石花菜的有机酸预处理文献综述

 2022-05-01 21:49:18

研究目的与意义

目前，利用可再生资源是实现可持续燃料生产的关键，这也可以进一步解决导致全球变暖的温室气体过量生产的问题。海藻以其较高的碳水化合物含量、较低的难降解底物木质素、不与食品生产竞争等优点越来越受到人们的关注。本文研究的红藻就属于海藻的一种。

红藻根据碳水化合物类型可分为伞菌属和交叉菜属。在伞菌属中，最丰富的碳水化物聚合物是琼脂。在琼脂中，凝胶的最主要成分为琼脂糖，它是由D-半乳糖和3，6-脱水-L-半乳糖（AHG）通过alpha;-1，3和beta;-1，4键交替连接而成。琼脂凝胶由D-半乳糖的beta;-1，3-键和一定程度的硫酸盐组成，是琼脂的次要成分，对凝胶特性没有贡献。本实验用到的石花菜就是一种较常见的红藻。

稀酸预处理通常使用稀硫酸，但是通过稀无机酸预处理获得的游离糖更容易降解并成为抑制剂，影响后续发酵。此外，随后的中和过程，为避免对下游加工的负面影响而进行的去除将导致资源浪费和环境污染。因此，为了克服这些缺点，我们使用有机酸（如马来酸、草酸）替代稀硫酸进行预处理。因为二羧酸有机酸具有与酶相似的催化结构，所以在预处理中它们被认为是硫酸的替代酸。

  1. 塔格糖( D-tagatose) 是一种六碳酮糖，它是 D-半乳糖的异构物。纯天然的 D-塔格糖不易寻觅，仅发现于乔木( Sterculia setigera) 分泌的树胶中; 灭菌后的牛奶、热可可、奶酪和芝士等也含有微量的 D-塔格糖。由于食用D-塔格糖后，人体小肠仅能吸收约 20%，因此它基本不产生热量也不会引起血糖波动; 另一方面，D-塔格糖可以预防龋齿生成，还能够被肠道中的微生物利用从而促进某些益生菌的生长。近年来，随着生活水平的提高以及肥胖、糖尿病等疾 病的普遍化，将D-塔格糖作为功能性甜味剂以取代蔗糖的呼声日益高涨，这引起了人们对D-塔格糖的高度关注。

目前，D-塔格糖的生产主要采取化学合成法和生物合成法。化学合成法是以可溶性碱金属或碱土金属盐为催化剂，在碱性条件下催化 D-半乳糖与金属氢氧化物发 生异构化反应，生成金属氢氧化物、D-塔格糖复合物沉淀 ，然后加酸进行中和分离沉淀，得到D-塔格糖终产物。与国外相比，我国D-塔格糖化学合成法仍处于工业化过程的研究中，科研人员致力于工艺条件的改进，以提高 D-塔格糖的产率和纯度。目前，化学合成法虽然可以实现工业化生产，但存在一定的缺点，如副产物多、环境污染较严重等，因此化学合成法若想进一步发展，必须在工艺上做出进一步的改进。

生物合成法是利用生物酶或含酶细胞作催化剂，催化底物合成D-塔格糖。与化学合成法相比，其具有条件温和、产率较高、副产物较少等优点。目前可以通过脱氢酶催化氧化半乳糖醇得到D-塔格糖，或者通过 L-阿拉伯糖异构酶催化 D-半乳糖异构化生成D-塔格糖。而前者虽然转化率很高，但成本也高。

因此本论文选用了一株带有L-阿拉伯糖异构酶突变（F279I）基因的重组大肠杆菌（DE3）进行全细胞催化实验，优化细胞培养条件和全细胞催化条件，以期望实现D-半乳糖到D-塔格糖的高效转化。

2.国内外同类研究概况

2.1红藻的简单介绍

红藻根据碳水化合物类型可分为伞菌属和交叉菜属。在伞菌属中，最丰富的碳水化物聚合物是琼脂。在琼脂中，凝胶的最主要成分为琼脂糖，它是由D-半乳糖和3，6-脱水-L-半乳糖（AHG）通过alpha;-1，3和beta;-1，4键交替连接而成。琼脂凝胶由D-半乳糖的beta;-1，3-键和一定程度的硫酸盐组成，是琼脂的次要成分，对凝胶特性没有贡献。卡拉胶是角叉菜属植物中主要的碳水化合物聚合物，是一种由D-半乳糖和3，6-脱水-L-半乳糖（AHG）组成的硫酸化聚半乳聚糖，含有15–40%硫酸酯的脱水-D-半乳糖单元。纤维素是红藻的微量多糖组分。

因为琼脂的主要成分是琼脂糖，它具有线性结构，所以大多数糖化方法都是为琼脂糖开发的。用于琼脂糖糖化的三种方法是酸水解、酶糖化、和酸预水解加酶糖化。利用强酸进行酸水解(如硫酸)是一种简单廉价的糖化方法；然而，在此过程中，单体如己糖、半乳糖和AHG糖会进一步降解为5-羟甲基糠醛(5- HMF)，其在微生物发酵过程中是一种抑制剂。另一方面，由于琼脂糖作为反应介质在水中的溶解度较低，因此在不进行任何化学预处理的情况下酶法糖化琼脂糖会导致低产率和低浓度的单糖。为了克服单独使用酸或酶进行琼脂糖水解的局限性，开发了酸预水解与酶糖化相结合的方法。在糖化过程中，琼脂糖最初通过弱酸（如乙酸）对alpha;-1，3-键的非特异性预水解为偶数琼脂糖（AOS）。通过连续使用beta;-琼脂酶II（例如，Aga50D）和alpha;-新琼脂糖水解酶（NABH），将AOS酶解为新琼脂糖和单体糖、AHG和D-半乳糖。这个过程的一个缺点是琼脂三糖是由beta;-琼脂酶II产生的最小奇数AOS，没有被典型的beta;-琼脂酶和NABH进一步水解。最近，从一种海洋细菌中鉴定出一种新的琼脂溶性beta;-半乳糖苷酶（ABG），其作用于包括琼脂三糖在内的AOS以释放D-半乳糖。ABG在琼脂糖糖化中的应用提高了单体糖的最终产量，这主要是由于琼脂三糖的水解作用。

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