纤维素酶的应用及研究现状

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1、http:/ 引言纤维素类物质占全球球植物总干重的 30% 50% 1，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。对人类而言，它又是自然界中最丰富的一种可再生资源。据报道，我国的纤维素类资源极为丰富，仅秸秆和皮壳每年可达 7108 吨。但是这些物质的利用率很低 ，多采用燃烧的方法处理，这样不仅造成了环境污染 ，也是资源和能源的巨大浪费。使用纤维素酶可以把天然纤维素物质降解为可利用的糖液， 再进一步转化为酒精、气体燃料(如氢气 )等物质，这对解决我国乃至世界的粮食短缺、能源危机、环境污染等问题具有深远的意义2 。此外，纤维素酶还在食品、酿造 、纺织 、造纸、饲料、石油开采等方面具有广阔的应用前景

2、。2 纤维素酶的分子结构和功能1906 年 Selliere 在蜗牛的消化液中发现了纤维素酶。纤维素酶(Cellulase) 是指能水解 一 1，4 一葡萄糖苷键，使纤维素降解成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单一酶，而是起协同作用的多组分酶系。纤维素酶是由葡聚糖内切酶(EC3214，也称 Cx 酶 )、葡聚糖外切酶(EC32 191，也称 C1 酶)、一葡萄糖苷酶(EC2 121，也称 BG 酶或纤维二糖酶)三个主要成分组成的诱导型复合酶系。C 1 酶和 Cx 酶主要溶解纤维素， BG 酶主要将纤维二糖、纤维三糖转化为葡萄糖，当三个主要成分的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素的降解 3 。

3、绝大多数纤维素酶包括一个催化功能域和一个（或者多个）碳水化合物结合功能域，并由一个可识别的连接桥（linker）连接而成。3 纤维素酶的降解作用机理目前 ，纤维素酶分解纤维素的分子机制大致有 3 种假说 4 ：改进的 C1一 Cx 假说、顺序作用假说和竞争吸收模型。这些学说都认为，纤维素酶降解纤维素时，先吸附到纤维素表面，然后其中的 EG(内切酶 ) 在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖 ，CBH(外切酶)从葡聚糖链的非还原端进行水解产生纤维二糖 ，CB 水解纤维素二糖为葡萄糖 ，在整个降解过程中，纤维素降解菌中的这 3 类酶“协同作用”最终完成对纤维素的降解 。2000 年 ，Ute He

4、inze 等5 用酶法和化学法对带有 230 羧甲基的纤维素降解特性进行了研究，发现纤维素的降解具有功能区域选择性 。2003 年 ，Shawn DMansfield 6等研究粪肥杆菌(Celhdomonas fimi)中单一组分的纤维素酶在纤维素降解 中的作用时发现 ，单个纤维素酶的作用是独立的，而不同酶分子之间的作用是相互补偿的 。4 纤维素酶的应用4.1 食品工业纤维素酶在食品加工中应用十分广泛。人们通常食用是植物性农副产品的细胞内容物，细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、果胶等。适当地利用纤维素酶处理植物性原料，可以使细胞壁发生不同程度的改变，如软化、膨胀、崩溃，从而改变了细胞的通透性

5、，提高细胞内含物的提取率。在果蔬加工中，一般需要对果蔬原料进行预处理 ，若采用纤维素酶处理，不仅可以避免热烫、酸碱处理等造成的营养物质损失还可以使果蔬组织软化膨松，提高消化性和口感。将纤维素酶用于果蔬汁加工可提高汁液的提取率，促进汁液澄清。万日余等 7 将纤维素酶用于草莓汁生产 ，使出汁率提高 92 ，草莓汁中糖分增加 2，压榨时间缩短 5min。Novo nordisk 公司将复合纤维素酶用于苹果汁加工，使出汁率提高 5 25，生产能力也大幅度增加 8 。纤维素酶在发酵食品生产中的应用研究主要在酱油酿造和制酒业。纤维素酶用于酱油酿造 ，可以改善酱油质量，缩短生产周期，提高产量 9 。在酿酒过

6、程中添加纤维素酶可提高出酒率，其原因可能是 ：纤维素酶分解原料中部分纤维素，主要产物葡萄糖可供酵母利用，同时，纤维素酶分解了植物细胞壁，利于淀粉的释放和利用。尚维等 10 将纤维素酶用于清香型优质白酒的生产中，结果使出酒率提高 13，且不影响酒的品质。邱雁临 11 用纤维素酶处理啤酒糟，可使啤酒糟的蛋白酶解率提高 10以上。使用纤维素酶可提高活性物质的提取率。马长清等 12 采用纤维素酶水解法提取香菇柄和香菇盖中的多糖和氨基酸，结果表明，香菇柄加酶的提取液中多糖的含量增加 54，香菇盖增加 44，香菇柄加酶的提取液中氨基酸含量增加 10，香菇盖增加 15。傅博强等 13 噪用低温水提、纤维素酶

7、提二次结合法提取茶多糖，与水提法相比，酶提法的多糖和粗多糖的提取率分别增加 633 和 989，多糖总提取率达 297，粗多糖(于重 )总提取率达 793 。4.2 饲料工业畜禽饲料中含有大量的纤维素物质，除了反刍动物可依靠瘤胃微生物利用纤维素外 ，其它畜禽很少能利用纤维素。若在饲料中添加纤维素酶不仅可以提高饲料的利用率和消化率 ，还可以提高畜禽的生产性能。苏辉 14 在奶牛精料中添加 50g 纤维素酶 ，提高了饲料的消化率、利用率，产奶量增加。同时，还能降低奶牛消化道的发病率。Yang 等 15 在对泌乳期的荷斯坦牛饲以纤维水解酶。得到的实验结果与苏辉的研究结果一致。李蒙等 16 用纤维素酶

8、、酵母菌处理玉米秸秆饲喂育肥羊，平均日增重提高了 413g ，减少精料用量 871。在养猪业中，申瑞玲等 17 在生长育肥猪 (体重约 20kg)10苜蓿粉日粮中添加 005、 01、015 的复合纤维素酶饲粮。结果表明，生长育肥猪 2040kg 体重阶段和体重 40kg 以后，复合纤维素酶添加水平分别为 015、0 1 ，有利于提高生长育肥猪的生产性能。在养鸡业 中，王怀凡等 18 在蛋鸡 丑粮中添加 01 纤维素酶，使产蛋率提高 108，蛋重提高 17 ，料蛋比下降 146。刘小平 19 在肉鸡日粮中添加 015纤维素酶，结果使平均耗料量 降低 3 2，每千克增重 的饲料消耗量降低 1 1

9、1 ，死亡率降低 32。4.3 在洗涤剂工业中碱性纤维素酶在洗涤剂工业中具有良好的应用前景。洗涤剂中加入碱性纤维素酶可以降解衣物表面的一些细小的纤维，使附着在衣物上的一些顽固性污迹被洗脱下来，从而避免 衣物经反复穿戴洗涤后出现的陈旧感。另外，碱性纤维素酶一般不具有外切葡萄糖苷酶活性，不能作用于结晶纤维素，因此即使经过反复洗涤，棉麻织物的强度和表观聚合度均不会发生显著的改变 20 。4.4 纺织业纤维素酶在纺织业中的应用十分广泛。采用纤维素酶处理牛仔布不仅可以达到传统石磨法整理的效果，而且可以克服石磨法整理的缺点 ，加工后的牛仔布雪花点多 、立体感强、 色光好、酶洗工艺条件温和、耗能降低 ，大大

10、减少了服装与设备的磨损。纤维素酶还可用于棉织物的生物抛光整理，增加棉织物的光洁度和柔软度 21。4.5 其它方面 22在造纸业中，纤维素酶可用于废纸脱墨、处理造纸废料、改善纸张性能等方面。此外 ，纤维素酶在石油开采 、可降解塑料业 、医药保健等领域也有广泛应用。5 纤维素酶的来源及菌种研究现状5.1 来源纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、微生物、细菌、放线菌、真菌、动物体内等都能产生纤维素酶。目前，纤维素酶的生产主要有固体发酵和液体发酵两种方法，其工艺如下：固体发酵法：是以玉米等农作物秸杆为主要原料通过接种微生物来进行发酵生产，发酵设备简单 ，投资少，产品价格低廉 ，但发酵水平不稳定 ，生产效率低

11、，易污染杂菌，劳动强度大。液体发酵：生产丁艺过程是将玉米秸秆粉碎至 20 目以下，灭菌处理后，送入发酵罐内发酵，同时接入纤维素酶菌种 ，发酵时间约为 70h，温度低于 60C，并从发酵罐底部通入净化后的无菌空气对物料进行气流搅拌，发酵完毕后物料经压滤机压滤、超滤浓缩和喷雾干燥后得到纤维素酶产品。液态发酵法生产条件易控制，生产效率高 ，不易染杂菌 ，劳动强度小，适于大规模生产 。5.2 菌种研究现状自发现纤维素酶 100 年来 ，人们通过不懈地努力，从土壤 、温泉 、油井 、堆肥 、朽木 、反刍动物体内分离到了比较多的分解纤 维素 的微生物 ，木酶是分解纤维素的最好微生物 。所有菌株产生的纤维素

12、酶主要是 Cx 酶 、C 1 酶和 一葡萄糖苷酶三种酶 。纤维素酶的测定方法目前采用的是纤维素酶羧甲基纤维素 (CMC)测定法 ，纤维素酶滤纸酶活 (FPA)测定法 ，纤维素酶滤纸崩溃的测定法 ，纤维素酶还原糖测定法和 一葡萄糖苷酶测定法。人们发明了通过水解圈大小判定高产酶菌株方法。 目前采用的诱变方法主要是 15W 的紫外线(UV) 灯 30 cm 处照射出发菌株 3 min 左右 ；在出发菌株溶液里加 01 molL NaN02 溶液 2 ml，诱变 510 min；紫外线 一 亚硝酸复合诱变 ；射线( 60Co)诱变 ，以 650Gy 剂量照射出发菌株几分钟 ；紫外线 (Uv)诱变 5

13、min 后 ，再用 1硫酸二乙酯 (DES)诱变 40 min；将出发菌株涂布平板 ，脉冲注入 20l0 N cm 作离子诱变等 。经诱变育 种 ，现代生物技术的遗传改造和优化培养条件 ，筛选到了产酶 能力强 、酶活高 、适应性好 、不受酶解产物的反馈抑制的大量变异菌株 。纤维素酶基因大小在 1 500 bp 左右 ，部分菌株的产酶基因 (如外切型纤维素酶基因 cbh2，内切型纤维素酶基因 egl、eg4)被克隆、测序并可以整合到毕赤酵母的染色体上获得表达 。还可把它们构建在一些不受葡萄糖抑制的真核启动子下游 ，使酶不再受到培养基中葡萄糖影响而得到 高效表达 ，从而 促进 其他纤维素酶基因的协

14、同表达 ，可较大幅度提高菌株在发酵过程中的产纤维素酶的能力。6 问题及展望目前燃料乙醇的生产原料以粮食为主，消耗大量的粮食，而随着国家退耕还林政策的实施 ，全国粮食产量在近期内很难增加，如长期使用高粱、玉米等粮食作物发酵生产乙醇，可能不利于我国粮食供应安全。近二三十年来 ，利用纤维素进行高效生物降解的研究已经展开，虽然在纤维素菌株的选育、纤维素酶组分及降解机制、纤维素酶合成的调节与调控以 及纤维素酶应用等诸多分支课题都取得了重要进展 ，但迄今尚未找到一种微生物或酶来有效利用纤维素这一巨大的可再生资源 。近年来随着以分子克隆为基础的基因工程技术的快速发展与日趋成熟 ，国内外研究者已开始应用重组

15、DNA 技术和定点突变技术对纤维素酶进行改造，以构建新的纤维素高效降解工程菌。以生物化学理论作依据，采用蛋白质工程方法，构建具有可完全降解结晶纤维素的纤维素酶分子，同时结合底物预处理等技术，使其能在生物反应器中高效和重复使用，也是实现纤维素高效降解得到燃料酒精的重要途径。相信在不久的将来，利用纤维素降解菌高效降解纤维素生产燃料酒精终将成为现实 。参考文献：1 邹仪明植物纤维素化学(第二版 )M北京：中国轻工业出版社 ，1995 1521 542 徐昶 ，等高产纤维素酶的筛选及产酶条件的研究（J）厦门大学报(自然科学版) 2005，44，1(1)：107 1113 张继泉，王瑞明，孙玉英里氏木霉生产纤维素酶的研究进展（J）饲料工业，2003，24(1)：9-13 4 Sinnott M LCatalytic mechanism of glycosyl transfersJChem Rev，1990，90(12)：1171 一 i1925 Ute Heinze，Jens Schaller Challer，T