纤维素酶的生产及应用进展

纤维素酶的生产及应用进展生命科学学院08生物工程二班邢鹏飞20083003摘要：纤维素是地球上最丰富的可再生的生物质资源，它占植物干重的35%〜50%，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物，它的降解是自然界碳素循环的中心环节。纤维素的利用与转化对于解决目前世界能源危机、粮食短缺、环境污染等问题具有十分重要的意义。自从纤维素酶被人类认识和利用以来，它在许多行业都发挥着重要的作用。目前纤维素酶的应用最多的要数饲料工业和食品工业，本文就对纤维素酶的性质、生产及在工业中的应用进展进行了综述。关键词：纤维素酶生产应用引言纤维素是植物细胞壁的主要构成物质之一，在自然界的有机物中，纤维素储存量最多，是分布最广、含量最丰富的可再生碳源化合物。每年光合作用可产生100亿余吨的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素。然而，这部分资源目前尚未得到充分的开发利用，造成了资源及能源的巨大浪费。要利用纤维素必须首先将其分解。如果用纤维素酶将纤维素转化为葡萄糖，将给人类提供新的资源，同时也解决了纤维素的浪费问题。一、 纤维素酶的特性纤维素酶在自然界分布极为广泛，昆虫、软体动物、高等植物、细菌、放线菌和真菌都能产生纤维素酶。反刍动物的瘤胃以及猪大肠中也有分解纤维素的细菌存在。纤维素酶不是单种酶，而是起协同作用的多种酶系。可分为以下三类：第一类是C1酶，也称为纤维二糖水解酶(Cellobiohydrolase)，它能够作用于纤维素中分子排列整齐的结品区，也能作用于分子排列不整齐的非结品区。第二类是Cx酶，也称P-1，4-葡聚糖酶，它能水解溶解的纤维素衍生物或无定形纤维素，但不能作用于结品纤维素。它包括两种酶，外切P-1，4-葡聚糖酶(EC3.2.1.91)和内切。-1，4-葡聚糖酶(EC3.2.1.4)。前者从纤维素的非还原性末端逐个地将葡萄糖水解下来，并将其构型从。-型转变成a-型；而后者以随机的方式从纤维素链的内部将它裂开，它作用于较长纤维素链，对末端的敏感性比中间键小，并不改变产物的构型。第三类是。-葡萄糖苷酶(EC3.2.1.21)，作用于纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖［1］。二、 纤维素酶的来源及生产2.1纤维素酶的来源纤维素酶的生产原料极为丰富。来源非常广泛，昆虫、细菌、放线菌、真菌等都能产生纤维素酶。一般以优质干草、麦皮、蔗渣等为原料，加入适量无机盐，利用多种菌种，分别进行发酵，最后混合而成。2.2产酶菌纤维素酶的产酶菌很多，主要有细菌、放线菌和丝状真菌。其中丝状真菌具有产酶的诸多优点:产生的纤维素酶为胞外酶，便于酶的分离和提取；产酶效率高，且产生的纤维素酶酶系结构较为合理；同时可产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。从纤维素酶的工业化制备及其应用的角度，研究和采用丝状真菌产酶具有更大的意义［2］。工业生产的纤维素酶主要由真菌产生，如木霉(Trichodermasp)、青霉(Penicilliumsp)、曲霉(Aspergillussp)以及腐质霉(Humicolasp)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.reeseiQM6a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。2.3发酵制备纤维素酶的方法纤维素酶是诱导酶，发酵过程中纤维素酶的大量合成必须有诱导物的作用。纤维素、纤维低聚糖及其他结构类似物均可作为纤维素酶的诱导物。因此，用于纤维素酶发酵制备的培养基，首先必须加入这些物质。为降低成本，简化诱导物的制备工艺，通常采用富含这些物质的原料(包括植物纤维原料、各种酒糟、乳糖、淀粉水解糖等)作碳源，使产酶过程中充当碳源的物质同时起着诱导物的作用。除碳源外，还要加入适当的氮源，同时注意碳氮比的合理搭配，因为低碳氮比将导致培养初期菌体的过快生长和对碳源消耗过快，高碳氮比将由于氮源不足而出现菌生长繁殖太慢。纤维素酶发酵制备的方法主要有两种，即固态发酵法和液态发酵法。2.3.1固体发酵法固体发酵法以玉米、稻草等植物秸秆为主要原料生产纤维素酶。该法投资少，工艺简单，产品价格低廉。然而固体发酵法存在着根本上的缺陷一一不可能像液体发酵那样随着规模的扩大，大幅度降低成本。以秸秆为原料的固体发酵法生产的纤维素酶很难提取和精制。目前生产厂家只能采用直接干燥、粉碎来得到固体酶制剂，或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，产品外观粗糙，质量不稳定，杂质含量高；劳动强度大、生产效率低；易污染杂菌。国内外对木霉纤维素酶的研究较多，但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0-葡萄糖昔酶活力偏低的缺陷，致使纤维二糖积累，影响了酶解效率】3］。2.3.2液体发酵法液体发酵生产时，将原料送入发酵罐内发酵，同时接入纤维素酶菌种。发酵过程中，需要从发酵罐底部通入无菌空气对物料进行气流搅拌，发酵完后的物料经过处理可得到纤维素酶产品。液体发酵法生产纤维素酶，原料利用率高，生产条件易控制、产量高、劳动强度小、产品质量稳定，但动力消耗大，设备要求高。液体深层发酵的方法具有培养条件容易控制，不易染菌，生产效率高等特点。因此，目前此方法是大规模生产的可行方法。其生产工艺过程是将玉米秸秆粉碎至20目以下，进行灭菌处理后，送发酵釜内发酵，同时加入纤维素酶菌种，发酵时间约为70h，控制温度低于60°C，将净化后的无菌空气从釜底通入，进行物料的气流搅拌，发酵完的物料经压滤机压滤、超滤浓缩、喷雾干燥，制得纤维素酶产品。其流程为：空气一过滤!原料一发酵罐一浸泡一粗滤一超滤提取一成品t种子一摇瓶（床）W。2.4分离提纯方法粗纤维素酶液的提纯可采用蛋白质提纯的常用技术，包括热失活分离提纯法、分级沉淀法、层析法、离子交换法和超滤法等。工业生产纤维素酶粗酶制剂常采用硫酸铵盐析法、酒精沉淀法及单宁沉淀法等。三、纤维素酶的作用机理研究人员对纤维素酶使纤维素转化为葡萄糖的过程提出了不同看法。1950Reese对纤维素酶的作用方式提出了著名的C1-Cx假说，并得到大多数人的支持。C1-Cx理论要点是C1酶首先作用于结品纤维素，使其改变成可被Cx酶作用的形式，Cx酶随机水解非结品纤维素，即可溶性纤维衍生物和葡萄糖的。-1，4-寡聚糖，。-葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖（如图所示）。四、纤维素酶的应用纤维素酶可广泛用于食品、纺织、饲料、酿酒、石油勘探、中药成分提取等众多领域，特别是在纺织、洗涤、造纸和生物能源等工业应用上具有重要地位。4.1纤维素酶在食品工业中的应用大多数果蔬材料中不同程度地含有纤维素，在果蔬加工过程中采用纤维素酶作适当处理，可以使植物组织软化，改善口感，简化工艺。万日余等研究纤维素酶在草莓汁生产中的应用，出汁率提高了9.2%，草莓汁中糖分增加2%，而且压榨时间缩短5分钟】5】。4.1.1果实和蔬菜加工在水果和蔬菜加工过程中采用纤维素酶适当处理，可使植物组织软化膨润，能提高可消化性和口感。在制备脱水蔬菜如胡萝卜、土豆等时，经适当纤维素酶处理后再干燥脱水，可改进脱水蔬菜的烧煮性和复原性。另外，利用纤维素酶对纤维素类物质的降解，可促进果汁的提取与澄清，能提高可溶性固形物的含量，并可将果皮渣综合利用。目前已成功地将柑橘皮渣酶解制取全果饮料，其中的粗纤维有50%降解为短链低聚糖，全果饮料中的膳食纤维，具有一定的保健医疗价值。采用纤维素酶水解法对海藻粉进行前处理可以提高海藻脂质的抽提率，充分获取海藻中的脂质资源，同时降低生产成本[6】。4.1.2油料作物加工纤维素酶在油料作物加工中也起非常重要的作用。传统上一直采用压榨法或有机溶剂法生产油类产品，产品质量差、产量低、操作时间长，同时不可避免有机溶剂残留。酶处理法代替有机溶剂法，一方面可以提高油的产量和质量；另一方面，控制酶反应条件，使生产加工在较温和的条件下进行，可以避免剧烈条件对产品质量的影响。因此在农产品加工领域采用酶技术，不仅能提高主产物的产量，还能减少副产物的生成和降低废物处理费用】7】。4.1.3在酿酒中的应用纤维素酶应用于制酒工业，在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒的出酒率和原料的利用率、降低醪液的粘度、缩短发酵时间，若使用野生植物的淀粉作为发酵工业原料，添加纤维素酶对原料利用率的提高更明显。自20世纪60年代以来，我国有不少单位对此开展了大量的研究与试验，以高梁、玉米、山芋、木薯和地瓜为原料，采用纤维素酶固体曲0.3%-20%，提高出酒率，最高达10.8%[8】。4.1.4酱油的酿造在酱油的酿造过程中添加纤维素酶，可使大豆类原料的细胞膜膨胀软化破坏，使包藏在细胞中的蛋白质和碳水化合物释放，这样既可提高酱油浓度，改善酱油质量，又可缩短生产周期，提高产率。另外，采用纤维素酶和黄曲菌混合制曲，可提高酱油的氨基酸、全氮、无盐固形物含量和产出率】9】。4.2纤维素酶在饲料工业中的应用近年来，国内外利用真菌纤维素酶成为提高畜禽生产性能和饲料利用率的重要措施之一。纤维素酶是畜牧业中的一种新型饲料添加剂，在难以消化的动物饲料中用微生物方法获得的纤维素酶，改进了动物饲料的利用性，能使畜禽最大限度地利用饲料，减少饲料消耗，降低饲料成本，减少了禽畜消化道疾病的发生。此外，由于纤维素酶具有水解塑料粗纤维的功能，进而提高了饲料的利用价值。酶制剂作为家畜饲料添加剂已引起越来越多的关注。用于制作酶剂的酶有多种，由于家禽家畜一般难消化利用纤维素和半纤维素，因此，纤维素酶在饲料酶制剂中应用最为普遍。使用饲料纤维素酶制剂，可以促进动物的消化吸收，大大提高动物对饲料的利用率。4.3纤维素酶在纺织工业中的应用目前，在纺织后整理工艺上，利用纤维素酶对亚麻、萱麻、牛仔服、灯芯绒、丝绸及其混纺织品进行生物整理即酶降解整理，可使强力适当下降的同时，表面变得光滑，织物获得膨松，手感厚实柔软，还可以提高织物的悬垂度、回弹性及列整度。纤维素酶的用量在0.5%〜3%，即可达到满意的整理效果。4.4在洗涤剂工业中的应用碱性纤维素酶在洗涤剂上应用改变传统污机制。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组分的内切葡萄糖苷酶，主要与棉纤维中仅占10%左右非结品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品区，使棉纤维膨松，水合纤维素分解，胶状污垢脱落。同时，纤维素酶可以把堆积在一起的微纤维分散开从而使衣物的表面变得光滑和平坦。由于微纤维的分散，微纤维之间所携带的脏的微粒也可以同时被去除，这样就可以进一步增加衣服的亮度和柔软度[10】。4.5在石油开采中的应用我国石油资源丰富，目前很多油田已进入了中后期开采。为了增加石油产量，现常采用带压力的压滤液压入地层内，以维持地下裂缝，保持地下压力。用纤维素酶制成的一种酶剂是较适宜的破乳剂。酶制剂作为破乳剂，专一性强，无副作用，对地层和环境无污染。纤维素酶还广泛应用于地质钻井中，其洗井用量为0.1-1kg/m3孔段体积，它能在静压下使淤塞在井壁内冲洗液中的魔芋聚糖催化水解为单糖，快速恢复岩层的透水性质，提高洗井质量[11】。五、发展前景随着人们对纤维素酶研究工作的深入，纤维素酶必将在食品、饲料、环境保护、能源和资源开发等各个领域中发挥越来越大的作用。如何加大对纤维素酶研究和开发的科技投入和经费投入，改变目前规模小、工艺设备落后、菌种酶活低、生产成本高、生产技术水平低下的现状，尽快采用各种行之有效的高新技术，发展具有中国自己知识产权的新酶种、新产品、新剂型，满足市场的需求是当务之急。同时，动物纤维素酶与微生物酶系有所不同，作为一个新的纤维素酶体系，它的研究也具有重大的理论价值，因此，可能成为纤维素酶研究的热点。参考文献：[1】高伦江，董全，唐春红.纤维素酶的研究进展及前景展望.江苏食品与发酵[J],2007(04):14-17.[2】陆筑凤，郭坤亮，李超，秦广利，陈岩.纤维素酶及其在酒精工业中的应用.酿酒科技[J].2008(1):98-101.[3】宋京城，蔡健.纤维素酶在食品工业中的应用.农产品加工学刊[J].2010(3):69-71.[4】马威，赵晓军.纤维素酶的生产及应用.科技创新导报[J].2007(33):4.[5】李西腾.纤维素酶及其在发酵食品工业中的应用.生产与技术[J].2009(04):33-41.[6】宋京城，蔡健.纤维素酶在食品工业中的应