高敏 柯崇榕 高萍 劉孟粟 黃建忠

摘?要：針對本實驗室1株高產(chǎn)γ氨基丁酸（γ?aminobutyric acid，簡稱GABA）的大腸桿菌，以麩酸為底物利用全細胞催化的方法生產(chǎn)GABA，研究了生產(chǎn)GABA的轉(zhuǎn)化液脫色工藝。試驗采用活性炭結(jié)合樹脂層析的脫色方法，首先對14種脫色樹脂的脫色能力進行篩選，結(jié)果表明FPA53陰離子交換樹脂的脫色效果顯著優(yōu)于其他樹脂，通過單因素試驗對樹脂的脫色溫度、pH進行優(yōu)化，得到FPA53樹脂的理想脫色條件與轉(zhuǎn)化液初始條件相近，為溫度40℃、pH6。在該條件下，轉(zhuǎn)化液的脫色率達到了85.1%，GABA回收率達到98%以上，谷氨酸去除率達到23%以上。對6種活性炭進行篩選，結(jié)果表明2號竹清活性炭的脫色效果顯著優(yōu)于其他活性炭，通過單因素試驗對活性炭的添加比例進行優(yōu)化，得到1%的活性炭添加比例為試驗理想比例，在此條件下，轉(zhuǎn)化液的脫色率達到92.8%以上，GABA回收率達到99%，而液體損失率只有2%。最后，將篩選得到的活性炭與脫色樹脂結(jié)合使用，結(jié)果顯示，結(jié)合使用后的轉(zhuǎn)化液脫色率可以達到99.5%以上，GABA回收率達到98%以上，結(jié)晶顆粒潔白無雜色。該研究結(jié)果為GABA精制及其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：γ氨基丁酸;脫色;樹脂;活性炭;純化

中圖分類號：TS201.3?文獻標志碼：A?文章編號：0253-2301（2020）01-0017-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.01.004

Decoloring Technology of the Conversion Solution for Producing γ?aminobutyric Acid by Whole?cell Catalysis

GAO Min1，2， KE Chong?rong1，2， GAO Ping1，2， LIU Meng?su1，2， HUANG Jian?zhong1，2*

（1. College of Life Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China; 2. Engineering Research Center

of Ministry for Industrial Microbiology， National and Local Joint Engineering Research Center for Industrial Microbial

Fermentation Technology， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China）

Abstract： Aiming at a strain of colibacillus with high?yielding γ?aminobutyric acid （GABA） in our laboratory， the whole?cell catalysis method was used to produce GABA with glutamic acid as the substrate， and the decolorization process of the conversion solution for the production of GABA was studied. In the experiment， the decolorization method of active carbon combined with resin chromatography was used. Firstly， the decolorization ability of 14 kinds of decolorizing resins was screened. The results showed that the decolorization effect of FPA53 anion?exchange resin was significantly better than that of other resins. Through the single factor test， the decolorization temperature and pH of the resin were optimized， and the ideal decolorization condition of FPA53 resin was similar to the initial condition of the conversion solution， with a temperature of 40℃ and a pH of 6. Under these conditions， the decolorization rate of the conversion liquid reached over 85.1%， the recovery rate of GABA reached over 98%， and the removal rate of glutamic acid reached over 23%. The six kinds of activated carbons were screened， and the results showed that the decolorization effect of No.2 Zhuqing activated carbon was significantly better than that of other activated carbons. The appending proportion of activated carbon was optimized through the single factor experiment， and the appending proportion of 1% activated carbon was the ideal proportion of the test. Under these conditions， the decolorization rate of the conversion solution reached over 92.8%， the recovery rate of GABA reached 99%， and the liquid loss ratio was only 2%. Finally， the selected activated carbon was combined with the decolorizing resin， and the results showed that the decolorization rate of the conversion solution after the combined use could reach over 99.5%， the recovery rate of GABA could reach over 98%， and the crystalline particles were white and no variedness. The results of this study provided a basis for GABA refining and its large?scale industrial production.

Key words： γ?aminobutyric acid; Decolorization; Resin; Ativated carbon; Purification

γ氨基丁酸（γ?aminobutyric acid，簡稱GABA），廣泛存在于自然界中，是動植物體中重要的非蛋白質(zhì)氨基酸，具有降血壓[1]、鎮(zhèn)定安神[2]、治療癲癇[3]等多種生理功能[4-7]，因此，被廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)療等領(lǐng)域。當前，GABA的生產(chǎn)方法以微生物發(fā)酵法為主[8-9]，微生物法又分為直接發(fā)酵法[10-11]和全細胞催化法[12]，與直接發(fā)酵法相比，全細胞催化法具有雜質(zhì)含量少，產(chǎn)物分離純化簡單，菌體可重復(fù)利用等優(yōu)點[13-15]。全細胞催化法生產(chǎn)GABA的底物常使用麩酸，麩酸是一種未精制的谷氨酸，具有雜質(zhì)較高，色素含量重的特點，但是價格低廉，是一種常用的工業(yè)生產(chǎn)原料[16-18]。

使用大量麩酸為底物全細胞催化生產(chǎn)GABA，轉(zhuǎn)化液的主要雜質(zhì)是未轉(zhuǎn)化完全的谷氨酸和轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的色素（底物、微生物次級代謝物、設(shè)備引入、加酸加堿等單元操作）[19-21]，谷氨酸可以通過提高麩酸的轉(zhuǎn)化率來降低[22]，但是對色素的去除并不十分有效，因此色素的去除是精制GABA的關(guān)鍵。目前工業(yè)上對GABA的脫色方法主要集中在活性炭脫色[23-25]與樹脂脫色[26-28]兩種方法上。其中，活性炭是工業(yè)上常用的一種脫色劑，具有吸附范圍廣、價格低廉等優(yōu)點，但是通常具有回收率低、再生困難等缺點。樹脂脫色具有選擇性好、可再生等優(yōu)點，但是吸附面小。目前工業(yè)上使用的脫色方法通常是采用兩種脫色方式中的一種，而對活性炭與脫色樹脂結(jié)合使用的報道較少。使用單一脫色方式脫色率一般低于95%[29-30]，GABA回收率較低，造成結(jié)晶的GABA晶體色澤較深，純度較低。因此，本研究在中試基礎(chǔ)上分別對脫色樹脂與活性炭進行篩選，擬建立一種高效的活性炭結(jié)合樹脂層析的GABA脫色方式，為GABA進一步工業(yè)化擴大生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?材料與試劑

GABA轉(zhuǎn)化液由本實驗室自制提供，濃度約290 g·L-1;GABA標樣購自西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司;異硫氰酸苯酯、三乙胺購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙酸鈉、冰醋酸購自西隴化工股份有限公司;LS100、LS305、LS106、LS200、LS300B等樹脂購自陜西藍深特種樹脂有限公司;CAD40、AB8樹脂購自安徽三星樹脂科技有限公司;Amberlite XAD18、Amberlite XAD 16N、Amberlite XAD 1600、FPA40CL、FPA53樹脂購自上海安瀾德生物科技有限公司;SD300樹脂購自江蘇色可賽思樹脂有限公司;DM301樹脂購自北京寰宇科創(chuàng)生物科技發(fā)展有限公司;1～6號活性炭分別來自江蘇竹溪活性炭有限公司、鞏義市北山口竹清活性炭廠、江蘇康宏炭業(yè)有限公司、河南鄭州竹林活性炭開發(fā)公司、湖南力遠活性炭有限公司以及本實驗室留存的活性炭，均為木質(zhì)粉末活性炭，粒度為200目（6號活性炭為粉末活性炭，但活性炭類型與粒度未知）;其余試劑均為分析純試劑。

1.2?儀器與設(shè)備

Waters E2695高效液相色譜儀、waters 2998 PDA檢測器，購自沃特世科技（上海）有限公司;島津UV1800紫外可見分光光度計，購自島津（上海）實驗器材有限公司;貝克曼J26高速冷凍離心機，購自美國貝克曼庫爾特有限公司;其余儀器（50 L發(fā)酵罐、真空濃縮儀等）均來自本實驗室中試車間。

1.3?試驗方法

1.3.1?色素濃度分析波長的確定?對GABA轉(zhuǎn)化液進行全光譜掃描（190～800 nm），掃描結(jié)果顯示轉(zhuǎn)化液無特征吸收波長。針對這種情況，當前的主要解決方法是對待測液進行梯度稀釋，然后考察不同濃度的待測液在360～480 nm波長中的線性關(guān)系，找出線性最佳的波長作為檢測波長[28，31-32]。因此，將待測轉(zhuǎn)化液分別稀釋為原濃度的50%、25%、12.5%、6.25、3.125%，然后分別在360、400、440、480 nm處檢測其吸光值，找出線性最佳的波長。

1.3.2?脫色樹脂的篩選?分別取14種預(yù)處理過后的脫色樹脂（表1）[33]，抽濾至無明顯液體流出，然后稱取5 g抽濾后的樹脂放入烘箱烘至恒重，計算濕樹脂含水量。稱取相當于1 g干樹脂的濕樹脂于250 mL三角瓶中，加入50 mL轉(zhuǎn)化液，于40℃、220 r·min-1的搖床中振蕩吸附2 h，然后分別計算脫色率、GABA回收率和谷氨酸去除率。

1.3.3?FPA53脫色樹脂脫色條件的優(yōu)化

1.3.3.1?溫度對樹脂脫色的影響?稱取相當于1 g干樹脂的FPA53濕樹脂于250 mL三角瓶中，加入50 mL轉(zhuǎn)化液，然后分別放入20℃、30℃、40℃、50℃、60℃的搖床中振蕩吸附2 h，最后計算不同溫度條件下FPA53樹脂的脫色率與GABA回收率。

1.3.3.2?pH對樹脂脫色的影響?稱取相當于1 g干樹脂的FPA53濕樹脂于250 mL三角瓶中，加入50 mL轉(zhuǎn)化液，分別用HCL或NAOH將轉(zhuǎn)化液pH調(diào)整到2、3、4、5、6、7、8、9，然后和對照組轉(zhuǎn)化液原液（pH 6.36）一起置于40℃搖床中振蕩吸附2 h，最后計算不同pH條件下FPA53樹脂的脫色率、GABA回收率與谷氨酸去除率。

1.3.4?活性炭篩選?取50 mL轉(zhuǎn)化液加入到250 mL三角瓶中，按2%的終濃度分別加入6種不同型號的活性炭（W/V），分別標為1號、2號、3號、4號、5號、6號，40℃ 220

r·min-1吸附2 h，然后12000 r·min-1離心10 min去除活性炭，上清用0.22 um濾膜過濾去除殘留活性炭，計算脫色率。

1.3.5?活性炭比例的確定?取50 mL轉(zhuǎn)化液加入到250 mL三角瓶中，分別按0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的終濃度加入2號活性炭，40℃ 220 r·min-1吸附2 h，吸附后12000 r·min-1離心10 min，計算液體損失率。另取上清用0.22 um濾膜過濾去除殘留活性炭，然后計算脫色率、GABA回收率。

1.3.6?活性炭結(jié)合樹脂層析?取50 mL轉(zhuǎn)化液加入到250 mL三角瓶中，分別按1%活性炭、2%活性炭、FPA53樹脂層析、1%活性炭結(jié)合樹脂層析、1%活性炭連用2次、樹脂層析連用2次的脫色方法對轉(zhuǎn)化液進行處理，轉(zhuǎn)化條件按照1.3.2與1.3.4進行，最后計算不同處理的脫色率、GABA回收率與谷氨酸去除率。

1.3.7?活性炭結(jié)合樹脂層析中試試驗結(jié)果?按1%的比例（W/V）將2號活性炭添加到轉(zhuǎn)化液中吸附2 h，然后離心去除活性炭與固形物，將上清以4 BV·h-1的流速通過層析柱，每隔15 min測量流出液的吸光值，計算脫色率，調(diào)整上樣流速，保持流出液的脫色率在99%以上。收集流出液進行結(jié)晶罐濃縮結(jié)晶，烘箱干燥后制得GABA樣品。

1.4?分析方法

谷氨酸濃度與GABA濃度采用PITC柱前衍生法進行測定。具體方法為：將衍生劑A（1.2%異硫氰酸苯酯的乙腈溶液）、衍生劑B（13.9%三乙胺的乙腈溶液）與樣品（標品）按1∶1∶2的體積比混勻，30℃避光衍生1 h，衍生結(jié)束后加入與衍生體系等量的正己烷終止反應(yīng)，分層后吸取下層液體過濾至液相瓶中。配制好流動相A（乙酸鈉50 mmol·L-1，乙酸調(diào)至pH 7.0）、流動相B（100%乙腈）;采用C18反向色譜柱（waters sunfire C18 4.6×250 m），設(shè)置柱溫40℃，設(shè)置時間程序（0～12 min 乙腈10%～40%，12～16 min 乙腈40%，16～20乙腈10%）進行梯度洗脫。

脫色率采用比色法進行測定。

1.5?數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析，顯著性水平取α=0.05，不同水平間用小寫字母表示。脫色率、GABA回收率、谷氨酸殘留率、谷氨酸去除率、液體損失率計算公式如下：

脫色率（%）=（脫色前吸光值-脫色后吸光值）/脫色前吸光值×100

GABA回收率（%）=GABA脫色后的濃度/GABA脫色前的濃度×100

谷氨酸殘留率（%）=脫色后谷氨酸濃度/脫色前谷氨酸濃度×100

谷氨酸去除率（%）=（脫色前谷氨酸濃度-脫色后谷氨酸濃度）/脫色前谷氨酸濃度×100

液體損失率（%）=（離心前的液體體積-離心后的上清液體體積）/離心前的液體體積×100

2?結(jié)果與分析

2.1?檢測波長的確定

如圖1，GABA轉(zhuǎn)化液在OD440具有最佳的線性關(guān)系，能較好表征樣品色素濃度變化情況，因此選用OD440作為檢測波長。

2.2?樹脂篩選

本試驗考察了多種樹脂對GABA轉(zhuǎn)化液色素的吸附效果，結(jié)果如表1。如表1所示，各脫色樹脂的脫色效果具有顯著差異，其中FPA53陰離子脫色樹脂在各類樹脂中具有最佳的脫色率、GABA回收率與谷氨酸去除率。GABA轉(zhuǎn)化液中含有大量的大分子色素[20， 34]，通常吸附這類色素時需要較大的粒徑。從表1結(jié)果可知，粒徑大的樹脂其脫色率顯著高于粒徑小的樹脂，F(xiàn)PA53樹脂的粒徑在各類樹脂中較大，這是FPA53樹脂脫色能力較好的一個重要因素。同時，在GABA轉(zhuǎn)化液中的色素通常具有一定的帶電性[34]，選用離子交換樹脂在適宜的pH下能大量吸附此類色素，F(xiàn)PA53樹脂屬于離子交換樹脂是其有較好脫色率的另一個重要原因。

2.3?脫色樹脂脫色條件的優(yōu)化

2.3.1?溫度對樹脂脫色的影響?試驗考察了FPA53樹脂在不同溫度下的吸附效率，結(jié)果如圖2。

從圖2可知，溫度對于GABA回收率的影響差異不顯著。較高的溫度有利于FPA53樹脂對色素的吸附，但樹脂在40℃～60℃脫色率隨溫度變化差異不顯著，考慮到進行全細胞催化時的溫度為45℃，因此，轉(zhuǎn)化結(jié)束后可直接用于脫色而不需要額外調(diào)節(jié)脫色溫度。

2.3.2?pH對樹脂脫色的影響?試驗考察了不同pH對FPA53樹脂脫色效果的影響，結(jié)果如圖3。

如圖3所示，F(xiàn)PA53樹脂的脫色率、GABA回收率、谷氨酸去除率在不同pH間具有顯著差異。樹脂的脫色能力在較高pH時顯著優(yōu)于較低時的pH，但同時高pH會降低GABA回收率。同時，當脫色pH過低或過高時（pH<3，pH>7）樹脂的谷氨酸去除率顯著下降。其原因可能是FPA53樹脂屬于陰離子交換樹脂，當pH<3時，對谷氨酸（等電點3.2）不吸附;當pH>7，其對色素吸附親和力更強。綜合分析，選擇不調(diào)節(jié)pH，直接選用初始pH 6.36。

2.4?活性炭篩選

本試驗考察了不同廠家的活性炭對GABA轉(zhuǎn)化液的脫色效果的影響，結(jié)果如圖4。如圖4所示，不同活性炭脫色效果存在顯著差異，其中2號竹清活性炭的脫色效果顯著好于其他活性炭。

2.5?活性炭比例的確定

本試驗對不同終溶度的2號活性炭的脫色能力進行考察，結(jié)果如圖5。

如圖5所示，不同比例的2號活性炭在脫色率、GABA回收率、谷氨酸去除率存在顯著差異。隨著2號活性炭比例的增加，脫色率也隨之提高，當添加比例達到1%時，脫色率已達90%以上，當活性炭比例>2%時，脫色率開始增加不顯著。同時，GABA回收率隨著活性炭比例的增大而減小，雖然上清中GABA損失率都較低，但是由于活性炭的吸水性，轉(zhuǎn)化液的損失較大，當活性炭比例>2%時其液體損失率約為10%，相比而下1%時液體損失率只有2%。綜合分析選用1%的活性炭進行下一步試驗。

2.6?活性炭結(jié)合樹脂層析試驗

本試驗比較了1%活性炭、2%活性炭、FPA53樹脂層析、1%活性炭結(jié)合樹脂層析、1%活性炭連用2次、樹脂層析連用2次等脫色方法效果，結(jié)果如圖6所示。

從圖 6可知，采用1%活性炭與樹脂層析相結(jié)合的方法脫色效果顯著好于其他脫色方式，且GABA回收率與谷氨酸去除能力也較好。當連續(xù)活性炭脫色時，脫色率增加不顯著，但GABA的回收率卻出現(xiàn)下降現(xiàn)象，其原因可能是該類型活性炭對殘留色素的吸附較為微弱。與活性炭類似，當連續(xù)使用樹脂層析時，雖然更有助于對谷氨酸的吸附，但其脫色率卻增加不顯著。因此，將活性炭與脫色樹脂層析相結(jié)合，能充分結(jié)合兩種脫色方式的優(yōu)勢，增強脫色效果，是一種十分有效的脫色方式。

2.7?脫色試驗結(jié)果

試驗考察了活性炭結(jié)合樹脂脫色工藝的脫色效果，結(jié)果如圖7～8。

從圖7～8可知，經(jīng)過活性炭結(jié)合樹脂層析的脫色工藝后，GABA轉(zhuǎn)化液在濃縮前后均呈一種透明澄清的溶液狀態(tài)，結(jié)晶后顆粒潔白、無雜色，說明轉(zhuǎn)化液脫色已較為徹底。試驗結(jié)果表明活性炭結(jié)合樹脂層析的脫色工藝可行，可用于中試之后的擴大生產(chǎn)。

3?結(jié)論

采用活性炭結(jié)合樹脂層析的工藝對GABA轉(zhuǎn)化液進行脫色處理。從14種脫色樹脂中以脫色率、GABA回收率、谷氨酸去除率為指標進行篩選，結(jié)果顯示，F(xiàn)PA53離子交換樹脂的脫色率達到85.1%、GABA回收率達到98%以上，谷氨酸去除率達到23%以上，其性能顯著優(yōu)于其他脫色樹脂，在對其脫色條件進行優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)其脫色能力在40～60℃差異不顯著，因此選擇以轉(zhuǎn)化溫度45℃直接上樣，無需調(diào)節(jié)溫度。在研究其脫色pH時發(fā)現(xiàn)較高的pH（pH>7）有助于增加脫色率，但同時也會增加GABA的損失率，因此選擇脫色時不調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化液pH，直接原液上樣，簡化了脫色工藝。隨后研究了不同活性炭對GABA的脫色能力，結(jié)果顯示2號竹清活性炭脫色率顯著優(yōu)于其他活性炭，2%添加量脫色率達到96%以上，在綜合了脫色率、GABA回收率、液體損失率后，選擇1%的活性炭添加比例，在此條件下脫色率達到92%以上，且GABA回收率達到99%，液體損失率降為2%。最后，將篩選得到的活性炭與脫色樹脂進行結(jié)合，最終脫色率達到99.5%，GABA回收率達到98%以上，谷氨酸去除率達到12%以上，結(jié)晶后晶體潔白、無雜色。研究表明，該脫色工藝設(shè)計合理，操作簡便，脫色率和GABA回收率高，能為中試以后的擴大生產(chǎn)提供一個可靠的參考依據(jù)。

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（責任編輯：柯文輝）