一种利用红藻特征性硫酸多糖进行乙醇转化的研究

摘要

目前，乙醇转化的原料主要局限于淀粉及纤维素类等中性多糖，不但争粮、争地现象严重，而且原料预处理、糖化率提高及菌种对戊糖的利用等方面均进入了技术瓶颈阶段，开发新型乙醇转化原料势在必行。海洋硫酸多糖作为一种聚阴离子多糖，来源广泛、种类繁多、成本低廉，但在糖链的乙醇转化方面却未见报道；因此，基于海洋硫酸多糖将成为乙醇转化的又一热点。本文以红藻特征性硫酸多糖-k-卡拉胶为原料，经脱硫、专一降解酶系的定向水解及菌种发酵实现其乙醇转化，研究了脱硫方法的筛选和比较、k-卡拉胶及k-脱硫卡拉胶的结构分析、糖化参数的确定、糖化液组分分析及发酵工艺的优化，初步探索了k-卡拉胶向乙醇转化的可行性。主要研究结果如下：
　　 k-卡拉胶脱硫方法的筛选和比较：将k-卡拉胶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。
　　 k-卡拉胶及k-脱硫卡拉胶的结构分析：采用红外光谱对k-卡拉胶及k-脱硫卡拉胶进行结构分析，研究表明：同k-卡拉胶组分相比，k-脱硫卡拉胶原料的红外吸收光谱图有明显的变化，总硫酸根的相对含量比值由2.2降至0.69，4-硫酸酯的相对含量比值由1.34降至0.09，3，6-内醚半乳糖的相对含量比值变为零。这说明经改进甲醇解处理后的k-脱硫卡拉胶脱硫效果较好，而且改进甲醇法对3，6内醚键有一定的破坏作用。因此，改进的甲醇解脱硫方法实现了硫酸多糖向中性糖的转化，为进一步的糖化水解奠定了良好的基础。
　　 k-脱硫卡拉胶糖化参数的优化：将制备的k-脱硫卡拉胶经不同的酶制剂(果胶酶、纤维二糖酶、纤维素酶、半纤维素酶、木瓜蛋白酶及卡拉胶酶)进行糖化水解，以还原糖得率为指标，初步筛选出最佳的糖化酶制剂为果胶酶和纤维二糖酶。通过单因素试验，初步优化出果胶酶和纤维二糖酶的最佳pH为4.0、反应时间为72 h。基于单因素实验，采用单一酶和复合酶分别对k-脱硫卡拉胶进行糖化水解，初步得出复合酶的水解效果较好。并通过响应面分析确定k-脱硫卡拉胶的最佳糖化参数为：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％。同时，通过对k-脱硫卡拉胶及k-卡拉胶进行水解对比，结果表明k-脱硫卡拉胶的水解效果显著优于k-卡拉胶。因此，对k-脱硫卡拉胶糖化水解为后期的发酵工艺研究奠定了基础。
　　 k-脱硫卡拉胶糖化液的组分分析：采用葡聚糖凝胶柱层析对k-脱硫卡拉胶糖化液进行分离纯化，初步将不同分子量的组分分开，得到四个组分，其中组分4为主峰，分离效果较好。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k-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。
　　 k-脱硫卡拉胶糖化液发酵工艺的优化：采用不同的乙醇转化菌株对k-脱硫卡拉胶糖化液进行发酵，以乙醇产率为指标，初步筛选出最佳的发酵菌种为S。cerevisiae L-4。通过单因素试验，初步确定了发酵工艺的最佳培养条件：2％半乳糖种子液，底物糖浓度为2％，最佳的发酵液pH为5.0，接种量为8％，S.cerevisiaeL-4菌种发酵的最适温度为42℃，反应时间72 h。同时，确定了无机盐对菌种发酵的影响：硫酸铵添加量为3‰，磷酸盐添加比例为5‰，镁盐添加比例为4‰。以1 g k-卡拉胶原料，经以上的发酵条件得到乙醇产量达0.7g/100 mL发酵液，相当于0.273 g乙醇/g k-卡拉胶。
　　 本论文提供的k-卡拉胶的乙醇转化方法具有原料蕴藏丰富、成本较低的特点，同时脱硫修饰的处理方法操作简单，降解产物对后续糖化及发酵操作无负面影响。相比传统糖链的乙醇转化方法，该方法实现了阴离子型海洋藻类多糖向生物乙醇的转化，为今后生物质能的开发提供了一种新型来源。