海洋多糖资源的生物转化技术

1.海藻功能性低聚糖的酶解转化技术

海藻不仅仅是食品，还广泛用于印染、功能食品、纺织、农业、医药等领域，具有非常重要的经济、营养、药用及生态价值。31个国家和地区有海藻养殖记录，养殖总年产量为1900万吨，其中99.6%来自8个国家：中国（1110万吨，58.4%）、印度尼西亚（390万吨，20.6%）、菲律宾（180万吨，9.5%）、韩国（90万吨，4.7%）、朝鲜（44万吨，2.3%）、日本（43万吨，2.3%）、马来西亚（21万吨，1.1%）和坦桑尼亚（13万吨，0.7%）。大型海藻养殖水域面积的净固碳能力分别是森林和草原的10倍和20倍。全球每年的生物固碳总量为800亿吨，其中海藻固碳550亿吨，是全球生物固碳的最大组成部分。我国是世界上规模最大的海藻栽培国，海藻资源高值化利用目的在于将海藻转化成为有效清除海洋环境富营养化元素、生产药物或高附加值产品的反应器，对于将全球最大的海藻产业升级为服务于海洋环境可持续发展、海洋生物资源可持续利用的高新技术产业，具有十分重要的意义。随着微生物技术以及发酵工程技术的发展，海藻资源的微生物利用技术也取得了很大的发展。

海藻低聚糖的酶解转化技术在本书第四章“多糖降解酶”部分已有详细介绍，这里仅简要介绍一种利用卡拉胶酶和纤维素酶复合降解，从海洋红藻中直接制备半乳低聚糖的方法。刘哲民利用海洋κ-卡拉胶酶产生菌Zobellia sp.ZM-2为对象，应用Primer-Blast设计引物扩增得到κ-卡拉胶酶基因cgkZ，转连到表达载体pProEX-HTa中转化大肠杆菌BL21（DE3）诱导表达，得到了可胞外分泌表达κ-卡拉胶酶的重组菌BL21-HTa-cgkZ。以耳突麒麟菜替代κ-卡拉胶为原料制备κ-卡拉胶寡糖，首先对麒麟菜进行纤维素酶的预处理：纤维素酶添加量2.1万U/g麒麟菜，酶解时间2.5h；再进行κ-卡拉胶酶的处理：温度35.71℃，pH 5.87，加酶量8.86U/g麒麟菜。在优化条件下对耳突麒麟菜进行降解，醇沉法收集制备卡拉胶寡糖，寡糖的得率超过50%。该工艺将重组κ-卡拉胶酶应用于酶解麒麟菜制备卡拉胶寡糖，实现了由麒麟菜到卡拉胶寡糖的直接转化。不同于传统酶解卡拉胶制备卡拉胶寡糖的方法，该工艺避开了从麒麟菜中提取卡拉胶的过程，简化了生产工艺，节约了能源资源。双酶法降解耳突麒麟菜制备κ-卡拉胶寡糖采用以下技术路线（图6-6）：

图6-6　耳突麒麟菜降解技术路线图

2.海藻生物肥的微生物工程技术

海藻生物肥是以海藻作为主要原料加工制成的生物肥料，主要成分是从海藻中提取的有利于植物生长发育的天然生物活性物质和海藻从海洋中吸收并富集在体内的矿物质营养元素，包括海藻多糖（寡糖）、酚类多聚化合物、甘露醇、甜菜碱、植物生长调节物质、氮、磷、钾、铁、硼、钼、碘等。近年来，海藻生物肥发展迅猛，对于改善农业生态、提高植物抗病力、增产增收产生了巨大的经济效益。目前已有的海藻生物肥的生产技术多采用化学法消化处理海藻原料，使海藻中的功能性成分得以转化和释放，这一技术的优势是成本低廉、操作简单；缺点在于，化学处理条件剧烈，会严重破坏海藻中的肥效因子，化学试剂的过多引入也改变了海藻自身的组成结构，对环境造成了一定的影响。

海藻生物肥的生产工艺中最关键的是藻体的消解，藻体消解的目的一是使细胞破碎或增溶，使细胞的内含物提取出来；二是使细胞中的大分子物质降解为可溶的易被吸收利用的小分子物质。与化学消化法相比，生物学技术为基础的发酵型海藻生物肥对生态农业和海藻资源综合利用将产生巨大贡献。这类生物肥通常应该包括三种类别的微生物：特征性海藻多糖高效降解微生物、以海藻为基质的农业生态有益菌、海藻快速腐熟环境友好型微生物。

利用微生物工程技术开发海藻肥的相关专利有：《用微生物降解褐藻胶残渣生产生物肥料的方法》、《一种海藻固氮菌肥料的制备方法》、《一种冷解糖芽孢杆菌菌株及其在复合微生物海藻肥料中的应用》、《微生物发酵法处理浒苔生产海藻肥的方法》等。总体来看，利用微生物发酵技术开发发酵型海藻肥的研究较少，特别是能够将海藻多糖有效转化为具有植物促生长和诱抗活性寡糖的微生物发酵技术，有很好的发展前景。图 6-7为王鹏等发明的浒苔发酵生物有机肥的技术路线：

图 6-7　浒苔发酵生物有机肥的技术路线

3.壳聚糖的生物转化技术

据统计，我国每年生产海蟹、海虾5000多万吨，由此产生的虾蟹壳在1000多万吨，随着水产养殖业和海产品加工业的快速发展，以虾蟹壳为原料的甲壳素产业更是发展迅速，企业数量已达百家，甲壳素及其衍生物年产量达万吨，产值100多亿元。我国已成为世界上甲壳素产品的主要输出国，但主要是低端产品。外国公司以低廉价格从我国进口甲壳素，经过深加工再以高端产品出口到我国。我国实际上仅仅是一个低端产品的生产大国，且将大量的污染留在了国内。因此，甲壳素行业的环保新技术攻关和产品升级已迫在眉睫。

壳寡糖是壳聚糖的降解产物，其不仅溶解性好，而且表现出更强的生理活性，如调节免疫、抗肿瘤、抗菌、保湿性、对植物的诱抗活性等，在医药、食品、农业、日用品等领域具有广泛的用途。目前壳寡糖价格昂贵，一般品质的价格300～ 700元/千克，高质量的壳寡糖在900～1200元/千克，标准品1mg价格在几十至几百美元。现有制备壳寡糖的化学法和酶法，每批次的产品质量无法保证、重复性差、污染重、分离复杂、规模化生产困难，亟须开发高效节能、环保且不破坏糖环本身结构的新技术、新设备、高质量的产品等。

壳寡糖作为植物诱抗剂、生长调节剂、微量元素螯合剂等应用于农业产品的开发，可促进农作物生长，既提高粮食产量和品质，又减少化学污染，保护环境。壳寡糖对植物病原菌的孢子发芽和生长有阻碍作用，并对病原菌感染的防护机能有诱导作用。壳寡糖对黄瓜枯萎病、小麦赤霉病、苹果炭疽病、玉米大斑病等病原菌的生长和萌发均有不同程度的抑制作用，其作用大小因寡糖的聚合度和脱乙酰度而有所不同，聚合度4～11的壳寡糖可以有效调动植物的抗病反应机制。例如，可以提高烟草叶片过氧化物酶、过氧化氢酶、苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶等防御酶的活性。

此外，在饲料工业方面，壳寡糖作为非消化性低聚糖，是一种具有益生素活性的新型饲料添加剂，能够促进肠道健康菌群的生长，调节机体免疫系统，提高动物免疫力。2004年我国农业部发布的第430号公告，批准壳寡糖作为饲料添加剂在仔猪、肉鸡、肉鸭、虹鳟鱼的生产中使用。

黄藩等利用微生物发酵法处理虾壳脱钙、脱蛋白制备甲壳素，得到一种反应条件温和、可控性强、环境污染小的生产工艺来替代传统的化学生产工艺：鼠李糖乳杆菌发酵脱钙，枯草芽孢杆菌发酵脱蛋白，脱钙率和脱蛋白率分别为98.98%和85.45%。