Enzymatic saccharification of the polysaccharides in Saccharina latissima (L.)

Abstract

In a time of great dependence on fossil fuels and rising need for sustainable, renewable resources, seaweeds can be a valuable asset to the new and emerging bioeconomy. Norway is in a unique position because its particularly long coastline can provide an alternative to the use of terrestrial biomass, as brown seaweeds are more environmentally friendly to exploit. The polysaccharides in brown seaweed can be processed enzymatically to release fermentable sugars, which can be used further as a carbon source in biorefineries. Biorefineries process biomass in order to produce fuel, energy, chemicals and value-added products. To utilize as much of the carbohydrates in brown seaweed as possible, successful enzymatic degradation of these components is a key step in the process. In this study, the aim was to combine an enzyme cocktail for the degradation of alginate, laminarin and cellulose in Saccharina latissima (L.), a brown seaweed harvested from the Trondheim fjord. Endolytic and exolytic alginate lyases AMOR_PL7A and AMOR_PL17A, laminarinases (or β-1,3- glucanases) GH16 and GH5, and cellulases GH6.4 and therm3 were combined on ground S. latissima for the release of sugars, and compared to the effect of commercial cellulase cocktail Cellic® CTec2. The abovementioned enzymes were added to 15% DM (w/v) ground seaweed, and degradation yield measured both as reducing sugars with the 3,5-Dinitrosalicylic acid (DNS) assay and as glucose with high-performance liquid chromatography (HPLC). Reaction products were measured after 48 hours incubation in a Thermomixer at 50°C, and the enzyme cocktail successfully released oligosaccharides and monomeric sugars from the main carbohydrates in the seaweed. Reaction product analysis from degradation of sodium alginate with AMOR_PL7A and AMOR_PL17A was conducted with MALDI-TOF mass spectrometry and 1H NMR, which showed that these enzymes combined releases monomeric DEHU from alginate. The results from this thesis indicate that an enzyme cocktail can be applied to S. latissima for saccharification of its polysaccharides, which is a very essential step towards more efficient processing of macroalgae in a biorefinery in the future.

I ei tid der avhengnaden av fossile ressursar er stor og høvet for berekraftige, fornybare ressursar veks, kan tare bli verdifulle i den nye veksande bioøkonomien. Norge er i ein unik posisjon grunna den store kystlinja som omgjev landet, fordi utnytting av tare kan gi eit meir miljøvennleg alternativ til bruken av landbasert biomasse. Polysakkarida i bruntare kan bli prosessert med enzym for å sleppe ut fermenterbare sukker, som kan brukas vidare som karbonkjelde i bioraffineri. Bioraffineri prosesserer biomass for produksjon av brensel, energi, kjemikaliar og høgverdi-produktar. For å nytta så stor del som mogleg av karbohydrata i bruntare er det naudsynt med suksessfull enzymatisk nedbryting av desse. I denne studien vart målet å kombinere ein enzymblanding for nedbryting av alginat, laminarin og cellulose i Saccharina latissima (L.), ein bruntare hausta frå Trondheimsfjorden. Dei endolytiske og eksolytiske alginat lyasane AMOR_PL7A og AMOR_PL17A, laminarinasane (eller β-1,3-glucanasar) GH16 og GH5, og cellulasane GH6.4 og therm3 vart kominert på malt S. latissima for å sjå på sukkerutslepp, og samanlikna med den kommersielle cellulaseblandinga Cellic® CTec2. Dei nemnde enzyma blei tilført til 15% tørrstoff (i vekt/volum) malt tare, og nedbrytingsutbyttet målt både som reduserande sukker med 3,5-Dinitrosalicylsyre (DNS) analyse og som glukose med HPLC. Reaksjonsprodukta vart målt etter 48 timars inkubering i ein Thermomixer på 50°C, og enzymblandinga resulterte i utsleppet av oligosakkarid og monomerisk sukker frå dei største karbohydratkomponenta i taren. Produktanalyse etter nedbryting av sodium alginat med AMOR_PL7A og AMOR_PL17A vart gjennomført med MALDI-TOF massespektrometri og 1H NMR, og dette viste at desse enzyma kombinert braut ned alginat til monomerisk DEHU. Resultata frå denne oppgåva indikerer at ei enzymblanding kan bli tilsett for sakkarifisering av polysakkarida i S. latissima, noko som er eit svært essensielt steg mot ei meir effektiv prosessering av makroalgar i eit bioraffineri i framtida.