1、纖維素酶的應用及研究現狀 摘要：主要探討了近年來纖維素酶的研究進展。重點概述了纖維素酶的分子結構、功能、應用、來源以及菌種研究現狀，并對該領域的研究問題和前景進行討論。關鍵詞：纖維素酶、應用降解、結構功能、制備1 引言 纖維素類物質占全球球植物總干重的30% 50% 1，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。對人類而言，它又是自然界中最豐富的一種可再生資源。據報道，我國的纖維素類資源極為豐富，僅秸稈和皮殼每年可達7×108 噸。但是這些物質的利用率很低 ，多采用燃燒的方法處理，這樣不僅造成了環境污染 ，也是資源和能源的巨大浪費。使用纖維素酶可以把天然纖維素物質

2、降解為可利用的糖液， 再進一步轉化為酒精、氣體燃料(如氫氣 )等物質，這對解決我國乃至世界的糧食短缺、能源危機、環境污染等問題具有深遠的意義2。此外，纖維素酶還在食品、釀造 、紡織 、造紙、飼料、石油開采等方面具有廣闊的應用前景。2 纖維素酶的分子結構和功能1906年Selliere在蝸牛的消化液中發現了纖維素酶。纖維素酶(Cellulase)是指能水解一1，4一葡萄糖苷鍵，使纖維素降解成葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單一酶，而是起協同作用的多組分酶系。纖維素酶是由葡聚糖內切酶(EC3214，也稱Cx酶 )、葡聚糖外切酶(EC32191，也稱 C1 酶)、一葡萄糖苷酶(EC2121，也

3、稱BG酶或纖維二糖酶)三個主要成分組成的誘導型復合酶系。C1酶和Cx酶主要溶解纖維素，BG酶主要將纖維二糖、纖維三糖轉化為葡萄糖，當三個主要成分的活性比例適當時，就能協同作用完成對纖維素的降解3。絕大多數纖維素酶包括一個催化功能域和一個（或者多個）碳水化合物結合功能域，并由一個可識別的連接橋（linker）連接而成。3 纖維素酶的降解作用機理     目前 ，纖維素酶分解纖維素的分子機制大致有3種假說4：改進的 C1一Cx假說、順序作用假說和競爭吸收模型。這些學說都認為，纖維素酶降解纖維素時，先吸附到纖維素表面，然后其中的EG(內切酶) 在葡聚

4、糖鏈的隨機位點水解底物產生寡聚糖 ，CBH(外切酶)從葡聚糖鏈的非還原端進行水解產生纖維二糖 ，CB水解纖維素二糖為葡萄糖 ，在整個降解過程中，纖維素降解菌中的這3類酶“協同作用”最終完成對纖維素的降解 。2000年 ，Ute Heinze等5用酶法和化學法對帶有 230羧甲基的纖維素降解特性進行了研究，發現纖維素的降解具有功能區域選擇性 。2003年 ，Shawn DMansfield6等研究糞肥桿菌(Celhdomonas fimi)中單一組分的纖維素酶在纖維素降解 中的作用時發現 ，單個纖維素酶的作用是獨立的，而不同酶分子之間的作用是相互補償的 。4 纖維素酶的應用4.1 食品工業纖維素

5、酶在食品加工中應用十分廣泛。人們通常食用是植物性農副產品的細胞內容物，細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素、果膠等。適當地利用纖維素酶處理植物性原料，可以使細胞壁發生不同程度的改變，如軟化、膨脹、崩潰，從而改變了細胞的通透性，提高細胞內含物的提取率。在果蔬加工中，一般需要對果蔬原料進行預處理 ，若采用纖維素酶處理，不僅可以避免熱燙、酸堿處理等造成的營養物質損失還可以使果蔬組織軟化膨松，提高消化性和口感。將纖維素酶用于果蔬汁加工可提高汁液的提取率，促進汁液澄清。萬日余等7將纖維素酶用于草莓汁生產 ，使出汁率提高92，草莓汁中糖分增加2，壓榨時間縮短 5min。Novo nordisk公司將復合纖維

6、素酶用于蘋果汁加工，使出汁率提高525，生產能力也大幅度增加8 。纖維素酶在發酵食品生產中的應用研究主要在醬油釀造和制酒業。纖維素酶用于醬油釀造 ，可以改善醬油質量，縮短生產周期，提高產量9。在釀酒過程中添加纖維素酶可提高出酒率，其原因可能是 ：纖維素酶分解原料中部分纖維素，主要產物葡萄糖可供酵母利用，同時，纖維素酶分解了植物細胞壁，利于淀粉的釋放和利用。尚維等10將纖維素酶用于清香型優質白酒的生產中，結果使出酒率提高 13，且不影響酒的品質。邱雁臨11用纖維素酶處理啤酒糟，可使啤酒糟的蛋白酶解率提高 10以上。使用纖維素酶可提高活性物質的提取率。馬長清等12采用纖維素酶水解法提取香菇柄和香菇

7、蓋中的多糖和氨基酸，結果表明，香菇柄加酶的提取液中多糖的含量增加 54，香菇蓋增加 44，香菇柄加酶的提取液中氨基酸含量增加 10，香菇蓋增加 15。傅博強等13噪用低溫水提、纖維素酶提二次結合法提取茶多糖，與水提法相比，酶提法的多糖和粗多糖的提取率分別增加 633和989，多糖總提取率達 297，粗多糖(于重)總提取率達 793。4.2 飼料工業畜禽飼料中含有大量的纖維素物質，除了反芻動物可依靠瘤胃微生物利用纖維素外 ，其它畜禽很少能利用纖維素。若在飼料中添加纖維素酶不僅可以提高飼料的利用率和消化率 ，還可以提高畜禽的生產性能。蘇輝14在奶牛精料中添加50g纖維素酶 ，提高了飼料的

8、消化率、利用率，產奶量增加。同時，還能降低奶牛消化道的發病率。Yang等15在對泌乳期的荷斯坦牛飼以纖維水解酶。得到的實驗結果與蘇輝的研究結果一致。李蒙等16用纖維素酶、酵母菌處理玉米秸稈飼喂育肥羊，平均日增重提高了413g，減少精料用量 871。在養豬業中，申瑞玲等17在生長育肥豬(體重約 20kg)10苜蓿粉日糧中添加 005、01、015的復合纖維素酶飼糧。結果表明，生長育肥豬 2040kg體重階段和體重 40kg以后，復合纖維素酶添加水平分別為 015、01，有利于提高生長育肥豬的生產性能。在養雞業 中，王懷凡等18在蛋雞 丑糧中添加 01纖維素酶，使產蛋率提高 108，蛋重提高 17

9、，料蛋比下降 146。劉小平19在肉雞日糧中添加 015纖維素酶，結果使平均耗料量 降低 32，每千克增重 的飼料消耗量降低1 11，死亡率降低 32。4.3 在洗滌劑工業中堿性纖維素酶在洗滌劑工業中具有良好的應用前景。洗滌劑中加入堿性纖維素酶可以降解衣物表面的一些細小的纖維，使附著在衣物上的一些頑固性污跡被洗脫下來，從而避免 衣物經反復穿戴洗滌后出現的陳舊感。另外，堿性纖維素酶一般不具有外切葡萄糖苷酶活性，不能作用于結晶纖維素，因此即使經過反復洗滌，棉麻織物的強度和表觀聚合度均不會發生顯著的改變20。4.4 紡織業纖維素酶在紡織業中的應用十分廣泛。采用纖維素酶處理牛仔布不僅可以達到

10、傳統石磨法整理的效果，而且可以克服石磨法整理的缺點 ，加工后的牛仔布雪花點多 、立體感強、 色光好、酶洗工藝條件溫和、耗能降低 ，大大減少了服裝與設備的磨損。纖維素酶還可用于棉織物的生物拋光整理，增加棉織物的光潔度和柔軟度21。 4.5 其它方面22在造紙業中，纖維素酶可用于廢紙脫墨、處理造紙廢料、改善紙張性能等方面。此外 ，纖維素酶在石油開采 、可降解塑料業 、醫藥保健等領域也有廣泛應用。5 纖維素酶的來源及菌種研究現狀5.1 來源纖維素酶的來源非常廣泛，昆蟲、微生物、細菌、放線菌、真菌、動物體內等都能產生纖維素酶。目前，纖維素酶的生產主要有固體發酵和液體發酵兩種方法，其

11、工藝如下：固體發酵法：是以玉米等農作物秸桿為主要原料通過接種微生物來進行發酵生產，發酵設備簡單 ，投資少，產品價格低廉 ，但發酵水平不穩定 ，生產效率低，易污染雜菌，勞動強度大。液體發酵：生產丁藝過程是將玉米秸稈粉碎至 20目以下，滅菌處理后，送入發酵罐內發酵，同時接入纖維素酶菌種 ，發酵時間約為 70h，溫度低于 60C，并從發酵罐底部通入凈化后的無菌空氣對物料進行氣流攪拌，發酵完畢后物料經壓濾機壓濾、超濾濃縮和噴霧干燥后得到纖維素酶產品。液態發酵法生產條件易控制，生產效率高 ，不易染雜菌 ，勞動強度小，適于大規模生產 。5.2 菌種研究現狀自發現纖維素酶100年來 ，人們通過不懈地努力，從

12、土壤 、溫泉 、油井 、堆肥 、朽木 、反芻動物體內分離到了比較多的分解纖 維素 的微生物 ，木酶是分解纖維素的最好微生物 。所有菌株產生的纖維素酶主要是Cx酶 、C1 酶和一葡萄糖苷酶三種酶 。纖維素酶的測定方法目前采用的是纖維素酶羧甲基纖維素 (CMC)測定法 ，纖維素酶濾紙酶活 (FPA)測定法 ，纖維素酶濾紙崩潰的測定法 ，纖維素酶還原糖測定法和一葡萄糖苷酶測定法。人們發明了通過水解圈大小判定高產酶菌株方法。 目前采用的誘變方法主要是15W 的紫外線(UV)燈30 cm處照射出發菌株3 min左右 ；在出發菌株溶液里加 01 molL NaN02溶液2 ml，誘變510 min；紫外線

13、 一 亞硝酸復合誘變 ；射線( 60Co)誘變 ，以 650Gy劑量照射出發菌株幾分鐘 ；紫外線 (Uv)誘變5 min后 ，再用1硫酸二乙酯 (DES)誘變40 min；將出發菌株涂布平板 ，脈沖注入20×l0 N cm 作離子誘變等 。經誘變育 種 ，現代生物技術的遺傳改造和優化培養條件 ，篩選到了產酶 能力強 、酶活高 、適應性好 、不受酶解產物的反饋抑制的大量變異菌株 。纖維素酶基因大小在1 500 bp左右 ，部分菌株的產酶基因 (如外切型纖維素酶基因 cbh2，內切型纖維素酶基因egl、eg4)被克隆、測序并可以整合到畢赤酵母的染色體上獲得表達 。還可把它們構建在一些不受

14、葡萄糖抑制的真核啟動子下游 ，使酶不再受到培養基中葡萄糖影響而得到 高效表達 ，從而 促進 其他纖維素酶基因的協同表達 ，可較大幅度提高菌株在發酵過程中的產纖維素酶的能力。6 問題及展望目前燃料乙醇的生產原料以糧食為主，消耗大量的糧食，而隨著國家退耕還林政策的實施 ，全國糧食產量在近期內很難增加，如長期使用高粱、玉米等糧食作物發酵生產乙醇，可能不利于我國糧食供應安全。近二三十年來 ，利用纖維素進行高效生物降解的研究已經展開，雖然在纖維素菌株的選育、纖維素酶組分及降解機制、纖維素酶合成的調節與調控以 及纖維素酶應用等諸多分支課題都取得了重要進展 ，但迄今尚未找到一種微生物或酶來有效利用

15、纖維素這一巨大的可再生資源 。近年來隨著以分子克隆為基礎的基因工程技術的快速發展與日趨成熟 ，國內外研究者已開始應用重組DNA技術和定點突變技術對纖維素酶進行改造，以構建新的纖維素高效降解工程菌。以生物化學理論作依據，采用蛋白質工程方法，構建具有可完全降解結晶纖維素的纖維素酶分子，同時結合底物預處理等技術，使其能在生物反應器中高效和重復使用，也是實現纖維素高效降解得到燃料酒精的重要途徑。相信在不久的將來，利用纖維素降解菌高效降解纖維素生產燃料酒精終將成為現實 。 參考文獻：1 鄒儀明植物纖維素化學(第二版)M北京：中國輕工業出版社 ，19951521 54 2徐昶 ，等高產

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