应用集成技术对低值海藻及海藻加工废弃物的燃料乙醇转化研究

本项目着眼于目前尚未引起广泛关注的海洋低值藻类及海藻加工废弃物，建立藻体糖胶、多糖及粗纤维组分的乙醇集成转化技术，探索新型海洋生物质能源的开发途径。本课题组在前期积累的各类高效海藻多糖复合降解酶系的基础上，对海藻中的可溶性多糖、糖胶组分采用复合酶解、化学改性、二次糖苷酶外切技术，实现海洋特征性聚糖到可酵解性单糖的转化；对藻体细胞存在的不溶性粗纤维，依据其独特结构和胞内存在形式的特点，采用温和预处理、纤维素酶系复合降解的技术思路，以期达到提高海藻纤维素非结晶态转化率和终产物酶解得率的目的；海藻多糖的充分酶解与转化为后期利用基因工程菌进行燃料乙醇发酵提供可靠、稳定的可酵解性糖。本项目的研究将对今后海藻加工废弃物和低值海藻资源的有效处理，以及今后在我国海洋生物质能开发方面能够提供技术平台和有益探索。

本项目着眼于目前尚未引起广泛关注的海洋低值藻类及海藻加工废弃物，建立藻体糖胶、多糖及粗纤维组分的乙醇集成转化技术，探索新型海洋生物质能源的开发途径。建立了不同海藻原料包括纤维素、半纤维素、可溶性多糖以及海藻糖胶的分析体系。采用热水浸提实现糖链分级。条件为：浸提时间为5 h，浸提的固液比为1：80，浸提的温度为90℃。多糖得率达到17.3%。针对低值海藻纤维质，建立了过氧化氢进行预处理体系。预处理时间12 h，温度为50℃，过氧化氢浓度为0.2%可高效去除藻体木质素。通过扫描电镜（SEM）观察藻体处理前后的微观结构，结果显示H2O2对藻体的微观结构有一定的破坏，出现更多的酶解结合位点。.针对海洋硫酸多糖，建立了特征糖链的硫酸基脱除技术。通过改进的甲醇解法及有机溶剂法进行脱硫处理，以脱硫率、总糖得率、还原糖得率为指标，初步优化出最佳的脱硫方法为甲醇解法。通过单因素试验及正交试验确定了甲醇解法的最佳脱硫条件为：底物浓度0.5%，HCl-甲醇浓度1.0 M，温度80 ℃，甲醇解时间20 h；在最适的甲醇解条件下，脱硫率达93%，总糖得率达90%，还原糖得率达18%。优化的改进甲醇解法在脱硫率、总糖得率方面效果均优于有机溶剂法。二次糖苷酶外切技术，实现海洋特征性聚糖到可酵解性单糖的转化。通过单因素试验及响应面分析确定，优化硫卡拉胶糖化参数。果胶酶加酶量与纤维二糖酶加酶量比例为1.1:0.1（v/w：v/w），反应时间为96 h，酶解温度为55.48 ℃，在此条件基础上进行糖化水解后，还原糖产量达81.29%。采用柱前衍生高效液相色谱（PMP-HPLC）测定了组分4的单糖组成，结果表明：组分4主要由半乳糖构成，含量达65.15%。采用质谱（MS）测定了组分4的单糖分子量，初步得出组分4的分子量为180 Da，证明к-脱硫卡拉胶糖化液可进一步经适宜的菌种发酵后应用于生物乙醇的制备。筛选出最佳的发酵菌种为S. cerevisiae L-4，经最适发酵条件得到乙醇产量达相当于0.273 g乙醇/g 海藻多糖。.该技术对藻体细胞的不溶性粗纤维，采用温和预处理，达到提高海藻纤维素非结晶态转化率和终产物酶解得率的目的；藻体中的可溶性多糖分采用复合酶解、化学改性、二次糖苷酶外切，实现了海洋特征性聚糖到可酵解性单糖的转化，为今后我国在海洋生物质能开发方面能够提供技术平台。