1. 研究目的及意义

海藻糖是一种安全的天然非还原性双糖，广泛分布于细菌、真菌、植物、昆虫和无脊椎动物生命体中。它作为一种生物活性物质，同时也是蛋白质、生物膜、单细胞生物以及动植物组织和器官的优质保护剂，加上自身对酸和热的高度稳定等特性，它被广泛应用于食品、医药、化妆品等精细化学品领域，商业价值倍增。各国运用现代生物技术批量合成海藻糖弥补了传统的直接从生物体中提取海藻糖的不足。在可持续发展的时代背景下，面对日益扩大的市场需求，合理利用资源，进一步开发更为廉价的原料以提高海藻糖产量在未来工业中尤为重要。

目前国内外都致力于利用转化来源广泛的木质纤维资源，以提供人们所需的产品和新能源。其中低聚木糖及其它功能性寡糖由于特性优良，在市场的需求不断增大，其产业规模迅速扩张，木质纤维资源不断消耗的同时也产生大量的低聚木糖废渣。这些废渣主要是玉米芯经碱抽提木聚糖后剩下的固体残渣，其中含有大量纤维素和少量的半纤维素及木质素。它们或焚烧或填埋，得不到充分利用，造成浪费的同时也污染环境。因此，低聚木糖生产废渣等农林废弃资源的高效转化与综合利用，是当下解决企业困扰和环境问题的有效途径。

本次研究利用低聚木糖废渣生产海藻糖，不仅减少了废渣的积累，还有效节约了木质纤维资源，更解决了海藻糖的原料问题，为海藻糖工业化找到了出路，可谓一举多得。大肠杆菌易于进行分子生物学的操作，可通过代谢工程途径构建基因工程菌，且繁殖快，营养要求粗放，易于培养可利用包括木糖在内的各种糖。实验室前期已通过基因工程手段构建了一株可利用纤维二糖的重组大肠杆菌BL21(pETDuet-otsA-otsB,pRSFDuet-galU-cep94)。在此基础上，具体通过纤维素酶将低聚木糖废渣中的纤维素降解为纤维二糖，利用重组大肠杆菌催化水解产物生产海藻糖，从而实现低聚木糖生产废渣的有效利用。

1. 国内外同类研究现状

2.1 海藻糖

2.1.1 海藻糖的理化性质

海藻糖（alpha;-D-glucopyranosyl-alpha;-D-glucopyranoside），是一种安全、可靠的天然糖类，是由两个葡萄糖分子以alpha;,alpha;-1,1-糖苷键构成的非还原性二糖。1832年Wiggers等人首次从黑麦的麦角菌中发现了该糖^[1]。之后发现海藻糖广泛分布于自然界中细菌、酵母、丝状真菌、植物、昆虫、无脊椎动物等生物体体内,特别是在那些能抗脱水作用的生物中起着重要作用，这些特殊生物具有在脱水条件下存活多年的性质。它的分子式为C₁₂H₂₂O₁₁bull;2H₂O，存在三种不同的正位异构体(Anomers) ^[2] ，即alpha;,alpha;-海藻糖(又叫蘑菇糖,Mycose)，alpha;,beta;-海藻糖(新海藻糖,Neotrehalose)，beta;,beta;-海藻糖(异海藻糖,Isotrehalose) 。但迄今为止，从生物体中只分离到了alpha;,alpha; -海藻糖^[1-2]。含两分子结晶水的结晶海藻糖加热至至 130℃时失去结晶水可成为不含结晶水的无水海藻糖。海藻糖含水分子量378.33，结晶海藻糖的密度为1.512 g/cm³，熔点为97℃，失水温度为130℃，溶解热为57.8 kJ/mol。它在5%水溶液中的旋光度为[alpha;]D20 199ordm;。海藻糖易溶于水、热乙醇、冰醋酸，不溶于乙醚、丙酮^[3]。海藻糖在水中的溶解度随温度变化较为明显。海藻糖的甜度相当于蔗糖的45％，口味独特，食用后口中不留有后味。海藻糖具体拥有以下三种性质：（1）海藻糖安全稳定，因其缺乏游离醛基不具有还原性，不能使斐林试剂变色。它对热和酸碱都具有非常好的稳定性，能与氨基酸、蛋白质共存，不发生美拉德反应。（2）海藻糖具有较高的玻璃化转变温度，它区别于其他的二糖的玻璃化转变温度可达115℃。当海藻糖加入到其它的食品中时，更易形成玻璃态。在水溶液中，海藻糖可以保持玻璃态并形成非吸湿玻璃态，使海藻糖在结晶时保持稳定。（3）低吸湿性是海藻糖的又一特性，即使将海藻糖放置在相对湿度90％以上的地方超过1个月，海藻糖也几乎不会吸湿，有效延长产品的保质期。

图1 海藻糖结构式

Figure 1 Structure of trehalose

2.1.2 海藻糖的功能特性