近紅外光譜技術(shù)在生物發(fā)酵和酶法制備中的應(yīng)用.pdf

1、過程分析技術(shù)(PAT)是使用一系列的工具以保證產(chǎn)品的質(zhì)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(shù)。NIR區(qū)域主要反映了中紅外區(qū)域含H基團(tuán)的倍頻和組合頻吸收，因此，這一波段非常適合有機(jī)化合物的理化參數(shù)測(cè)定。NIR光譜富含物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息和組成信息，所以可以用來進(jìn)行定性定量分析。NIR光譜儀擁有多種檢測(cè)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(cè)方法進(jìn)行

2、測(cè)定。NIR測(cè)定對(duì)樣品要求簡(jiǎn)單，可以直接測(cè)定，且測(cè)定速度快，結(jié)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(guó)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(shù)水平落后，檢測(cè)水平低下，自動(dòng)化程度不普及等。發(fā)酵過程分析強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果并反饋控制工藝過程，確保批間工藝一致，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，減少?gòu)U品幾率，降低勞力成本，減少人為誤差，實(shí)時(shí)產(chǎn)品放行，降低生產(chǎn)周期，利于工藝改進(jìn)和工藝移交。由

3、于生物過程的復(fù)雜性、非線性和時(shí)變性，基于物理和化學(xué)傳感器建立的過程檢測(cè)與控制系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，很多優(yōu)化模型及自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中并沒有很好地實(shí)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(biāo)產(chǎn)物等）快速檢測(cè)或在線檢測(cè)技術(shù)的缺乏，這也是整個(gè)行業(yè)面臨的瓶頸技術(shù)。
　　本文首先采用化學(xué)物質(zhì)組學(xué)的理念研究了玉米漿的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)。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(yíng)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(xué)物質(zhì)組學(xué)(Chemomics)研究策略，首先建立了高效、快速的用于質(zhì)量控制的指紋圖譜，繼而采用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)其物質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。然后應(yīng)用先進(jìn)的UPLC/Q-TOF分析技術(shù)，結(jié)合主成分分析法對(duì)CSL的整體化學(xué)物質(zhì)組（Global chemome）進(jìn)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(duì)CSL中的氨基酸成分進(jìn)行定量分析，初步確定了六個(gè)氨基酸可能為特征性成分。
　　本文采用NIR光譜技術(shù)首先對(duì)玉米漿進(jìn)行了快速質(zhì)量分析，測(cè)定了玉米漿中的主要成分，包括了干物質(zhì)、酸度、亞硫酸鹽、總糖、總還原糖、總氮等成分，同時(shí)針對(duì)玉米漿中含有的部分維生素類成分進(jìn)行了快速測(cè)定分析，結(jié)果表明，NIR技術(shù)可以作為一種快速測(cè)定發(fā)酵原料主要成分含量的手段。然后對(duì)谷氨酸亞適量發(fā)酵過程中的谷氨酸和葡萄糖含量進(jìn)行了快速測(cè)定分析

6、，結(jié)果表明NIR技術(shù)可以作為一種快速測(cè)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(dòng)化智能化控制進(jìn)行了一定的基礎(chǔ)研究。
　　生物轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jiǎn)單，綠色環(huán)保等。但是在轉(zhuǎn)化過程中目前尚沒有良好的檢測(cè)方法來實(shí)時(shí)檢測(cè)整個(gè)生產(chǎn)過程。本研究采用NIR技術(shù)對(duì)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(zhuǎn)化生產(chǎn)L-瓜氨酸的過程進(jìn)行監(jiān)控，以便為實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控及智能調(diào)控提供一定的研究基礎(chǔ)。本研究所建立的近紅外模型（GABA、瓜氨酸等）預(yù)測(cè)能力較好。結(jié)果表明，采用NIR技術(shù)快速測(cè)定酶法制備過程的主要成分含量是可行的。
　　通過本項(xiàng)目研究，基本上明確了玉米漿的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ);并采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)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(jìn)行了快速測(cè)定分析，為