用于獲得糖衍生物的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于從含半纖維素的材料獲得糖衍生物的方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，已重新考慮可再生原材料。嘗試由化石原材料轉向可再生原材料作為能 源和化學產(chǎn)品的來源?？稍偕牧希?nachwachsender Rohstoff" -在下面被縮寫為 "Nawaro"）包括植物或動物起源的不被用作食品或飼料的農(nóng)業(yè)和森林原材料。它可以材料 方式利用，而且還可以能量方式利用。Nawaro具有許多優(yōu)點，例如保護僅以有限程度提供的 化石原材料、足夠的可用性以及針對農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)過剩開辟新市場。
[0003] 木質(zhì)纖維素作為Nawaro的重要性正在增加（Kamm和Kamm2004,ApplMicrobiol Biotechnol. 64(2): 137-45)。它由3個不同的化學主要部分組成：纖維素，一種由葡萄糖 單元構成的C6聚合物；由不同的C5糖（例如，木糖）組成的半纖維素；和作為酚聚合物 的木質(zhì)素。一種利用木質(zhì)纖維素的可能性是氣化，使得獲得所謂的"合成氣平臺"。原材 料在氧氣供應受限的情況下被燃燒以產(chǎn)生富含C02、CO、H2、014和N2的合成氣體以及焦油 (Bridgwater, 2003)。合成氣體然后可進而被用于例如通過費-托合成（Fischer-Tropsch synthesis)來產(chǎn)生燃料和化學品（Tijmensen等，2002)。第二種可能性是所謂的〃糖平臺 〃。其中，木質(zhì)纖維素首先被分解成3種主要的組分，那些組分然后被進一步轉化成產(chǎn)品。木 糖可被轉化成例如木糖醇或者糠醛。葡萄糖可用于發(fā)酵或被轉化成羥甲基糠醛（HMF)。木 質(zhì)素常常被用于產(chǎn)生能量或僅僅被燃燒（Saake和Lehnen, 2007,烏爾曼的工業(yè)化學百科全 書（Ullmann，sEncyclopediaofIndustrialChemistry) ?Wiley-VCHVerlagGmbH&Co)〇
[0004] 在木質(zhì)纖維素內(nèi)，所述糖以部分結晶的纖維素和包圍所述纖維素的無定形半 纖維素的形式提供于緊密交聯(lián)的聚合結構中。在細胞壁合成的過程中，空腔被木質(zhì) 素填滿，由此形成極緊密的復合物。所述結構的緊密性使例如纖維素酶或半纖維素 酶的酶不可能到達，由于它們相對高的分子量，因此它們不能進入孔中（Himmel等， 2007,Science. 315(5813) : 804-7)。因此，有必要在酶促處理前進行增加木質(zhì)纖維素的孔隙 度的化學步驟。該步驟被稱為"預處理"（消化）。在消化中，聚合木質(zhì)纖維素基質(zhì)被破壞， 由此暴露了纖維素纖維，使得它們變得對于酶可及。消化是被描述為生物精煉中最昂貴的 步驟之一的關鍵步驟（Mosier等，2005,BioresourTechnol. 96 (6) : 673-86)。另一方面，它 還對例如水解、發(fā)酵、下游過程的后續(xù)步驟以及還有源于所述過程的廢物具有非常大的影 響（Alvira等，BioresourTechnol. 101 (13) :4851_61)〇
[0005] 已確定的消化方法的目的主要是液化半纖維素（例如，蒸汽爆破_、稀酸-預處 理）或通過液化木質(zhì)素（例如，石灰_、氨-預處理）實現(xiàn)孔隙度的增加。那些方法表現(xiàn)出 一個嚴重缺點：它們是高耗能的，或者它們主要在略低于200°C的溫度下進行。或者它們要 求昂貴地回收消化化學品。預處理的類型可在后續(xù)生物催化過程期間對酶活性和產(chǎn)率具有 強烈的影響。在高反應溫度下，常常出現(xiàn)毒性分解產(chǎn)物（例如，糠醛），這在直接相關的乙醇 發(fā)酵的情況下可抑制酵母菌（Chandra等，2007,AdvBiochemEngBiotechnol. 108:67-93 ; Mansfield等，1999,Biotechnol Prog.15 (5) : 804-816) 〇
[0006] 作為半纖維素，木聚糖是非均質(zhì)聚合物。半纖維素主要包含戊糖（C5)，例如D-木 糖和L-阿拉伯糖，但還包含己糖（C6)，例如D-葡萄糖、D-甘露糖和D-半乳糖以及還有 糖酸，例如葡糖醛酸和4-0-甲基-D-葡糖醛酸。半纖維素通常具有低于200的聚合度 (Jorgensen等，2007)。半纖維素以構成它們的糖（例如，麥秸中所含的阿拉伯葡糖醛酸 木聚糖）命名，所述麥秸由木糖主鏈組成并且含有阿拉伯糖和葡糖醛酸的側鏈。另外， 木糖單元可分別被乙酸醋和阿魏酸或香豆酸醋化（Polizeli等，2005，ApplMicrobiol Biotechnol. 67 (5) : 577-91)。對于木聚糖的酶促降解來說，需要內(nèi)切木聚糖酶、0 -木糖苷 酶、a_葡糖醛酸糖苷酶、a 阿拉伯呋喃糖苷酶（arabinofuranidase)和醋酶（Polizeli 等，2005,出處同上）。內(nèi)切木聚糖酶分裂木聚糖主鏈中的糖苷鍵并且因此降低底物的聚合 度。主要水解產(chǎn)物是0-D-吡喃木糖基低聚物，但還有少量的單糖、二糖和三糖。木 糖苷酶將低聚木糖裂解成單體木糖。剩余的酶表現(xiàn)出抵抗側鏈的活性并且將它們分離。 a-葡糖醛酸糖苷酶將葡糖醛酸殘基從主鏈分離，a-L-阿拉伯呋喃糖苷酶分離阿拉伯糖 側鏈。酯酶將木聚糖的酯鍵分裂成側鏈，例如乙酸酯或對香豆酸或相應地阿魏酸（Collins 等，2005,FEMSMicrobiolRev. 29(1): 3-23)。側鏈的分裂至關重要，使得內(nèi)切木聚糖酶和 0 _木糖苷酶可完全分解木聚糖。
[0007] 木聚糖水解用于將糖聚合物裂解成糖低聚物或糖單體。其中，不同目標可有區(qū)別。 在一些應用中，合理的是將兩種糖聚合物（纖維素和木糖）都裂解成單體。特別地，在從生 物質(zhì)生產(chǎn)可發(fā)酵糖的情況下就是這樣。然而，在其它應用中，纖維素應當作為聚合物保存， 但木聚糖應當被裂解成低聚物或單體。木聚糖水解可以化學方式或酶促方式發(fā)生。此外， 木聚糖水解可與木質(zhì)纖維素材料的分離同時發(fā)生或在分開的步驟中發(fā)生。
[0008] 在US3,523,911中，描述了如下的化學方法，其中在100°C到150°C的溫度下用酸 性蒸氣處理生物質(zhì)，所述酸性蒸氣然后在冷凝期間將糖從所述材料中溶解出來。然而，在該 方法中，消耗了非常大量的酸，并且獲得僅具有非常低濃度的木糖的水解產(chǎn)物。例如，如果 基于甘蔗渣的干物質(zhì)15 %的木聚糖被水解，則水解產(chǎn)物將僅含有3 %的木糖，這可歸因于 在所述過程期間吸收了大量的水。高的酸消耗和用于濃縮糖溶液的成本使得所述方法是無 利的。
[0009] 在US7, 932, 063中，描述了如下的方法，其中首先用含氨水溶液消化生物質(zhì)。然 后使獲得的產(chǎn)物與"糖化酶"（一種糖裂解酶）反應，以獲得可發(fā)酵的糖。所述酶可包括若 干活性，例如糖苷酶、肽酶、脂肪酶、木質(zhì)酶和酯酶。以這種方式，確保了，如果可能的話，存 在的全部糖聚合物都被分解成單體。因此，實現(xiàn)了高糖產(chǎn)率與高糖濃度的水解產(chǎn)物。缺點 是水解的非特異性。該方法不涉及僅裂解木質(zhì)纖維素材料中的木聚糖同時保持纖維素作為 聚合物的可能性。
[0010] 在AT509 307A1中，描述了如下的方法，其中用碳水化合物裂解酶處理已通過堿 性醇溶液在低于100°c的溫度下消化的生物質(zhì)以獲得糖單體。其中，如果使用純的木聚糖酶 作為酶，則僅木聚糖被分解，而纖維素作為聚合物被保存。從木聚糖獲得的木糖然后可被木 糖還原酶轉化成木糖醇而無需從水解產(chǎn)物分離木糖。因此，從預處理的含半纖維素的生物 質(zhì)獲得高濃度的C5糖。然而，所述方法涉及以下缺點：來自水解的C5糖或者還原的后續(xù)產(chǎn) 物只有在經(jīng)過巨大努力的情況下才可從反應溶液分離?？扇苄阅揪厶?、低聚木糖和酶或蛋 白質(zhì)