纤维素酶的研究进展

关于纤维素酶的研究进展能源危机

高油价，石油、天然气等不可再生资源的极度使用，在未来200年内面临着枯竭。开发可再生能源迫在眉睫。粮食紧缺

全世界饥饿人口：世界上大约有8.42亿人无法获得维持身体健康所需的足够的粮食。环境危机与资源浪费

作物的秸秆(1.5×1012T/年)，大部分以焚烧的形式被处理掉，造成大量资源的浪费和环境污染。

背景第2页,共26页，2024年2月25日，星期天可利用资源第3页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素

纤维素(Cellulose)：是由D-吡喃型葡萄糖基经β-1,4糖苷键联结而成的直链多糖直链状大分子纤维素折迭起来，形成具有高结晶的基本构成单位，由这种基本构成单位集中起来构成微小的结构单位，再由很多的微小单位构成纤维素。

纤维素(Cellulose)是植物细胞壁的主要组分之一,占植物秸秆干质量的40%～50%。第4页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素的结构

天然纤维素由排列整齐而规则的结晶区和相对不规则、松散的无定形区构成，其结晶度一般在30%~80%之间。

在植物细胞壁中，纤维素分子聚集成致密的纤维丝，包埋在半纤维素和木质素形成的保护层里，形成复杂的网状结构。第5页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶

纤维素酶：指由生物产生的一种多组分的混合蛋白质，在适当的条件下，能使不溶性纤维素材料水解成可溶性糖的生物催化剂的总称。

纤维素酶的结构催化活性中心两个具有独立活性的结构域:具有催化功能的结构域(Catalyticdomain,CD),

具有结合纤维素功能的结构域(Cellulosebindingdomain,CBD),两者之间由一段高度糖基化的linker相连。整个分子呈楔形.第6页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶的来源

真菌(mainly)：

木霉属(Trichoderma)、曲霉属（Aspergillus）和青霉属(Penicillium），如绿色木霉菌(Trichodermaviride),康宁木霉菌(Trichodermakoningii),黑曲霉（Asp.niger），绳状青霉、变幻青霉等.

细菌:

好氧菌：如纤维单胞菌属（Cellulomonas）、纤维弧菌属（Cellvibrio）、噬胞菌属（Cytophaga）厌氧菌：厌氧性的芽孢梭菌属（Clostridium）、产琥珀酸拟杆菌（Bacteroidessuccinogenes）、牛黄瘤胃球菌（Ruminococcusflavefaciens

）、白色瘤胃球菌（

R.albus

）、溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibriofibrisolvens）等超古菌：激烈火球菌(Pyrococcusfuriosus)等.

放线菌:好氧放线菌(Actinomycetales)：生二素链霉菌(Streptomycesambofaciens)

高温单孢菌属(Thermomonospora):弯曲高温单孢菌(Thermomonosporacurvata)及假诺卡氏菌属等

植物、动物及原生动物(little):

蜗牛(snail),蟑螂(cockroaches)等.

第7页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶的性状真菌纤维素酶：以水解酶机制和氧化酶机制降解纤维素；细菌纤维素酶：形成多酶复合体结构又称纤维小体(Cellulosome)而起作用。能够更加彻底有效降解天然纤维素。白色，溶于水，高温失活：最适温度在45～65℃之间，受二苯乙烯苷、葡萄糖酸-1,5-内酯等抑制

产纤维素酶菌种的特点第8页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶的作用机理外切葡聚糖酶内切葡聚糖酶β-葡萄糖苷酶根据酶的作用方式纤维素酶分为：纤维素酶

以上几种酶相互协同作用β-1，4-内切葡聚糖酶（Endo-β-Glucanase，简称EG,Cx）,主要作用于无定形纤维素,水解产生纤维糊精,纤维寡糖.β-1,4-外切葡聚糖（纤维二糖水解）酶（Cellobiohydrolase，

CBH,C1

）,主要作用于结晶纤维素,产生纤维二糖.β-葡萄糖苷酶（β-Glucosidase，βG）,水解纤维二糖为葡萄糖。第9页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素的水解过程

第10页,共26页，2024年2月25日，星期天3.1.纤维素酶的应用第11页,共26页，2024年2月25日，星期天食品生产酿酒：在酿酒原料中加入高效纤维素酶，或者将高效耐受性好的纤维素酶基因克隆到酿酒酵母中，以此来增加酿酒过程中对原料的利用率。酿制酱油：一方面分解原料中的天然纤维素,二方面破坏酿造原料中谷物的细胞壁,三方面协助米曲霉酶系起作用。第12页,共26页，2024年2月25日，星期天造纸1.纤维素酶法废纸脱墨降低能耗，减轻环境污染，脱墨效率高于化学脱墨。2.纤维素酶法处理改善纸浆性能改善纸浆磨浆性能和滤水性能。3.纤维素酶法处理改善纤维成纸性能提高成纸抗张系数。4.纤维素酶能抑制导管的脱落脱落的导管微粒影响成纸性能。5.纤维素酶法预处理硫酸盐浆降低纸浆卡伯值。抑制导管脱落纤维素酶处理硫酸盐浆废纸脱墨改善纸浆性能改善成纸性能第13页,共26页，2024年2月25日，星期天医药

虽然目前纤维素酶用于植物药效成分提取的研究尚不多见,但得出的结果比较一致,即酶解预处理能明显提高植物药有效成分的提取率。中药破壁提取金银花绿原酸提高26%三七总皂甙提高24%银杏叶中提取黄酮提高56%第14页,共26页，2024年2月25日，星期天纺织工业

利用纤维素酶对纤维素纤维织物进行生物处理,即酶降解整理,可使纺织物的硬度适当下降的同时,使织物表面变得光滑，织物获得蓬松,手感厚实柔软,增大了纤维素的无定型区。纤维素酶石磨水洗的牛仔裤第15页,共26页，2024年2月25日，星期天洗涤剂工业

碱性纤维素酶在洗涤剂工业上的成功应用,改变了传统的去污方法,建立了一套新的去污机制,提高了洗涤效果,并有柔软、增艳等作用,被洗涤剂工业称之为一次技术革命。加酶洗衣剂第16页,共26页，2024年2月25日，星期天畜牧业的应用

纤维素是自然界中十分丰富的资源，可通过用纤维素酶来有效利用农副产品的脚料秸秆和糠类来作为饲料，进而提高畜禽的生产性能，提高饲料的消化率和利用率，改善饲料的营养价值，提高经济效益，故而纤维素酶具有广阔的发展前景!纤维素酶、果胶酶、淀粉酶第17页,共26页，2024年2月25日，星期天

纤维素乙醇sugarsolution

fermentation

DistillationDehydration

95%alcoholover99.5%ethanolpretreatment

Cellulosematerialcellulolysis

cellulase第18页,共26页，2024年2月25日，星期天3.2现阶段国内外纤维素酶的研究进展第19页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶产生菌的筛选

纤维素酶一般产自腐生微生物，许多植物的病原体也会表达纤维素酶。大多纤维素酶产生菌都是从诸如森林土、温泉、堆肥、污水、动物粪便、反刍动物的瘤胃。而产纤维素酶的真菌更受青睐，因为它能将纤维素分泌至胞外。

目前，嗜热的、抗极端pH的产纤维素酶的菌体已在商业中得到了应用。近几年嗜冷性产纤维素酶菌也得到了一定的关注。第20页,共26页，2024年2月25日，星期天第21页,共26页，2024年2月25日，星期天在微生物宿主中纤维素酶的异源表达

由于利用纤维素酶的降解作用进行纤维素的生物转化有着广阔的前景，自70年代末就开始了纤维素酶基因的克隆。大肠杆菌和芽孢杆菌是最常用的重组蛋白表达平台。酵母是真菌中最长用的表达系统。此外用丝状真菌和植物中作为表达载体也有相应报导。第22页,共26页，2024年2月25日，星期天第23页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维素酶及其酶的编码基因的专利第24页,共26页，2024年2月25日，星期天展望