微生物法生产黄姜皂苷关键技术研究
发布时间：2020-12-31 12:18
黄姜(Dioscorea zingiberensis C.H.Wright),学名为盾叶薯蓣,是我国特有的药用植物资源。黄姜主要用于生产黄姜皂素,黄姜皂素可用于合成数百种甾体激素类药物,被誉为“药用黄金”。黄姜皂素以黄姜皂苷的形式存在于黄姜根状茎中,黄姜皂苷是在黄姜皂素的C3和C26位连接有糖基的两亲性化合物,工业上通常将黄姜水悬液中所有组分一起酸解来生产黄姜皂素,存在“污染大、收率低、成本高”等瓶颈。为突破瓶颈,实现黄姜皂素清洁生产,需要采用一种方法将皂苷与黄姜水悬液中其他组分分开,富集固相中的皂苷于水相,再利用微生物菌株转化水相中的皂苷为黄姜皂素。因此,如何保证黄姜中水溶性皂苷含量的稳定以及如何高效地促进黄姜固相中的皂苷释放到水相是亟需研究的关键问题。本文围绕以上关键问题开展系统研究,取得如下研究成果:(1)研究确定影响黄姜中水溶性皂苷含量稳定的因素并建立相应的控制方法,确保大量的黄姜皂苷富集于水相。研究发现内源酶和四个属的微生物菌株会影响黄姜中水溶性皂苷含量的稳定,即内源酶仅会少量降解水溶性皂苷,而香味菌属(Myroides)、肠球菌属(Enterococcus)、产碱杆菌属(A...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
黄姜根状茎棚内储藏
淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉这两种类型的α-葡聚糖组成(图1.7),这两种葡聚糖占淀粉干重的98%-99%。除此之外,淀粉中还含有少量的脂质、蛋白质和微量元素[50]。直链淀粉包含约99%的α-1,4-糖苷键,是一种长链的α-葡聚糖,分子量约为1×105-1×106。支链淀粉是一种富含分支的α-葡聚糖,包括大约95%的α-1,4-糖苷键和5%的α-1,6-糖苷键,分子量较直链淀粉要大,约为1×107-1×109[51,52]。薯蓣属植物的淀粉与其他淀粉一样,也是由直链淀粉和高度分支的支链淀粉形成的一种半结晶结构[53],淀粉的特性受到直链淀粉与支链淀粉比例、支链淀粉的精细结构和淀粉的晶体结构的影响[54]。淀粉的特性会影响淀粉的水解过程,关系到黄姜皂苷的释放。无定形相的淀粉粒是亲水的,在水中浸泡即会吸水发生有限的可逆膨胀[55]。随着温度的增加,淀粉的溶解度、膨胀势和面积也会随之增加,但随着温度的进一步提高,则会引起淀粉的不可逆吸水溶胀,膨胀势和面积快速增加[56]。Tester和Morrison认为,随着温度的增加,淀粉膨胀是先后经历缓慢增加、快速增加并最终达到最大值的过程,随后淀粉会发生裂解从而有可能无法观察到淀粉的最大膨胀[57]。淀粉的膨胀有可能强化其对黄姜皂苷的包裹程度,从而影响黄姜皂苷的游离程度。
对于木质纤维素的降解,采用传统的木质纤维素降解酶处理方法需要使用大量的商品酶,且由于植物天然的木质纤维素抗降解屏障作用,效果十分有限。为了消除植物的这种抗降解屏障,人们开展了一系列关于木质纤维素生物质的预处理方法的研究。预处理的主要目的是去除木质素和半纤维素组分,增加木质纤维素材料的孔隙度,降低纤维素的结晶度(图1.8)[60]。预处理应满足以下要求:(1)成本低;(2)适用性强;(3)可使大部分木质纤维素成分得以回收;(4)预处理前的准备步骤不应过于复杂;(4)避免产生对后续水解和发酵过程有抑制作用的副产物。常见的木质纤维素预处理方式包括物理法处理[61,62]、物理化学法处理[63]、化学法处理[64,65]、基于纤维素溶剂的木质纤维素处理[66]、生物法处理[67]等等。预处理方法很多,并且这些方法大多不是独立存在而是相互依赖的,因为目前还没有一种绝对完美的预处理方式。例如,可能产生一系列有机酸类、糠醛类以及酚类化合物等抑制性化合物,处理过程需要大量能耗,较低的可溶性糖的分离效率等等,不同的木质纤维素生物质的预处理方法不同。在这些预处理方法里,生物法处理尤其是微生物发酵处理最为适合黄姜根状茎的加工,微生物分泌的系列木质纤维素降解酶系可以使黄姜木质纤维素结构松散并有效促进黄姜中皂苷的释放[68,69]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物发酵提取油茶粕中糖萜素的研究[J]. 刁欢,汤强,张明雷,李恬妮. 中国油脂. 2016(05)
[2]基于表面活性剂增溶技术的薯蓣皂苷萃取研究[J]. 李祥,师春兰,王丽萍,张彬. 日用化学工业. 2014(08)
[3]多元复合酶降解黄姜薯蓣皂苷元的工艺研究[J]. 李文君,王成章,张水晶,鲁黎. 生物质化学工程. 2014(04)
[4]盾叶薯蓣根状茎中皂苷的组织化学定位及含量测定[J]. 昝丽霞,徐皓,赵桦,李会宁. 湖北农业科学. 2014(13)
[5]生物技术提取黄姜皂素的研究进展[J]. 李文君,王成章. 生物质化学工程. 2013(06)
[6]复合酶法提取薯蓣皂素的研究[J]. 钟桂芳,刘径羽,番攀,袁海晓,杨雪鹏. 中国酿造. 2013(05)
[7]表面活性剂及其复配体系对盾叶薯蓣中薯蓣皂苷提取率影响的研究[J]. 李祥,兀浩,文星,李进,房媛,史云东. 中成药. 2013(02)
[8]筛选两株稻杆降解放线菌[J]. 顾文杰,张发宝,徐培智,解开治,唐拴虎. 微生物学报. 2012(09)
[9]植物残体分解过程中微生物群落变化影响因素研究进展[J]. 王晓玥,孙波. 土壤. 2012(03)
[10]微生物发酵提高甘草渣中黄酮类物质提取率的研究[J]. 李艳宾,张琴,陶呈宇,柴娟,贺江舟. 食品研究与开发. 2010(09)
博士论文
[1]微生物法清洁生产黄姜皂素新技术及工程化研究[D]. 魏蜜.华中科技大学 2014
[2]薯蓣皂素清洁生产关键技术及盾叶薯蓣资源化利用研究[D]. 李祥.陕西科技大学 2012
硕士论文
[1]复合维生素纳米乳对生长獭兔生产性能与肠道微生态的影响[D]. 叶翔杨.西北农林科技大学 2018
[2]以褐铁矿为填料的生物滤池处理低浓度生活污水研究[D]. 包金波.合肥工业大学 2018
[3]微生物高效转化黄姜皂苷生产皂素研究[D]. 马晓霞.华中科技大学 2016
[4]三七总皂苷的发酵辅助提取及其活性评价[D]. 杨婧娟.浙江大学 2013
[5]米曲霉生物转化盾叶薯蓣中甾体皂苷的研究[D]. 齐珊珊.大连理工大学 2009
[6]黄姜淀粉性质研究[D]. 石文娟.西南大学 2008
[7]脂肽生物表面活性剂的制备、理化性质和抑菌活性研究[D]. 陈云瑛.中国海洋大学 2008
[8]阶梯生物催化协同提取薯蓣皂苷元及其洁净工艺研究[D]. 王东青.天津大学 2006
[9]盾叶薯蓣及楸树果实中的化学成分研究[D]. 昝丽霞.西北大学 2005
本文编号：2949586
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
黄姜根状茎棚内储藏
淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉这两种类型的α-葡聚糖组成(图1.7),这两种葡聚糖占淀粉干重的98%-99%。除此之外,淀粉中还含有少量的脂质、蛋白质和微量元素[50]。直链淀粉包含约99%的α-1,4-糖苷键,是一种长链的α-葡聚糖,分子量约为1×105-1×106。支链淀粉是一种富含分支的α-葡聚糖,包括大约95%的α-1,4-糖苷键和5%的α-1,6-糖苷键,分子量较直链淀粉要大,约为1×107-1×109[51,52]。薯蓣属植物的淀粉与其他淀粉一样,也是由直链淀粉和高度分支的支链淀粉形成的一种半结晶结构[53],淀粉的特性受到直链淀粉与支链淀粉比例、支链淀粉的精细结构和淀粉的晶体结构的影响[54]。淀粉的特性会影响淀粉的水解过程,关系到黄姜皂苷的释放。无定形相的淀粉粒是亲水的,在水中浸泡即会吸水发生有限的可逆膨胀[55]。随着温度的增加,淀粉的溶解度、膨胀势和面积也会随之增加,但随着温度的进一步提高,则会引起淀粉的不可逆吸水溶胀,膨胀势和面积快速增加[56]。Tester和Morrison认为,随着温度的增加,淀粉膨胀是先后经历缓慢增加、快速增加并最终达到最大值的过程,随后淀粉会发生裂解从而有可能无法观察到淀粉的最大膨胀[57]。淀粉的膨胀有可能强化其对黄姜皂苷的包裹程度,从而影响黄姜皂苷的游离程度。
对于木质纤维素的降解,采用传统的木质纤维素降解酶处理方法需要使用大量的商品酶,且由于植物天然的木质纤维素抗降解屏障作用,效果十分有限。为了消除植物的这种抗降解屏障,人们开展了一系列关于木质纤维素生物质的预处理方法的研究。预处理的主要目的是去除木质素和半纤维素组分,增加木质纤维素材料的孔隙度,降低纤维素的结晶度(图1.8)[60]。预处理应满足以下要求:(1)成本低;(2)适用性强;(3)可使大部分木质纤维素成分得以回收;(4)预处理前的准备步骤不应过于复杂;(4)避免产生对后续水解和发酵过程有抑制作用的副产物。常见的木质纤维素预处理方式包括物理法处理[61,62]、物理化学法处理[63]、化学法处理[64,65]、基于纤维素溶剂的木质纤维素处理[66]、生物法处理[67]等等。预处理方法很多,并且这些方法大多不是独立存在而是相互依赖的,因为目前还没有一种绝对完美的预处理方式。例如,可能产生一系列有机酸类、糠醛类以及酚类化合物等抑制性化合物,处理过程需要大量能耗,较低的可溶性糖的分离效率等等,不同的木质纤维素生物质的预处理方法不同。在这些预处理方法里,生物法处理尤其是微生物发酵处理最为适合黄姜根状茎的加工,微生物分泌的系列木质纤维素降解酶系可以使黄姜木质纤维素结构松散并有效促进黄姜中皂苷的释放[68,69]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物发酵提取油茶粕中糖萜素的研究[J]. 刁欢,汤强,张明雷,李恬妮. 中国油脂. 2016(05)
[2]基于表面活性剂增溶技术的薯蓣皂苷萃取研究[J]. 李祥,师春兰,王丽萍,张彬. 日用化学工业. 2014(08)
[3]多元复合酶降解黄姜薯蓣皂苷元的工艺研究[J]. 李文君,王成章,张水晶,鲁黎. 生物质化学工程. 2014(04)
[4]盾叶薯蓣根状茎中皂苷的组织化学定位及含量测定[J]. 昝丽霞,徐皓,赵桦,李会宁. 湖北农业科学. 2014(13)
[5]生物技术提取黄姜皂素的研究进展[J]. 李文君,王成章. 生物质化学工程. 2013(06)
[6]复合酶法提取薯蓣皂素的研究[J]. 钟桂芳,刘径羽,番攀,袁海晓,杨雪鹏. 中国酿造. 2013(05)
[7]表面活性剂及其复配体系对盾叶薯蓣中薯蓣皂苷提取率影响的研究[J]. 李祥,兀浩,文星,李进,房媛,史云东. 中成药. 2013(02)
[8]筛选两株稻杆降解放线菌[J]. 顾文杰,张发宝,徐培智,解开治,唐拴虎. 微生物学报. 2012(09)
[9]植物残体分解过程中微生物群落变化影响因素研究进展[J]. 王晓玥,孙波. 土壤. 2012(03)
[10]微生物发酵提高甘草渣中黄酮类物质提取率的研究[J]. 李艳宾,张琴,陶呈宇,柴娟,贺江舟. 食品研究与开发. 2010(09)
博士论文
[1]微生物法清洁生产黄姜皂素新技术及工程化研究[D]. 魏蜜.华中科技大学 2014
[2]薯蓣皂素清洁生产关键技术及盾叶薯蓣资源化利用研究[D]. 李祥.陕西科技大学 2012
硕士论文
[1]复合维生素纳米乳对生长獭兔生产性能与肠道微生态的影响[D]. 叶翔杨.西北农林科技大学 2018
[2]以褐铁矿为填料的生物滤池处理低浓度生活污水研究[D]. 包金波.合肥工业大学 2018
[3]微生物高效转化黄姜皂苷生产皂素研究[D]. 马晓霞.华中科技大学 2016
[4]三七总皂苷的发酵辅助提取及其活性评价[D]. 杨婧娟.浙江大学 2013
[5]米曲霉生物转化盾叶薯蓣中甾体皂苷的研究[D]. 齐珊珊.大连理工大学 2009
[6]黄姜淀粉性质研究[D]. 石文娟.西南大学 2008
[7]脂肽生物表面活性剂的制备、理化性质和抑菌活性研究[D]. 陈云瑛.中国海洋大学 2008
[8]阶梯生物催化协同提取薯蓣皂苷元及其洁净工艺研究[D]. 王东青.天津大学 2006
[9]盾叶薯蓣及楸树果实中的化学成分研究[D]. 昝丽霞.西北大学 2005
本文编号：2949586
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