响应面法优化N-乙酰氨基葡萄糖发酵液精制纯化工艺

背景介绍N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）是生物体内的一种含氮单糖，广泛存在于细菌、植物和动物体内，是甲壳素的结构单元，NAG具有消炎、抗肿瘤和抗氧化等多种生物活性，被广泛应用于食品、医药、材料、农业等多个领域。通过微生物发酵将葡萄糖等生物质稳定高效地转化为NAG及其衍生物是氨糖产品目前主流的工业化生产方式。但发酵过程中产生的发酵液组成复杂，关键杂质不明确，现有纯化和精制工艺尚不能解决制约产品纯度和品质的难题。因此针对实际工业生产的发酵液，开发适用于NAG分离纯化的新工艺，发现并鉴定出影响产品品质的关键杂质，降低企业的产品损失与母液处理量具有重大的经济与社会意义。文章亮点1.

针对实际工业生产的发酵液，开发了适用于发酵液中NAG分离纯化的新工艺，筛选出关键分离介质并优化了分离工艺；2.测定了分离介质的再生性能并获得了可应用于实践的脱盐率、脱色率和NAG回收率的回归方程；3.确定了影响产品品质的关键杂质，提高了NAG纯度与结晶率并减少母液量，降低了企业的产品损失并解决了部分废液处理问题。内容介绍1

实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

实验方法1.2.1

发酵液的预处理NAG发酵液由山东润德生物科技有限公司提供，通过超滤膜除去发酵液中的蛋白质，收集超滤膜透过液作为预处理发酵液，将超滤膜透过液中NAG浓度稀释至20mg/mL作为树脂精制纯化的初始原料。1.2.2

树脂的预处理将干树脂置于饱和NaCl溶液中溶胀24h并用去离子水洗净，阳离子交换树脂先用3%NaOH溶液清洗3h，树脂用去离子水洗净后，再用5%HCl溶液清洗6h，最后用去离子水洗至树脂流出液为中性。2

结果与讨论2.1

预处理发酵液成分分析采用超滤膜对NAG发酵液进行预处理，收集超滤膜透过液并以NAG、蛋白质含量、电导率、OD420为检测指标进行测定，结果如表1所示。2.2

树脂筛选结果如图1与图2所示，对比不同型号树脂对发酵液脱盐率与脱色率的影响，发现弱酸性阳离子交换树脂DS-1对发酵液的脱盐效果最佳，强碱性阴离子交换树脂HS-3对发酵液的脱色效果最佳，因此，选择DS-1树脂与HS-3树脂对发酵液进行精制纯化。图1

不同树脂脱盐效果对比图2

不同树脂脱色效果对比2.3

单因素实验结果2.3.1

阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果影响阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果的影响如图3所示。图3

阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果影响2.4

响应面优化精制纯化工艺根据单因素实验结果，选择阴阳离子交换树脂体积比、上样浓度、温度为实验因素，进行三因素三水平的响应面分析实验，将温度、上样浓度、阴阳离子交换树脂体积比分别固定，发酵液脱盐率随其余2个参数变化的响应面图与等高线图如图4所示。a、b分别为

上样浓度、阴阳离子交换树脂体积比的响应面图和等高线图；c、d分别为

温度、阴阳离子交换树脂体积比的响应面图和等高线图；e、f分别为

温度、上样浓度的响应面图和等高线图图4

发酵液脱盐率的响应面图与等高线图3

结论针对复杂的NAG发酵液体系，本文开发了适用于NAG精制纯化的新工艺。筛选了由DS-1树脂与HS-3树脂组成的适用于NAG发酵液精制纯化的树脂组合，在单因素实验的基础上，通过对阴阳离子交换树脂体积比、上样浓度、温度进行响应面分析实验，得到NAG发酵液精制纯化的最佳条件为阴阳离子交换树脂体积比0.35:1、上样浓度65mg/mL、温度41℃，此时发酵液脱盐率为96.9%，脱色率79.5%，NAG回收率84.5%，NAG结晶纯度