得到氢型阳离子树脂,然后用氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸,上样速度为1.5柱体积/小时(BV/h)。
(3)稀碱溶液洗脱:用浓度为0.8mol/L稀碱(氢氧化钾)溶液对氢型阳离子树脂所吸附的γ-氨基丁酸进行洗脱,洗脱流速为1.5BV/h,收集γ-氨基丁酸洗脱液。检测γ-氨基丁酸收率、洗脱液电导率及脱色率:实验结果表明,γ-氨基丁酸回收率为95.4%,洗脱液电导率降至8.8ms/cm,与发酵液相比,脱色率为71%。
(4)阴离子柱脱色:用浓度3%的稀盐酸对碱性阴离子树脂D201进行预处理,得到氯型阴离子树脂,然后用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色,脱色的上样速度为1.5BV/h,得到γ-氨基丁酸流出液。检测γ-氨基丁酸收率及脱色率:实验结果表明,阴离子柱脱色过程中γ-氨基丁酸回收率为93.8%,与发酵液相比,脱色率>95%。
(5)电渗析脱盐:对γ-氨基丁酸流出液进行电渗析脱盐,γ-氨基丁酸流出液电导率降至250μS/cm以下时停止脱盐,收集脱盐γ-氨基丁酸。检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为94.9%。
(6)浓缩及干燥:对脱盐γ-氨基丁酸进行纳滤膜反渗透浓缩,反渗透浓缩的膜压力保持为0.8MPa,收集截留液(检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为91.7%。),喷雾干燥,即可得到固态γ-氨基丁酸成品。以含γ-氨基丁酸的发酵液为基准,γ-氨基丁酸收率>70%,脱色率>95%,所得γ-氨基丁酸纯度>95%。
实施例3
(1)发酵液的制备及预处理:短乳杆菌SC221发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,然后用用分子量为400kw陶瓷膜对发酵液进行过滤除菌,得到电导率为31.6ms/cm的除菌发酵液。γ-氨基丁酸的收率为96.3%。
(2)阳离子柱吸附:浓度8%的稀盐酸对酸性强阳离子树脂001*7进行预处理,得到氢型阳离子树脂,然后用氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸,上样速度为2.0柱体积/小时(BV/h)。
(3)稀碱溶液洗脱:用浓度为1.0mol/L稀碱(氢氧化钠)溶液对氢型阳离子树脂所吸附的γ-氨基丁酸进行洗脱,洗脱流速为1.5BV/h,收集γ-氨基丁酸洗脱液。检测γ-氨基丁酸收率、洗脱液电导率及脱色率:实验结果表明,γ-氨基丁酸回收率为96.9%,洗脱液电导率降至6.7ms/cm,与发酵液相比,脱色率为68%。
(4)阴离子柱脱色:阴离子柱脱色:用浓度3%的稀盐酸对碱性阴离子树脂D201进行预处理,得到氯型阴离子树脂,然后用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色,脱色的上样速度为2.0BV/h,得到γ-氨基丁酸流出液。检测γ-氨基丁酸收率及脱色率:实验结果表明,阴离子柱脱色过程中γ-氨基丁酸回收率为92.6%,与发酵液相比,脱色率>95%。
(5)电渗析脱盐:对γ-氨基丁酸流出液进行电渗析脱盐,γ-氨基丁酸流出液电导率降至200μS/cm以下时停止脱盐,收集脱盐γ-氨基丁酸。检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为96.6%。
(6)浓缩及干燥:对脱盐γ-氨基丁酸进行纳滤膜反渗透浓缩,反渗透浓缩的膜压力保持为1.0MPa,收集截留液(检测γ-氨基丁酸回收率:结果表明,电渗析脱盐过程中γ-氨基丁酸收率为87.8%。),喷雾干燥,即可得到固态γ-氨基丁酸成品。以含γ-氨基丁酸的发酵液为基准,γ-氨基丁酸收率>70%,脱色率>95%,所得γ-氨基丁酸纯度>98%。
以上实施例中,电渗析脱盐需要调节γ-氨基丁酸流出液pH至7.0-7.5。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
(1)发酵液的制备及预处理:短乳杆菌SC221发酵制备含γ-氨基丁酸的发酵液,然后用陶瓷膜对发酵液进行过滤除菌,得到的除菌发酵液;
(2)阳离子柱吸附:稀盐酸对酸性强阳离子树脂进行预处理,得到氢型阳离子树脂,然后用氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸;
(3)稀碱溶液洗脱:用稀碱溶液对氢型阳离子树脂所吸附的γ-氨基丁酸进行洗脱,收集γ-氨基丁酸洗脱液;
(4)阴离子柱脱色:稀盐酸对碱性阴离子树脂进行预处理,得到氯型阴离子树脂,然后用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色,得到γ-氨基丁酸流出液;
(5)电渗析脱盐:对γ-氨基丁酸流出液进行电渗析脱盐,收集脱盐γ-氨基丁酸;
(6)浓缩及干燥:对脱盐γ-氨基丁酸进行纳滤膜反渗透浓缩,收集截留液,干燥,即可得到固态γ-氨基丁酸。
2.根据权利要求1所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的发酵液的制备及预处理步骤中,所述的陶瓷膜的分子量为200-400kw,所述的除菌发酵液的电导率为30-50ms/cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的氢型阳离子树脂吸附除菌发酵液中的γ-氨基丁酸的上样速度为1-2BV/h。
4.根据权利要求3所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述步骤(3)中的稀碱溶液的浓度为0.5-1mol/L,所述的洗脱流速为1-2BV/h。
5.根据权利要求1或2所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述步骤(4)中用氯型阴离子树脂对γ-氨基丁酸洗脱液进行脱色的上样速度为1-2BV/h。
6.根据权利要求1或2所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述步骤(6)中纳滤膜反渗透浓缩的膜压力为0.5-1MPa。
7.根据权利要求1或2所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的电渗析脱盐至γ-氨基丁酸流出液电导率降至300μs/cm以下时停止脱盐。
8.根据权利要求1或4所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的阳离子树脂型号为001*7。
10.根据权利要求1所述的一种从发酵液中纯化γ-氨基丁酸的方法,其特征在于:所述的阴离子树脂为D201。
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