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有机合成综述论文纤维素酶的性质合成与应用

纤维素酶的性质、合成与应用

摘要：

纤维素是地球上最丰富的生物质,充分利用纤维素对解决人类所面临的能源与粮食等问题有着至关重要韵作用,纤维素酶是利用纤维素所必需的,但由于其复杂性,人们对它的研究还很不充分,本文就纤维素酶的性质、应用及其环保意义作了概述。

关键词：

纤维素酶性质合成应用

前言：

近几年来,由于能源、食品需要的增长,由纤维素物质转变为可发酵的糖引起了人们极大的注意力。

由纤维素酶解产生葡萄糖是目前人们比较感兴趣的方法之一。

但是到目前为止,纤维素酶的生物转化过程还未扩展到工业规模,原因是纤维素酶的量和活力都较低,因而不太经济。

所以人们一直在探索寻找高纤维素酶活的途径。

前几年,人们对纤维素酶的研究大多集中于高纤维素酶活菌株的培养、鉴定和筛选上。

近几年来,人们开始对纤维素酶的生理合成机制进行探讨。

一纤维素酶简介

众所周知，纤维素占植物干重的35%～50%，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。

对人类而言，它同时又是自然界中数量最大的可再生性物质，它的降解是自然界碳素循环的中心环节。

纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucanglucanohydrolase或

endo-1,4-β-D-glucanase，EC3.2.1.4），来自真菌的简称EG,来自细菌的简称Cen、外切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucancellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase，EC.3.2.1.91），来自真菌的简称CBH,来自细菌的简称Cex）和β-葡聚糖苷酶（β-1,4-glucosidase，EC.3.2.1.21）简称BG。

内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区,产生不同长度的寡糖和新链的末端。

外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖。

β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。

真菌纤维素酶产量高、活性大，在畜牧业和饲料工作中主要应用真菌来源的纤维素酶。

纤维素和几丁质分子结构图

二纤维素酶的性质

催化纤维素水解的酶。

纯品为白色，溶于水，高温下失去活性。

主要由内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶及β-葡萄糖苷酶三个部分组成，在各组中又可分离出各种分子量不同的亚组分。

纤维素酶可催化纤维素水解，成为低聚合度纤维素和葡萄糖。

可利用它把纤维素发酵制糖、酒精和食品。

用于饲料添加剂，可破解植物细胞壁，提高饲料利用率。

在纺织工业中用于牛仔服的生物水洗，代替传统的石磨工艺；用于棉布的酶减量处理，使织物手感厚实柔软；用于棉麻织物可除去织物表面的毛羽，使外观光洁，减少刺痒感；可增大纤维素无定形区，提供良好的染色条件。

用于中草药可提高其有效成分的提取。

可以提高酒和其他酿造产品的产率。

还可用于蔬菜汁或果汁的生产。

在工业中有很大的实用价值。

可用固体培养法，将含纤维素物质（稻草粉、废纸浆、麦秆、玉米秸粉、麸皮等）添加适当的无机盐类，用孢子液接种、培养、发酵、处理制得；也可用液体深层培养法，采用马铃薯斜面培养基和木霉斜面培养基将纤维素原料、硫铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、蛋白胨、酵母膏、叶温-80、尿素、微量元素进行绿色木霉的斜面培养，将培养出的孢子进行发酵和后处理制得。

纤维素酶并不是一种简单的酶,而是由若干种互相关联的酶组成的相当复杂的酶系。

由于组成的复杂性,使得提纯困难,从而导致人们对其性质的研究很不透彻。

一般说米,纤维素酶主要由三类组份构成：

β一1，4内切葡聚糖酶

β—纤维二糖水解酶,

β—葡萄糖昔酶

β一1，4内切葡聚糖酶,又称一纤维素酶,其底物为梭甲基纤维素一纤维素,中间产物为一些水溶性的纤维寡聚糖,终产物则是葡萄糖与纤维二糖。

纯β一1，4内切葡聚糖酶对晶体纤维素没有水解能力。

β—纤维二糖水解酶从纤维素糖链的非还原端将其水解为纤维二糖单位。

它对无定型纤维素与微晶纤维素有较强作用,对一纤维素无作用,对晶体纤维素效果极弱。

β—葡萄糖昔酶水解纤维二糖和水溶性的纤维寡聚糖形成葡萄糖。

虽然它对纤维素无作用,由于它可以消除上述两种酶催化的反应终产物对反应的抑制作用,从而大大促进反应进程,因此β—葡萄糖昔酶在纤维素酶系中具有非常重要的作用。

纤维素酶系统具有“协同作用”是它的一个显著特点。

所谓“协同作用”,是指几种酶的综合效能远远大于各单个酶作用效能之和。

从传统意义上讲,纤维素酶的来源主要是真菌细菌的纤维素酶和真菌的纤维素酶具有显著不同的性质,它必须在细菌与纤维素相接触的情况下才能水解纤维素。

虽然在培养基中可以发现少量的纤维素酶,但不具活性。

这是因为细菌所产的纤维素酶绝大多数是胞内酶,活力也较低,因此直接从细菌分泌物中提取纤维素酶基本上是不可行的。

但是随着基因工程技术的发展,特别是重组技术的引入,从细菌中生产纤维素酶的可行性日益增加了。

由于细菌具有结构简单、繁殖快等特点,因此它是基因工程的主要材料。

近年来,由于对纤维素酶的基因研究取得了相当大的进展,因此从细菌中提取纤维素酶将可能以其高效性而成为提取纤维素酶的一个重要发展方向。

三纤维素酶的合成

纤维素酶的来源主要有：

（1）真菌：

所有能分解晶体纤维素的真菌，均能或多或少地分泌纤维素酶，所以纤维素酶的真菌源非常广泛。

目前研究和生产中采用的菌种大多是木霉，曲霉和青霉，根霉属和漆斑霉属等。

制成酶制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉、拟青霉和斜卧青霉等的纤维素酶。

（2）细菌：

在目前为人们研究较多的微生物中，细菌类有红黄纤维弧菌、普通纤维弧菌、纤维单胞菌属瘤胃球菌、镰状纤维菌和嗜纤维菌，多囊粘细菌，假单胞菌，荧光极毛杆菌。

　　此外，放线菌中的黑红旋丝放线菌、玫瑰色放线菌和纤维放线菌，一些昆虫、软体动物、原生动物也能产生纤维素酶。

纤维素酶的合成机制为诱导—阻遏机制,它受纤维素降解物—葡萄糖或其他较容易代谢的糖的抑制,使得纤维素酶的结构基因不能表达[2]。

当外源葡萄糖被消耗掉后,纤维素酶才可合成,产生少量酶活。

根据这一点,可筛选抗阻遏菌株,来提高纤维素酶的酶活。

下面介绍一些常用的纤维素酶的合成工艺

1 制取纤维素酶的菌种和方法

纤维素酶［4］来源非常广泛，昆虫、微生物（细菌、放线菌、真菌等）都能产生纤维素酶，通过微生物发酵方法是大规模制备纤维素酶的有效途径。

不同微生物合成的纤维素酶在组成上有显著的差异，对纤维素的酶解能力也不大相同。

由于放线菌的纤维素酶产量极低，研究很少。

细菌的产量也不高，主要是葡聚糖内切酶，且大多数对结晶纤维素没有活性，所产生酶是胞内酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到细胞外，增加提取纯化难度，在工业上很少应用。

而丝状真菌具有产酶诸多优点：

产生纤维素酶为胞外酶，便于酶的分离和提取；产酶效率高，且产生纤维素酶的酶系结构较为合理；同时可产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。

从纤维素酶工业化制备及其应用角度看，研究和采用丝状真菌产酶具有更大意义。

从目前研究进展来看，里氏木霉同时具有较为稳定性状、优质高产纤维素酶的能力和较好“抗代谢阻遏”能力，被认为是最具有工业应用价值菌株。

1.1 产酶菌株选育及诱变育种

利用物理、化学诱变剂单独或复合处理微生物孢子或细胞是选育纤维素酶高产菌种的有效方法。

张苓花等［5］采用康宁木霉W-925、J-931，经过浓度为2%硫酸二乙酯和紫外线（15W、30cm、2min）复合诱变得到产酶活性高的菌种，该菌种糖化力达到2975，滤纸酶活达到531，比出发菌株分别提高100%和81%。

中科院微生物研究所董志扬等［6］用康宁木霉通过γ射线照射和亚硝基胍交替处理，诱变出一株纤维素酶高产菌株T801，与出发菌株相比，其产酶能力提高1.77倍。

青岛海洋大学管斌等［7］通过利用紫外线、亚硝基胍等对里氏木霉进行诱变处理，采用低剂量、反复多次复合诱变处理方法，用“以2-脱氧葡萄糖作为降解产物阻遏物”高效筛选方法，选育得到一株抗分解代谢阻遏的突变株，使纤维素酶活力提高三倍。

1.2  DNA体外重组技术

以得到纤维素酶过量生产为主要目的而进行纤维素酶基因克隆研究，在20世纪80年代十分活跃，在国外已有约80个组分的基因被克隆，但表达、分泌均很弱。

因此已逐渐转向应用基因工程方法组建有新特性的纤维素酶分子［8］。

2 纤维素酶的制取工艺

方法有两种：

即固体发酵和液体发酵。

生产原料有麸皮、秸秆粉、废纸、玉米粉和无机盐等［9］。

2.1 固体发酵法

固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸杆为主要原料，通过接种微生物进行发酵工艺，具有投资少、工艺简单、产品价格低廉优点。

但固体发酵法存在着根本缺陷，其生产纤维素酶很难提取、精制。

目前国内绝大部分纤维素酶生产厂家采用该技术生产纤维素酶时，只能通过直接干燥粉碎得到固体配制剂或用水浸泡后压滤得到液体配制剂，这样所得产品外观粗糙，质量不稳定，杂质含量高。

国内外生产厂家采用固体发酵法时，对木霉纤维素酶的研究较多，而木霉一方面毒性嫌疑大，使之应用受到限制；另一方面普遍存在着β-葡萄糖苷酶活力偏低的缺陷，致使纤维二糖积累，影响了酶解效率。

故有人采用在木霉纤维素酶中添加曲霉的β-葡萄糖苷酶，提高了纤维素酶的降解能力。

鉴于固体发酵的缺憾，随着液体发酵配制剂工艺发展及菌种性能提高，采用液体发酵法生产纤维素酶势在必行。

2.2 液体发酵法

液体发酵生产工艺过程是将玉米秸秆粉碎至20目以下进行灭菌处理，然后送发酵罐内发酵，同时接入纤维素酶菌种，发酵时间约为70h，温度控制低于60℃。

从发酵罐底部通入净化后无菌空气对物料进行气流搅拌，发酵完物料经压滤机压滤、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。

四纤维素酶的应用

纤维素酶的应用极其广泛。

如酿造果汁与蔬菜加工，粮食加工、食品、饲料、造纸、中草药有效成分的提取、植物基因工程和细胞工程，以及纺织工业和废水处理等各个方面。

1在食品工业中的应用

纤维素酶在食品工业应用极为广泛。

如将纤维素酶应用于豆腐生产工艺中，结果表明，在大豆浸渍时添加0.5%～5.0%纤维素酶，可提高4.00%～11.01%豆腐出品率，且所产豆腐色质和风味无明显变化，同时不改变原有生产工艺路线，其经济效益比较明显［10］。

用纤维素酶处理茶叶制备速溶茶，可有效提高速溶茶提取率，具有一定稳定性，制成速溶茶不仅保持茶叶天然的色、香、味和营养成分，且无不溶性渣滓，饮用方便。

纤维素酶应用于果蔬榨汁、花粉饮料有利于细胞内物质渗出、增加出汁率约10%、减少压榨压力、促进汁液榨取和澄清作用。

纤维素酶处理植物可使细胞壁发生不同程度改变，如软化、膨胀和崩溃等，从而可提高细胞内含物提取率，用于处理大豆，不仅可促使其脱皮、增加从豆类中提取优质水溶性蛋白质得率，且还可回收豆渣中蛋白质和油脂。

纤维素酶用于淀粉制造，可缩短时间，增加得率；还有报道称［12］，用纤维素酶结合现代工程技术可改善烟草品质。

白酒酿造所用原料中纤维含量较大，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，再经酵母分解全部转化为酒精，提高3%～5%出酒率，且酒体质量纯正，淀粉和纤维利用率高达90%［13］。

纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油得率，加快发酵速度，改善酱油风味和质量，配制剂用量仅为0.0125%，酱油中还原糖增加10.7%，色度提高4.2%，全氮和原料利用率分别比不加纤维素酶提高8.6%和8.1%［14］。

在食醋酿造过程中，将纤维素酶与糖化酶混合使用，可明显提高原料利用率和出品率；应用于啤酒工业麦芽生产上，可增加麦粒溶解性、加快发芽、减少糖化液中β-葡萄糖含量，改进过滤性能。

2 在饲料工业中的应用

畜禽饲料中含有大量的纤维素，除某些反刍动物具有分解纤维素能力外，大部分畜禽不具此能力。

纤维素酶是畜牧业中的一种新型饲料添加剂，能够分解结构复杂的纤维素，生成易消化物质葡萄糖，摧毁细胞壁释放内容物，便于动物消化吸收。

能够为畜禽体内增加和补充各种消化酶，强化消化系统的酶解功能，增进食欲，促进生长发育。

为了提高饲料的消化率，在配合饲料中添加极少量纤维素酶（一般在0.1%～0.3%）即可收到显著效果。

当用纤维素酶制剂作用裸麦、大麦、玉米时，可使糖的总氮量明显增加。

在青贮饲料中加纤维素酶使纤维素分解促进乳酸发酵，这样处理后的青贮饲料，比对照柔软，曲香味明显提高，酸度和还原物质随纤维素减少而增加。

另外加纤维素后，由于纤维素被消化，乳酸发酵提高，贮存性能也提高。

在饲料中添加纤维素酶后，喂幼鸡、仔猪及一般虚弱动物时，喂养效果明显，喂蛋鸡可提高产卵量，喂乳牛时，不仅可以使体重增加，而且提高产乳量。

3 在水产业中的应用

鱼虾类不具备分泌纤维素分解酶的能力，不能直接利用粗纤维，但是鱼虾类饲料中含有适量的粗纤维是维持消化道正常功能所必需的。

适量的纤维素能促进肠道蠕动，刺激消化酶的分泌，扩大食物团与消化酶的接触面。

研究表明，饲料中纤维素还有降低血清胆固醇的作用。

而纤维素成分过多，食糜通过消化道速度加快、消化时间缩短、导致蛋白质和多种矿物质元素吸收利用率下降，排泄物增多，进而会污染水质，破坏鱼类生长环境，导致鱼类生长速度和饲料效率下降。

鱼虾类消化道中的微生物能分泌一定的纤维素酶，将鱼类摄入饲料中的粗纤维中的半纤维素、纤维素分解成纤维二糖、三糖等短链低聚糖并最终以葡萄糖的形式为鱼类消化道吸收、利用。

吸收后的单糖在肝脏及其他组织进一步氧化分解，并释放出能量，或被用于合成糖原、体脂、氨基酸，或参与合成其他生物活性物质。

4 在洗涤剂工业中的应用

近年来，碱性纤维素酶在洗涤剂上应用改变传统去污机制。

酸性纤维素酶对木质素作用是一个糖化过程，在多种组分协同作用下能得到更多最终产物葡萄糖；而碱性纤维素酶是一种组分的内切葡萄糖苷酶，主要与棉纤维中仅占10%左右非结晶区纤维素分子起作用，碱性纤维素酶可选择性吸附在棉纤维非结晶区，使棉纤维膨松，水合纤维素分解，胶状污垢脱落。

沈雪亮等从废纸浆中选育一株芽抱杆菌，该菌产羧甲基纤维素酶能力很强，显示重要工业应用价值，具有良好应用前景。

5在麻棉混纺织物后整理中的应用

天然纤维如棉、麻等纺织品具有较强的吸湿、透气性，倍受消毒者青睐。

但棉、麻及其混纺布料上存在细毛，与皮肤接触时会产生刺痒感，因此近几年来，利用纤维素酶进行生物整理越来越受到纺织界的重视。

利用纤维素酶进行酶处理，能使麻、棉表面剥离和纵向复合细胞间层侵蚀，使纤维梢丝束化或脱落，能极大地降低对皮肤的刺痒，提高棉麻织物的服用性能及产品的档次。

6 其它方面

纤维素酶在造纸、地质钻井、草药提取等方面均有很大应用潜力。

用纤维素酶适当处理纸浆，能增加微细纤维生成量和提高保水度，有可能促进某些纸张抗张力提高。

此外，纤维素酶还应用于医药行业制消化剂等。

五纤维素酶的展望

纤维素是自然界中十分丰富的资源，纤维素酶具有高效性和安全性，我国对纤维素酶的主要研究方向是用于食品和酿造领域。

自20世纪80年代以来，纤维素酶菌种产酶能力和生产技术水平都有较大提高，90年代后建成一些纤维素酶生产厂。

我国是一个饲料资源十分紧张的国家，土地少、人口多，人畜争粮的矛盾十分突出。

要保持我国饲料工业和畜牧业的持续发展，必须解决好饲料问题，否则将严重制约其发展。

纤维素是自然界中十分丰富的资源，是800-1200个葡萄糖分子聚合而成。

因此，可通过微生物发酵充分利用农副产品下脚料、秸秆、糠生产纤维素酶添加剂，用于提高畜禽生产性能，提高饲料利用率，改善饲料的营养价值，降低饲料成本和提高经济效益，具有广阔的开发前景，今后应进一步加强纤维素酶研究和开发工作。

主要有如下几方面：

1、进一步加强纤维素酶的作用机制研究。

　　纤维素酶应用于饲料，作用于动物消化道，其机制尚未清楚。

从理论上决定其添加量还很困难，目前只能从实验结果来决定，受影响因素很多，往往效果不够理想。

对于单用多种原料的纤维素酶最佳添加量也研究不多，这将严重制约纤维素酶的推广应用。

2、酶的产量和活性都不高，成本偏高。

　　今后应加强菌种选育和发酵工艺等基础研究工作，以提高其产量和活性，特别是要注意利用DNA基因重组技术的应用，来选育出活性高、产酶量大的菌种。

3、加强纤维素酶检测方法研究。

　　虽然纤维素酶的检测方法很多，但真正能适合饲料的检测方法还没有，这给实际应用工作带来困难，如无法比较不同厂家的产品质量，确定纤维素酶添加量也很困难，应组织有关力量，制订出统一的检测方法标准，供生产中应用。

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