[发明专利]利用豆粕粉同步酶解发酵制备(R,R)-2,3-丁二醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体是一种利用豆粕粉同步酶解发酵制备(R,R)-2,3-丁二醇的方法。

背景技术

2,3-丁二醇（2,3-butanediol）作为一种大宗的化学产品具有广泛的应用价值，尤其在化工、食品、燃料及航空航天等领域（Appl Microbiol Biotechnol,2001,55(1):10-18）。同时，通过特定的化学反应，2,3-丁二醇可以衍生出多种重要的化学品如3-羟基丁酮、甲乙酮及1,3-丁二烯。因此，它被视作一种极具潜力的平台化合物。

2,3-丁二醇分子内含有两个手性碳原子，因此存在三种旋光异构体，分别是(R,R)-2,3-丁二醇、(S,S)-2,3-丁二醇和meso-2,3-丁二醇。其中(R,R)-2,3-丁二醇不仅具有混旋型2,3-丁二醇的一般功能，还是优良的抗冻剂，也是合成手性试剂和手性配体的重要中间体，在手性药物的合成中也有潜在的重要应用（催化学报,2013,34:351-360）。

目前，(R,R)-2,3-丁二醇的生产主要采用化学合成法，以1-丁醇经过多步反应得到2,3-丁二醇的外消旋混合物，最后通过外消旋体的拆分得到(R,R)-2,3-丁二醇（化学进展,2010,22:2450-2461）。化学合成法过程繁琐，而且手性拆分成本高，难以实现大规模生产。因此，实现单一立体构型2,3-丁二醇的研究很有必要。

在制备化学品的方法中，微生物制造方法与化学合成法相比，其原料丰富而且可再生、条件温和、工艺简单、环境友好，因此越来越成为国内外研究开发的热点。具有良好生产潜力的2,3-丁二醇合成菌株主要集中于克雷伯氏菌属（Klebsiella）、肠杆菌属（Enterobacter）、类芽孢杆菌属（Panebacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）及沙雷氏菌属（Serratia）。大多数报道的微生物产生的均为混旋型2,3-丁二醇，而类芽孢杆菌属的多粘类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）则能够产生光学纯度大于98%的(R,R)-2,3-丁二醇（Appl Environ Microbiol,2011,77:4230-4233;Bioresource Technol,2012,124:237-244）。此外，也有利用代谢工程技术构建Bacillus licheniformis、Escherichia coli等重组菌株合成(R,R)-2,3-丁二醇的报道，但产量比较低。目前报道的(R,R)-2,3-丁二醇产量最高的是111g/L，但其发酵培养基中需要加入高浓度价格昂贵的酵母粉（60g/L）。当酵母粉浓度降低至5g/L的时候，(R,R)-2,3-丁二醇产量仅为60g/L（Bioresource Technol,2012,124:237-244）。

微生物发酵产生(R,R)-2,3-丁二醇的同时需要富含氨基酸、维生素、无机盐以及微量元素的氮源来维持菌体正常生长代谢。由于酵母粉、蛋白胨等氮源由于富含多种上述营养成分，有利于菌体的生长和发酵。目前对微生物法制备(R,R)-2,3-丁二醇的文献报道大多使用这些高价的有机氮源（Bioresource Technol,2012,124:237-244;J Biosci Bioeng,2000,90:661-664;Appl Microbiol Biotechnol,2013,97:585-597），从而限制了其工业化生产。微生物发酵的培养基成分对生产成本影响很大，例如乳酸发酵中酵母粉等氮源的成本占总发酵成本的30%左右（Enzyme Microb Technol,2000,26:209-215）。因此寻找一种既廉价又有效的氮源来替代高价氮源是推进发酵产业化生产(R,R)-2,3-丁二醇的必经之路。

此外，通过检索发现与(R,R)-2,3-丁二醇制备相关的专利公开文献如下：

1、产(R,R)-2,3-丁二醇的基因工程菌及其构建方法和应用（申请号：201210505523.2），公开了一株高产高纯度的(R,R)-2,3-丁二醇的基因工程菌及其构建方法和应用。该发明所述的发酵培养基使用高价的蛋白胨和酵母膏为氮源，未使用豆粕粉为氮源。

2、一种多粘类芽孢杆菌及利用其制备光学纯R,R型2,3-丁二醇的方法（申请号：200910026807.1），公开了一种多粘类芽孢杆菌及制备的方法。该发明的发酵培养基所使用的有机氮源为牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、玉米浆、豆饼粉、棉籽饼粉。其中使用豆饼粉为有机氮源时(R,R)-2,3-丁二醇产量仅为18.2g/L。该发明未使用豆粕粉为氮源。