日期：2013-02-03 來(lái)源：國(guó)家食物與營(yíng)養(yǎng)咨詢委員會(huì) 
核心提示：纖維素酶是一種高活性生物催化劑，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要介紹了纖維素酶，通過(guò)對(duì)纖維素酶的研究的了解，從其制取和應(yīng)用方面進(jìn)行了綜述。
國(guó)家食物與營(yíng)養(yǎng)咨詢委員會(huì)
作者：劉 穎， 林親錄 （湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘要：纖維素酶是一種高活性生物催化劑，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要介紹了纖維素酶，通過(guò)對(duì)纖維素酶的研究的了解，從其制取和應(yīng)用方面進(jìn)行了綜述。
眾所周知，纖維素占植物干重的35%～50%，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。對(duì)人類而言，它同時(shí)又是自然界中數(shù)量最大的可再生性物質(zhì)，它的降解是自然界碳素循環(huán)的中心環(huán)節(jié)。纖維素的利用與轉(zhuǎn)化對(duì)于解決目前世界能源危機(jī)、糧食短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題具有十分重要的意義。自從1906年在蝸牛消化道發(fā)現(xiàn)纖維素酶以來(lái)，纖維素的微生物降解問(wèn)題就得到了足夠的關(guān)注。纖維素被徹底分解而又無(wú)污染的一條有效途徑，便是利用纖維素酶的水解作用。纖維素酶（cellulase）是指能水解纖維素β-1，4葡萄糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶總稱，它不是單一酶，而是起協(xié)同作用多組分酶系。纖維素酶由葡聚糖內(nèi)切酶（EC3.2.1.4，也稱Cx酶）、葡聚糖外切酶（EC3.2.1.91，也稱C1酶）、β-葡萄糖苷酶（EC2.1.21，也稱CB酶或纖維二糖酶）三個(gè)主要成分組成的誘導(dǎo)型復(fù)合酶系。C1酶和Cx酶主要溶解纖維素，CB酶主要將纖維二糖、纖維三糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖，當(dāng)三個(gè)主要成分的活性比例適當(dāng)時(shí)，就能協(xié)同作用完成對(duì)纖維素降解。其酶催化效率高，比一般酶高106～107倍；酶的催化反應(yīng)具高度專一性，酶對(duì)其作用底物有嚴(yán)格選擇性，催化反應(yīng)條件溫和，酶催化活力可被調(diào)節(jié)控制，無(wú)毒性。
1 纖維素酶的制取
1.1 制取纖維素酶的菌種和方法
纖維素酶來(lái)源非常廣泛，昆蟲(chóng)、微生物（細(xì)菌、放線菌、真菌等）都能產(chǎn)生纖維素酶，通過(guò)微生物發(fā)酵方法是大規(guī)模制備纖維素酶的有效途徑。不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，對(duì)纖維素的酶解能力也不大相同。由于放線菌的纖維素酶產(chǎn)量極低，研究很少。細(xì)菌的產(chǎn)量也不高，主要是葡聚糖內(nèi)切酶，且大多數(shù)對(duì)結(jié)晶纖維素沒(méi)有活性，所產(chǎn)生酶是胞內(nèi)酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到細(xì)胞外，增加提取純化難度，在工業(yè)上很少應(yīng)用。而絲狀真菌具有產(chǎn)酶諸多優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生纖維素酶為胞外酶，便于酶的分離和提?。划a(chǎn)酶效率高，且產(chǎn)生纖維素酶的酶系結(jié)構(gòu)較為合理；同時(shí)可產(chǎn)生許多半纖維素酶、果膠酶、淀粉酶等。從纖維素酶工業(yè)化制備及其應(yīng)用角度看，研究和采用絲狀真菌產(chǎn)酶具有更大意義。從目前研究進(jìn)展來(lái)看，里氏木霉同時(shí)具有較為穩(wěn)定性狀、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)纖維素酶的能力和較好“抗代謝阻遏”能力，被認(rèn)為是最具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值菌株。
1.1.1 產(chǎn)酶菌株選育及誘變育種
利用物理、化學(xué)誘變劑單獨(dú)或復(fù)合處理微生物孢子或細(xì)胞是選育纖維素酶高產(chǎn)菌種的有效方法。張苓花等采用康寧木霉W-925、J-931，經(jīng)過(guò)濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15W、30cm、2min）復(fù)合誘變得到產(chǎn)酶活性高的菌種，該菌種糖化力達(dá)到2975，濾紙酶活達(dá)到531，比出發(fā)菌株分別提高100%和81%。中科院微生物研究所董志揚(yáng)等用康寧木霉通過(guò)γ射線照射和亞硝基胍交替處理，誘變出一株纖維素酶高產(chǎn)菌株T801，與出發(fā)菌株相比，其產(chǎn)酶能力提高1.77倍。青島海洋大學(xué)管斌等通過(guò)利用紫外線、亞硝基胍等對(duì)里氏木霉進(jìn)行誘變處理，采用低劑量、反復(fù)多次復(fù)合誘變處理方法，用“以2-脫氧葡萄糖作為降解產(chǎn)物阻遏物”高效篩選方法，選育得到一株抗分解代謝阻遏的突變株，使纖維素酶活力提高三倍。
1.1.2 DNA體外重組技術(shù)
以得到纖維素酶過(guò)量生產(chǎn)為主要目的而進(jìn)行纖維素酶基因克隆研究，在20世紀(jì)80年代十分活躍，在國(guó)外已有約80個(gè)組分的基因被克隆，但表達(dá)、分泌均很弱。因此已逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用基因工程方法組建有新特性的纖維素酶分子。
1.2 纖維素酶的制取工藝
方法有兩種：即固體發(fā)酵和液體發(fā)酵。生產(chǎn)原料有麩皮、秸稈粉、廢紙、玉米粉和無(wú)機(jī)鹽等。
1.2.1 固體發(fā)酵法
固體發(fā)酵法是以玉米、稻草等植物秸桿為主要原料，通過(guò)接種微生物進(jìn)行發(fā)酵工藝，具有投資少、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品價(jià)格低廉優(yōu)點(diǎn)。但固體發(fā)酵法存在著根本缺陷，其生產(chǎn)纖維素酶很難提取、精制。目前國(guó)內(nèi)絕大部分纖維素酶生產(chǎn)廠家采用該技術(shù)生產(chǎn)纖維素酶時(shí)，只能通過(guò)直接干燥粉碎得到固體配制劑或用水浸泡后壓濾得到液體配制劑，這樣所得產(chǎn)品外觀粗糙，質(zhì)量不穩(wěn)定，雜質(zhì)含量高。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家采用固體發(fā)酵法時(shí)，對(duì)木霉纖維素酶的研究較多，而木霉一方面毒性嫌疑大，使之應(yīng)用受到限制；另一方面普遍存在著β-葡萄糖苷酶活力偏低的缺陷，致使纖維二糖積累，影響了酶解效率。故有人采用在木霉纖維素酶中添加曲霉的β-葡萄糖苷酶，提高了纖維素酶的降解能力。鑒于固體發(fā)酵的缺憾，隨著液體發(fā)酵配制劑工藝發(fā)展及菌種性能提高，采用液體發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶勢(shì)在必行。
1.2.2 液體發(fā)酵法
液體發(fā)酵生產(chǎn)工藝過(guò)程是將玉米秸稈粉碎至20目以下進(jìn)行滅菌處理，然后送發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，同時(shí)接入纖維素酶菌種，發(fā)酵時(shí)間約為70h，溫度控制低于60℃。從發(fā)酵罐底部通入凈化后無(wú)菌空氣對(duì)物料進(jìn)行氣流攪拌，發(fā)酵完物料經(jīng)壓濾機(jī)壓濾、超濾濃縮和噴霧干燥后得到纖維素酶產(chǎn)品。液體發(fā)酵雖有發(fā)酵動(dòng)力消耗大、設(shè)備要求高等缺點(diǎn)，但液體發(fā)酵原料利用率高、生產(chǎn)條件易控制、產(chǎn)量高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)又使該方法成為發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶必然趨勢(shì)。
2 纖維素酶的應(yīng)用
2.1 在食品工業(yè)中的應(yīng)用
纖維素酶在食品工業(yè)應(yīng)用極為廣泛。如將纖維素酶應(yīng)用于豆腐生產(chǎn)工藝中，結(jié)果表明，在大豆浸漬時(shí)添加0.5%～5.0%纖維素酶，可提高4.00%～11.01%豆腐出品率，且所產(chǎn)豆腐色質(zhì)和風(fēng)味無(wú)明顯變化，同時(shí)不改變?cè)猩a(chǎn)工藝路線，其經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。用纖維素酶處理茶葉制備速溶茶，可有效提高速溶茶提取率，具有一定穩(wěn)定性，制成速溶茶不僅保持茶葉天然的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分，且無(wú)不溶性渣滓，飲用方便。纖維素酶應(yīng)用于果蔬榨汁、花粉飲料有利于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲出、增加出汁率約10%、減少壓榨壓力、促進(jìn)汁液榨取和澄清作用。纖維素酶處理植物可使細(xì)胞壁發(fā)生不同程度改變，如軟化、膨脹和崩潰等，從而可提高細(xì)胞內(nèi)含物提取率，用于處理大豆，不僅可促使其脫皮、增加從豆類中提取優(yōu)質(zhì)水溶性蛋白質(zhì)得率，且還可回收豆渣中蛋白質(zhì)和油脂。纖維素酶用于淀粉制造，可縮短時(shí)間，增加得率；還有報(bào)道稱，用纖維素酶結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)可改善煙草品質(zhì)。白酒釀造所用原料中纖維含量較大，使用纖維素酶后，可同時(shí)將淀粉和纖維素轉(zhuǎn)化為糖，再經(jīng)酵母分解全部轉(zhuǎn)化為酒精，提高3%～5%出酒率，且酒體質(zhì)量純正，淀粉和纖維利用率高達(dá)90%。纖維素酶用于固態(tài)無(wú)鹽醬油發(fā)酵，能將包裹蛋白質(zhì)的纖維素分解，使蛋白質(zhì)呈裸露狀態(tài)，便于蛋白酶分解蛋白質(zhì)，提高醬油得率，加快發(fā)酵速度，改善醬油風(fēng)味和質(zhì)量，配制劑用量?jī)H為0.0125%，醬油中還原糖增加10.7%，色度提高4.2%，全氮和原料利用率分別比不加纖維素酶提高8.6%和8.1%。在食醋釀造過(guò)程中，將纖維素酶與糖化酶混合使用，可明顯提高原料利用率和出品率；應(yīng)用于啤酒工業(yè)麥芽生產(chǎn)上，可增加麥粒溶解性、加快發(fā)芽、減少糖化液中β-葡萄糖含量，改進(jìn)過(guò)濾性能。
2.2 在飼料工業(yè)中的應(yīng)用
畜禽飼料中含有大量的纖維素，除某些反芻動(dòng)物具有分解纖維素能力外，大部分畜禽不具此能力。纖維素酶是畜牧業(yè)中的一種新型飼料添加劑，能夠分解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的纖維素，生成易消化物質(zhì)葡萄糖，摧毀細(xì)胞壁釋放內(nèi)容物，便于動(dòng)物消化吸收。能夠?yàn)樾笄蒹w內(nèi)增加和補(bǔ)充各種消化酶，強(qiáng)化消化系統(tǒng)的酶解功能，增進(jìn)食欲，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。為了提高飼料的消化率，在配合飼料中添加極少量纖維素酶（一般在0.1%～0.3%）即可收到顯著效果。當(dāng)用纖維素酶制劑作用裸麥、大麥、玉米時(shí)，可使糖的總氮量明顯增加。在青貯飼料中加纖維素酶使纖維素分解促進(jìn)乳酸發(fā)酵，這樣處理后的青貯飼料，比對(duì)照柔軟，曲香味明顯提高，酸度和還原物質(zhì)隨纖維素減少而增加。另外加纖維素后，由于纖維素被消化，乳酸發(fā)酵提高，貯存性能也提高。在飼料中添加纖維素酶后，喂幼雞、仔豬及一般虛弱動(dòng)物時(shí)，喂養(yǎng)效果明顯，喂蛋雞可提高產(chǎn)卵量，喂乳牛時(shí)，不僅可以使體重增加，而且提高產(chǎn)乳量。
2.3 在水產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用
魚(yú)蝦類不具備分泌纖維素分解酶的能力，不能直接利用粗纖維，但是魚(yú)蝦類飼料中含有適量的粗纖維是維持消化道正常功能所必需的。適量的纖維素能促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，刺激消化酶的分泌，擴(kuò)大食物團(tuán)與消化酶的接觸面。研究表明，飼料中纖維素還有降低血清膽固醇的作用。而纖維素成分過(guò)多，食糜通過(guò)消化道速度加快、消化時(shí)間縮短、導(dǎo)致蛋白質(zhì)和多種礦物質(zhì)元素吸收利用率下降，排泄物增多，進(jìn)而會(huì)污染水質(zhì)，破壞魚(yú)類生長(zhǎng)環(huán)境，導(dǎo)致魚(yú)類生長(zhǎng)速度和飼料效率下降。魚(yú)蝦類消化道中的微生物能分泌一定的纖維素酶，將魚(yú)類攝入飼料中的粗纖維中的半纖維素、纖維素分解成纖維二糖、三糖等短鏈低聚糖并最終以葡萄糖的形式為魚(yú)類消化道吸收、利用。吸收后的單糖在肝臟及其他組織進(jìn)一步氧化分解，并釋放出能量，或被用于合成糖原、體脂、氨基酸，或參與合成其他生物活性物質(zhì)。
2.4 在洗滌劑工業(yè)中的應(yīng)用
近年來(lái)，堿性纖維素酶在洗滌劑上應(yīng)用改變傳統(tǒng)去污機(jī)制。酸性纖維素酶對(duì)木質(zhì)素作用是一個(gè)糖化過(guò)程，在多種組分協(xié)同作用下能得到更多最終產(chǎn)物葡萄糖；而堿性纖維素酶是一種組分的內(nèi)切葡萄糖苷酶，主要與棉纖維中僅占10%左右非結(jié)晶區(qū)纖維素分子起作用，堿性纖維素酶可選擇性吸附在棉纖維非結(jié)晶區(qū)，使棉纖維膨松，水合纖維素分解，膠狀污垢脫落。沈雪亮等從廢紙漿中選育一株芽抱桿菌，該菌產(chǎn)羧甲基纖維素酶能力很強(qiáng)，顯示重要工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，具有良好應(yīng)用前景。
2.5 在麻棉混紡織物后整理中的應(yīng)用
天然纖維如棉、麻等紡織品具有較強(qiáng)的吸濕、透氣性，倍受消毒者青睞。但棉、麻及其混紡布料上存在細(xì)毛，與皮膚接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺癢感，因此近幾年來(lái)，利用纖維素酶進(jìn)行生物整理越來(lái)越受到紡織界的重視。利用纖維素酶進(jìn)行酶處理，能使麻、棉表面剝離和縱向復(fù)合細(xì)胞間層侵蝕，使纖維梢絲束化或脫落，能極大地降低對(duì)皮膚的刺癢，提高棉麻織物的服用性能及產(chǎn)品的檔次。
2.6 其它方面
纖維素酶在造紙、地質(zhì)鉆井、草藥提取等方面均有很大應(yīng)用潛力。用纖維素酶適當(dāng)處理紙漿，能增加微細(xì)纖維生成量和提高保水度，有可能促進(jìn)某些紙張抗張力提高。此外，纖維素酶還應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)制消化劑等。
3 展望
纖維素是自然界中十分豐富的資源，纖維素酶具有高效性和安全性，我國(guó)對(duì)纖維素酶的主要研究方向是用于食品和釀造領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，纖維素酶菌種產(chǎn)酶能力和生產(chǎn)技術(shù)水平都有較大提高，90年代后建成一些纖維素酶生產(chǎn)廠。
聯(lián)系客服
