纤维素酶的研究进展

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1、发酵工艺学课程论文纤维素酶发酵的研究进展姓 名： 宋姗姗 学 号： 20070144021 学 院： 材料与化工 专业班级： 生物工程（1）班 指导教师： 罗先群 分数： 2010年 11 月 22 日纤维素酶发酵的研究进展宋姗姗 20070144021 生工（1）班摘要：纤维素酶是糖苷水解酶的一种，它可以将纤维素物质水解成简单糖，进而发酵产生乙醇，从而解决农业、再生能源及环境污染等问题。初期的研究主要集中在对微生物纤维素酶的研究。本文对纤维素酶的概念、作用机理和发酵工艺国内外的进展作了综述以及对其发展前景进行了展望。 关键词：纤维素酶；来源；作用机理；发酵1 纤维索酶及其作用机理纤维素酶(c

2、ellulose)又称纤维素酶系，是一类复杂的复合物，是所有参与降解纤维素并将其最终转化为葡萄糖的各种酶的总称，分为真菌纤维素酶和细菌纤维素酶。由于细菌纤维素酶活性和产量低，工业应用前景不大，故目前的研究主要针对真菌纤维素酶。真菌纤维素酶由三类酶组成：(1)葡聚糖内切酶(EG)，一般作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解-l，4-糖苷键，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。(2)葡聚糖外切酶(BH)，作用于纤维素线状分子末端的-l，4-糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子。(3) -葡聚糖苷酶(BG)，一般将纤维二糖水解成葡萄糖。纤维素酶降解纤维素的过程是由吸附到纤维素上开始的，纤维素酶对纤维素的

3、降解可以是单一酶作用，也可以是多酶协同降解作用。2 纤维素酶的来源及发酵生产工业生产的纤维素酶主要由真菌产生，如木霉( Trichoderma sp)、青霉( Penicillium sp)、曲霉( Aspergillus sp)以及腐质霉( Humicola sp)等。其中最著名的是T.reesei，它产生的纤维素酶具有酶谱全、活力高的特点。自20世纪60年代以来，从野生菌株T.reesei QM6a出发进行了大量的筛选育种工作。其中QM9414、RutC30和MCG77能够产生较高的内切型和外切型葡聚糖酶活力,是目前国内外生产酸性纤维素酶的主要菌种。腐质霉是中性纤维素酶的重要生产菌种；黑曲

4、霉产生的纤维素酶可以用于食品工业；青霉除了产生大量的纤维素酶外还可产生较高的葡萄糖苷酶，可以弥补木霉产葡萄糖苷酶不足的缺点。细菌和放线菌等也能够产生纤维素酶，它们产生的纤维素酶往往具有耐碱耐热的特点，如洗涤剂工业用的碱性纤维素酶就是由嗜碱芽胞杆菌产生。细菌产生的纤维素酶除了传统的内切、外切纤维素酶外，还会分泌一种纤维小体(cellu-losome)到胞外，纤维小体由多种纤维素酶和半纤维素酶组成，具有较高的水解纤维素的能力，在纤维废弃物的处理上具有很大的应用潜力。纤维素酶的生产主要有液体和固体发酵两种形式。液体深层发酵(Liquid Submerged Fermentation，LSF)适于大规

5、模工业生产，是目前国际上的主要生产方式，但发酵成本较高。固体发酵(SolidState Fermentation，SSF)以农作物秸秆等纤维废弃物为主要原料，工艺简单，成本低廉，节约水源，目前国内绝大部分纤维素酶生产厂家均采用固体发酵生产纤维素酶。然而固体发酵法也存在容易杂菌、产品质量不稳定等弊端。通过菌种改造以及发酵工艺的改进，T. reesei生产纤维素酶的能力得到了很大的提高，下表2显示自1972年以来该菌种产纤维素酶的发酵水平。最近几年在筛选发现新的纤维素酶产生菌方面有很大进展，其中嗜热菌Melanocarpus sp可产生较高活力的耐热、中性纤维素酶，有可能成为一个产纤维素酶的优良菌

6、株。目前纤维素酶产生菌的筛选趋势除了寻找高活力的产酶菌外，再就是寻找具有特殊活性的产酶菌株，如中性、碱性纤维素酶，低温、高温纤维素酶等。3纤维素酶发酵31纤维素酶的发酵方法纤维素酶的生产有固体发酵和液体深层发酵两种方法。固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸杆为主要原料，投资少，工艺简单，产品价格低廉。例如王菁莎，王颉，周家楠等旧人对里氏木霉Lw l采用固态发酵技术，利用廉价的原料麸皮和玉米秸秆为碳源，l硫酸铵为氮源，在秸秆粉：麦麸 = 1：l，料水比为1：2的固体发酵培养基上进行固态发酵，通过正交实验分析，在发酵温度为28，初始pH 5.5，发酵周期为72h时，产酶活力最高，测得发酵液中FPA酶活

7、119417ug干物质，CMC酶活为452.433ug干物质。然而固体发酵法存在着根本上的缺陷。不可能像液体发酵那样随着规模的扩大，成本大幅度下降。所得纤维素酶难提取、精制，产品外观粗糙，成品质量不稳定，杂质含量高。目前国内外大都在探索液体发酵生产纤维素酶。康东亮，吕世峰等同人对里氏木霉R3液体深层发酵，发酵96h时，维持pH值在5.0时FPA酶活力最高，维持pH值在4.5时CMC酶活力最高，在采取分段控制温度、pH值和溶氧时发酵时间明显延长，产酶高峰由96h延长至120h，产酶量也大大增加。发酵温度控制在30时虽然峰值出现稍晚，但峰值最大，酶活力最高，FPA酶活达到489 FPIUmL，CM

8、C酶活达到32168 IUmL。液体发酵虽有发酵动力消耗大、设备要求高等缺点，但液体发酵原料利用率高、生产条件易控制、产量高、工人劳动强度小、产品质量稳定、可大规模生产等优点又使该方法成为发酵生产纤维素酶必然趋势。R Srinivas and T Panda应用界面响应方法对Ml 4和M62中的纤维素酶的pH和温度效应进行了研究，可以影响酶的稳定性组合的最重要的物理参数是pH和温度。根据不同pH和温度组合，用正交实验方法确定合适的，以提高酶的稳定性。得出从香毛温簇类生产纤维素酶的最优pH植和温度，M14：pH 5.7温度，41.78度，M 62：pH 5.3温度43.8度，木酶QM9414的最

9、优pH值4.31和温度38.38。他们还认为可以进行进一步研究，酶在较高的温度和极端的pH值下的热稳定性。这很重要，因为迅速失活会制约生产过程效率，而酶钝化和热力表征方面的知识已取得很大进步，这对生物过程的可行性是非常必要的。32发酵条件优化沈阳农业大学生物科学技术学院林英，秦萍，杜志强，张蓓蓓等人对诱变菌株绿色木霉FUV产纤维素酶条件进行了研究。培养基的组成、配比、培养条件等都会对菌种产生的纤维素酶酶活造成一定的影响。进行单因素实验得出菌株FUV264的最适产酶条件。不同氮源对产酶影响较大，在相同加入量条件下，发酵培养基以1(NH4)2 SO4和2酵母膏为氮源时最佳。在培养基中再加入适宜的表

10、面活性剂洗衣粉( 主要成分为烷基苯磺酸钠 )，含量( 占基质的重量百分比)为3时纤维素酶酶活最高。当Mandels营养盐并选择麸皮与稻草粉比例为l：3以及适宜的加水量(应为原料的34倍)时，纤维素酶酶活可有明显的提高。选择起始pH值为4656，在300C发酵96135 h条件下，纤维素酶酶活达到最高值。通气量对产酶的影响，在250m L三角瓶中按产酶基本培养基的配制比例加入干料量6g时菌株的代谢最旺盛，最有利于酶的分泌。湖南大学环境科学与工程学院刘佳，袁兴中，曾光明，时进钢，研究发现添加鼠李糖脂能够促进绿色木霉产酶，分别使滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活、微晶纤维素酶活最大提高了1.08倍、1.6倍

11、和1.03倍。与Tween80相比，鼠李糖脂促进产酶的效果明显优于Tween80。而内江师范学院李刚，李学，袁虎，江春梅等人对里氏目酶ACCC30449分泌的纤维素酶酶解条件比较最适作用pH为5，当作用底物为玉米秸杆和稻草时，玉米秸杆：稻草=3：1时，纤维素的分解速率最高为11.20。加碱和高压蒸煮仍是提高ACCC30449菌株纤维素酶活力的有效方法。4 总结与展望纤维素酶具有非常广泛的应用前景，纤维素酶不但在食品、发酵、纺织、饲料等工业方面有很大的应用潜力，还可应用于造纸、医药保健、石油开采、新型能源、环保以及用于洗涤剂等行业。此外，还有一些很有价值的应用领域正在开拓。纤维素来源十分广泛，成

12、本低，如果纤维素酶的应用可以推广到纤维素可应用的所有领域，不但可以提高产品质量，原料利用率，而目，大大降低了生产成本，进而会提高市场消费量，促进国民经济的发展。当前只有少数发达国家拥有纤维素酶的生产及应用技术，产品的垄断造成市场价格奇高不下。国内生产厂家少、生产规模小，应用技术尚需进一步攻关，产品供应以进口为主，供需矛盾较大。但是随着对纤维素酶研究的不断深入，以及生物化学、分子生物学、生物信息学、结构生物学以及基因工程等多种交叉学科的快速发展，获得适合工业生产的高比活力的纤维素酶将不再是可望而不可及的了，我们相信随着现代生物技术的进展，纤维素酶工艺的发展将提高到一个新的水平。参考文献：1.李燕

13、红.赵辅昆 纤维素酶的研究进展期刊论文-生命科学 2005(05)2.康东亮.吕世峰.阎振丽 里氏木霉R3液体深层发酵产纤维素酶工艺优化研究期刊论文-河南工业大学学报(自然科学版) 2006(50)3.王菁莎.王颉.周家楠 里氏木霉LW1固态发酵纤维素酶条件的研究期刊论文-生物学杂志 2006(34)4.梁敏.邹东恢.王少艳 纤维素酶的研究进展与前景展望期刊论文-食品研究与开发 2005(05)5.秦浙新，王雪奇 纤维素酶的发酵研究进展期刊论文 -食品与生物2008，24(1)6.宋波.邓晓皋 纤维素酶的研究进展期刊论文-上海环境科学 2003(07)7.丁少军.宋美静.杨红军 中性内切型纤维

14、素酶在毕赤酵母中高水平表达的研究期刊论文-生物工程学报2006(01)8.李燕红.赵辅昆 纤维素酶的研究进展期刊论文-生命科学 2005(05)9.邱雁临 纤维素酶的研究和应用前景期刊论文-粮食与饲料工业 2001(08)袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂

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