[01817072]海洋水产品生物加工关键技术及应用

我国是一个海洋大国,目前我国的海洋水产品加工行业以传统加工为主,普遍存在资源利用率不足、产品附加值偏低、环境污染严重等问题,已成为制约海洋农业持续健康发展的重要瓶颈。本项目聚焦于生物加工技术在海洋水产资源绿色开发中的应用,针对海洋水产品加工专用生物催化剂的创制及其在海洋多糖、脂质和蛋白等水产资源的高值化开发利用进行深入研究,获得了以下成果： 1)集成水产品加工专用酶的发现和理性创制技术,创建了水产品加工专用酶资源库。围绕可培养微生物的纯培养和不可培养微生物的基因挖掘,结合全基因组测序、宏基因组文库构建和特殊代谢途径分析等方法,从“基因-酶-反应”层面实现了对海洋水产品加工专用酶与微生物的快速预测和发掘。挖掘了包含脂肪酶、磷脂酶D、虾青素酯酶、细胞色素P450单氧化酶、角鲨烯环氧化酶、α-琼胶酶、β-琼胶酶、β-半乳糖苷酶、甲壳素酶、壳聚糖酶、甲壳素脱乙酰酶等10多种酶的海洋水产加工专用酶,酶编码基因100多条。通过酶的结构解析、理性设计、定向进化进行酶的理性与半理性设计改造,结合酶的表面展示表达与高通量筛选技术,显著提高了水产品加工专用酶的催化稳定性与催化活性,为水产品的工业化生物加工提供重要工具。 2)建立了水产品加工专用酶的高效表达、可控发酵与高效固定化技术,为水产品加工专用酶的工业化应用奠定基础。通过水产品加工专用酶分泌表达信号肽高效筛选,分泌相关原件组合优化,显著提高酶的酶活与胞外表达量。采用发酵条件系统优化、两阶段控制等发酵调控技术,实现水产品加工专用酶的高效可控发酵。针对有机相反应酶易受极性有机溶剂影响失活的瓶颈,构建了耐有机溶剂的酯酶全细胞催化剂,显著提升酶在有机溶剂环境中的稳定性。创制高分散度磁性甲壳素纳米纤维固定化载体,显著提高了固定化酶的酶活性、稳定性与酶载量,为水产品加工专用酶提供重要工具载体,为酶在海洋营养成分的生物加工与功效物质的生物转化工业应用奠定了性质基础。 3)突破了海洋水产品的生物加工关键技术,系统评价了海洋功能性产品的营养活性。建立了海藻多糖的绿色综合利用关键技术,揭示了海藻多糖降解酶选择性催化机制与热稳定性机制,建立多酶协同级联降解催化体系,突破了化学降解产物聚合度不均一且污染环境的难题,实现了高纯度海洋琼胶寡糖及单糖的定向生物转化制备,其中3,6-内醚-L-半乳糖、琼九糖、琼十一糖、琼十三糖等4个制品填补了国内外同类制品的空白。阐明了从甲壳类水产品中提取甲壳素的“酶催化脱蛋白-微生物产有机酸脱钙”多酶（细胞）协同反应调控机制,实现了高品质甲壳素、高游离氨基酸海洋蛋白粉、有机酸钙的同步生产,突破了传统化学提取过程蛋白质资源浪费、污染严重的瓶颈。同基于底物晶体结构调控和酶催化机制解析,实现了甲壳寡糖和壳寡糖等高端甲壳类衍生物的高效酶催化制备。解析了海洋脂质加工酶转化特殊结构海洋脂质的选择性机制,实现了不同构型DHA-磷脂、高纯度游离虾青素的生物转化制备。开发了海洋水产蛋白的纯种可控发酵与定向酶解加工技术,解决传统加工方式加工周期长、质量不可控、产品附加值偏低等问题,实现了海洋水产蛋白的高值化综合利用。 针对技术制备的不同结构海洋寡糖,系统开展了高纯度寡糖组分的营养价值研究,发现新琼四糖具有通过调节肠道微生物组成实现对小鼠剧烈运动引起疲劳损伤的营养作用,琼五糖具有抗神经细胞损伤作用,证实了生物加工对海洋多糖营养品质提升的显著优势。揭示了海洋功能脂质经生物转化结构修饰后营养功能的变化规律,证实了DHA-磷脂酰丝氨酸、游离虾青素等海洋功能脂质在抑制神经炎症、促进神经营养因子产生、保护受损神经细胞等方面的营养功能。明确了海洋磷酸化多肽在改善骨质疏松方面的营养效果及作用机制。为高值化、高营养、高活性的功能性海洋生物制品开发提供了可靠的实验保障。 本项目相关研究成果申报国家发明专利20项,已授权12项,获计算机软件著作权1项,参编行业标准1项;发表学术论文51篇,多篇论文发表在国内外生物工程和食品科学领域的主流杂志上。项目成果转化和产品应用获得了显著的经济效益、社会效益和生态效益,对促进我国我国海洋产业的健康、高效和可持续发展具有重要意义。