一種半乳糖基藻類生物質的發酵方法
【專利摘要】本發明提供了一種半乳糖基藻類生物質的發酵方法。該方法在半乳糖基藻類生物質的厭氧發酵過程中，采用半乳糖培養體誘導活化含有半乳糖操縱子的菌體。實驗證實，該方法能夠有效激活半乳糖的代謝途徑，大幅度提高半乳糖的發酵效率，高效生產生物燃料或化工中間體，例如乙醇、丁醇、異丁醇、丙醇、1,3-丙二醇、1,4-丙二醇等醇類有機物質以及烷烴類有機物質等，因此為高效利用半乳糖基藻類生物質開辟了新途徑。
【專利說明】一種半乳糖基藻類生物質的發酵方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于生物能源【技術領域】，具體涉及一種半乳糖基藻類生物質，即降解后單 糖類物質主要為半乳糖的藻類生物質的發酵方法。

【背景技術】
[0002] 化石燃料的大量消耗所引起的能源安全和環境氣候變化問題日益嚴重，因此，利 用生物等可再生資源生產的生物燃料(例如燃料乙醇、丁醇、異丁醇等）替代化石燃料成為 了近幾十年來的研發熱點。例如，目前燃料乙醇已經成功替代了部分石油；但是，燃料乙醇 的來源主要為玉米和甘蔗，所以隨著對燃料乙醇需求的日益增加，有可能帶來糧食安全和 生態破壞等問題。因此，非糧乙醇逐漸被國內外所關注，而其原料主要包括纖維素類物質和 海藻類生物質。
[0003] 海藻光合作用效率高、產量大，具有不與人爭糧和不與糧爭地的優勢，是目前生物 燃料或化工中間體的重點研究方向之一。其中，大型海藻的規模化養殖技術已經相對成熟， 在亞洲國家，單位面積的紅藻和褐藻產量最高可達70?80噸/公頃/年，是陸地植物產量 的2?4倍，且其用于發酵生產乙醇等燃料或化工中間體的碳水化合物含量豐富，約占其總 生物質量的50?70%，因此具有良好的發展前景。
[0004] 其中，紅藻產量約占總海藻產量的一半，但其糖類物質組成與陸地植物不同，其降 解后的單糖主要為半乳糖，即稱為半乳糖基藻類生物。目前，關于藻類生物質發酵方法的研 究，大部分都是針對以葡萄糖、果糖等為主要多糖的藻類(稱為葡萄糖基藻類)，而并不是針 對如紅藻等以半乳糖為主要多糖的藻類。因此，利用現有的方法發酵紅藻生物質時，往往出 現半乳糖不發酵或發酵效率偏低的問題，很大程度上限制了大型紅藻生物質的發酵產率。


【發明內容】

[0005] 本發明的技術目的是針對上述技術現狀，提供一種半乳糖基藻類生物質的發酵方 法，利用該方法能夠提高半乳糖的發酵效率，從而提高生物燃料或化工中間體等發酵產物 的產量。
[0006] 為了實現上述技術目的，本發明人經過長期實驗探索后發現，半乳糖、葡萄糖和果 糖在厭氧發酵中的代謝途徑不同，半乳糖的代謝途徑需要培養體誘導活化菌體才能啟動， 而現有的菌體誘導活化過程中所采用的培養體不利于甚至抑制含有半乳糖操縱子的菌體 活化，從而大大降低了半乳糖的發酵率。而本發明人在菌體的誘導活化過程中，創造性地 采用半乳糖培養體代替目前采用的培養體誘導活化菌體后發現，半乳糖的發酵率大幅度提 高，從而大大提高了發酵產物的產量。
[0007] 本發明的具體技術方案是：一種半乳糖基藻類生物質的發酵方法，該方法包括如 下過程：將所述的藻類生物質降解，得到降解產物；采用培養體誘導活化菌體；將誘導活化 后的菌體接入該降解產物進行厭氧發酵；其特征是：所述的菌體是含有半乳糖操縱子的酵 母或含有半乳糖操縱子的大腸桿菌；所述的菌體誘導活化過程中，培養體為半乳糖培養液 或者固體半乳糖培養基。
[0008] 所述的半乳糖基藻類生物質是指降解后單糖類物質主要為半乳糖的藻類生物 質，包括但不限于紅藻等，例如石花菜屬（Gelidium)、蜈蟻藻屬（Grateloupia)、麒麟菜屬 (Eucheuma)和江蘺屬（Gracilaria)的大型海藻等。
[0009] 所述的降解是指將該半乳糖基藻類生物質中的多糖組分充分降解為可利用的單 糖，該單糖主要包括半乳糖。該降解技術不限，包括物理降解、化學降解、生物降解等，例如 酸水解、酶降解、酸酶降解、微生物降解等。
[0010] 所述的降解產物形態不限，包括固體、半固體和液體等形態。
[0011] 所述菌體是含有半乳糖操縱子的酵母或含有半乳糖操縱子的大腸桿菌。其中，酵 母來源形式不限，可以是所有可通過分離得到的酵母，如腐敗物質、土樣或水樣；可以是菌 體庫中保藏的酵母菌種；可以是商業酵母；也可以是經基因工程改造的酵母以及酵母突變 株等。
[0012] 作為優選，所述的菌體誘導活化過程中，菌體與培養體的質量體積比為0. 1%克/ 暈升?2%克/暈升，進一步優選為0. 5%克/暈升。
[0013] 所述的菌體誘導活化過程可以是靜置誘導培養活化，也可以振蕩誘導培養活化。
[0014] 作為優選，所述的半乳糖培養體中，半乳糖質量百分比濃度為0. 5%?5% (w/v)。
[0015] 作為優選，所述的菌體誘導活化過程為：將菌體加入半乳糖培養液或固體半乳糖 培養基中，在25°c?40°C的溫度下振蕩誘導活化2小時?24小時，振蕩速度為0?300轉 每分鐘。
[0016] 所述的厭氧發酵包括間歇式厭氧發酵、連續厭氧發酵或半連續厭氧發酵等。
[0017] 所述的厭氧發酵過程中，作為優選，誘導活化后的菌體與降解醪液的體積比為 1:1 ?1:10。
[0018] 作為優選，所述的厭氧發酵是在25°C?35°C條件下進行。
[0019] 作為優選，所述的厭氧發酵過程進行12小時?168小時。
[0020] 作為優選，所述的厭氧發酵過程中伴隨攪拌，攪拌速度為10轉/分鐘?300轉/ 分鐘。
[0021] 所述的厭氧發酵產物為生物燃料或化工中間體等，例如乙醇、丁醇、異丁醇、丙醇、 1，3-丙二醇、1，4-丙二醇等醇類有機物質和烷烴類有機物質等。
[0022] 綜上所述，本發明在半乳糖基藻類生物質的厭氧發酵過程中，采用半乳糖培養體 誘導活化含有半乳糖操縱子的菌體，從而有效激活了半乳糖的代謝途徑，大幅度提高了半 乳糖的發酵率，從而大大提高了發酵產物，為高效利用半乳糖基藻類生物質得到生物燃料 或化工中間體，例如乙醇、丁醇、異丁醇、丙醇、1，3-丙二醇、1，4-丙二醇等醇類有機物質， 以及烷烴類有機物質等開辟了新途徑。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是實施例1與對比實施例1中石花菜酸水解產物在厭氧發酵過程中半乳糖濃 度隨時間的變化曲線；
[0024] 圖2是實施例1與對比實施例1中石花菜酸水解產物經厭氧發酵所得產物中乙醇 濃度隨時間的變化曲線；
[0025] 圖3是實施例2與對比實施例2中蜈蚣藻酸解產物在厭氧發酵過程中半乳糖含量 隨時間的變化圖；
[0026] 圖4是實施例2與對比實施例2中蜈蚣藻酸解產物經厭氧發酵所得產物中乙醇濃 度隨時間的變化曲線；
[0027] 圖5是實施例3與對比實施例3中麒麟菜酶解產物經厭氧發酵所得產物中乙醇濃 度隨時間的變化曲線；

【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖與實施例進一步闡明本發明。應理解的是，這些實施例僅用于說明 本發明，而不用于限制本發明的范圍。
[0029] 實施例1:
[0030] 本實施例中，半乳糖基藻類生物質為石花菜（Gelidiales)。厭氧發酵該半乳糖基 藻類生物質的液態酸水解產物得到乙醇。
[0031] 其中，厭氧發酵菌體為安琪酵母，培養體為質量體積比為2% (w/v)的半乳糖培養 液。以下為具體厭氧發酵過程：
[0032] (1)將石花菜干藻體粉碎為藻粉；配置體積濃度為2%的硫酸水溶液1升，加入200 克藻粉并充分攪拌，拌勻后置于125°C高溫環境降解2小時，然后補足蒸發掉的水分質量； 將所得的產物抽濾后加入氫氧化鈣將pH調至4. 5,抽濾去除由此產生的鈣鹽沉淀，然后進 行萃取，除去有機相后得到降解液。
[0033] 經測試，該降解液中各成分參數如下表1所示。
[0034] 表1 :降解液中糖源含量
[0035]

【權利要求】
1. 一種半乳糖基藻類生物質的發酵方法，該方法包括如下過程：將所述的藻類生物質 降解，得到降解產物的過程；采用培養體誘導活化菌體；將誘導活化后的菌體接入該降解 產物進行厭氧發酵的過程；其特征是：所述的菌體是含有半乳糖操縱子的酵母或含有半乳 糖操縱子的大腸桿菌；所述的菌體誘導活化過程中，培養體為半乳糖培養液或者固體半乳 糖培養基。
2. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的半乳糖基 藻類生物質包括紅藻類生物質。
3. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的紅藻類生 物質包括石花菜屬（Gelidium)、蜈蟻藻屬（Grateloupia)、麒麟菜屬（Eucheuma)和江蘺屬 (Gracilaria)大型海藻。
4. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的降解產物 的形態包括固體、半固體和液體。
5. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的菌體誘導 活化過程中，菌體與培養體的質量體積比為0. l%(w/v)?2%(w/v)，進一步優選為0. 5%(w/ v)。
6. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的半乳糖培 養體中，半乳糖質量百分比濃度為0. 5%?50%。
7. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的菌體誘導 活化過程為：將菌體加入半乳糖培養液或固體半乳糖培養基中，在25°C?40°C的溫度下誘 導活化2小時?24小時，振蕩速度為0?300轉每分鐘。
8. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的誘導活化 后的菌體與降解產物的體積比為1:1?1:10。
9. 如權利要求1所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征是：所述的厭氧發酵 是在25°C?35°C條件下進行；所述的厭氧發酵過程進行12小時?168小時。
10. 如權利要求1至9中任一權利要求所述的半乳糖基藻類生物質的發酵方法，其特征 是：所述的厭氧發酵產物為生物燃料或化工中間體，包括醇類有機物質和烷烴類有機物質。
【文檔編號】C12R1/865GK104232693SQ201310245930
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月19日 優先權日:2013年6月19日
【發明者】楊池, 張亞杰, 宋慶歡, 馬中森, 呂學蘭, 楊春虹 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所