近紅外光譜技術在生物發(fā)酵和酶法制備中的應用.pdf

1、過程分析技術(PAT)是使用一系列的工具以保證產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)過程的可靠性，提高工作效率。目前最常用的PAT主要是近紅外(NIR)光譜技術。NIR區(qū)域主要反映了中紅外區(qū)域含H基團的倍頻和組合頻吸收，因此，這一波段非常適合有機化合物的理化參數(shù)測定。NIR光譜富含物質的結構信息和組成信息，所以可以用來進行定性定量分析。NIR光譜儀擁有多種檢測終端，如光纖探頭、液體流通池、積分球等，可以采用透射（透反射、漫透射）、反射（漫反射）等檢測方法進行

2、測定。NIR測定對樣品要求簡單，可以直接測定，且測定速度快，結果可靠，非常適合生產(chǎn)中的PAT要求。
　　生物發(fā)酵行業(yè)是我國的支柱行業(yè)之一。但是目前行業(yè)發(fā)展存在著諸多問題，如生產(chǎn)技術水平落后，檢測水平低下，自動化程度不普及等。發(fā)酵過程分析強調實時自動監(jiān)測各項關鍵工藝參數(shù)，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)結果并反饋控制工藝過程，確保批間工藝一致，產(chǎn)品質量可靠，減少廢品幾率，降低勞力成本，減少人為誤差，實時產(chǎn)品放行，降低生產(chǎn)周期，利于工藝改進和工藝移交。由

3、于生物過程的復雜性、非線性和時變性，基于物理和化學傳感器建立的過程檢測與控制系統(tǒng)已不能滿足實際生產(chǎn)的需要，很多優(yōu)化模型及自動控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中并沒有很好地實現(xiàn)。原因之一就是生產(chǎn)過程最直接的控制參數(shù)-生物（生化）參數(shù)（包括底物、重要中間代謝物和目標產(chǎn)物等）快速檢測或在線檢測技術的缺乏，這也是整個行業(yè)面臨的瓶頸技術。
　　本文首先采用化學物質組學的理念研究了玉米漿的化學物質基礎。玉米漿(Corn Steep Liquor，CSL)是

4、玉米濕法工藝生產(chǎn)淀粉過程中得到的副產(chǎn)物，含有多種營養(yǎng)成分，可以作為微生物發(fā)酵的氮源和碳源。本研究引入化學物質組學(Chemomics)研究策略，首先建立了高效、快速的用于質量控制的指紋圖譜，繼而采用色譜-質譜聯(lián)用技術對其物質基礎進行系統(tǒng)的研究。然后應用先進的UPLC/Q-TOF分析技術，結合主成分分析法對CSL的整體化學物質組（Global chemome）進行了深入研究，確定了區(qū)別不同來源CSL可能的特征性成分為氨基酸類成分，繼而采用

5、柱前衍生化高效液相色譜法對CSL中的氨基酸成分進行定量分析，初步確定了六個氨基酸可能為特征性成分。
　　本文采用NIR光譜技術首先對玉米漿進行了快速質量分析，測定了玉米漿中的主要成分，包括了干物質、酸度、亞硫酸鹽、總糖、總還原糖、總氮等成分，同時針對玉米漿中含有的部分維生素類成分進行了快速測定分析，結果表明，NIR技術可以作為一種快速測定發(fā)酵原料主要成分含量的手段。然后對谷氨酸亞適量發(fā)酵過程中的谷氨酸和葡萄糖含量進行了快速測定分析

6、，結果表明NIR技術可以作為一種快速測定發(fā)酵過程中的流加底物（如葡萄糖、甘油等）和主產(chǎn)物（如谷氨酸等）含量的手段，為發(fā)酵行業(yè)的在線自動化智能化控制進行了一定的基礎研究。
　　生物轉化酶法制備是目前較為常用的氨基酸生產(chǎn)方法，其底物轉化率較好，產(chǎn)品純度好，生產(chǎn)周期快，操作方便，后續(xù)處理簡單，綠色環(huán)保等。但是在轉化過程中目前尚沒有良好的檢測方法來實時檢測整個生產(chǎn)過程。本研究采用NIR技術對L-谷氨酸鈉酶法制備γ-氨基丁酸(γ-amino

7、butyric acid，GABA)和L-精氨酸為底物酶法轉化生產(chǎn)L-瓜氨酸的過程進行監(jiān)控，以便為實現(xiàn)其生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控及智能調控提供一定的研究基礎。本研究所建立的近紅外模型（GABA、瓜氨酸等）預測能力較好。結果表明，采用NIR技術快速測定酶法制備過程的主要成分含量是可行的。
　　通過本項目研究，基本上明確了玉米漿的化學物質基礎;并采用近紅外光譜技術對玉米漿、發(fā)酵過程、酶法制備過程等生物發(fā)酵行業(yè)的主要階段進行了快速測定分析，為