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纖維素酶及其應用現狀
時間:2022-09-17
     纖維素酶是一類結構復雜且具較高活性的生物催化劑,自1906年纖維素酶被發現以來,纖維素酶的研究和應用就引起了國內外學者的興趣和廣泛關注,尤其是在當前世界面臨著能源危機和環境壓力的情況下,如何更加有效地發揮微生物纖維素酶的作用來分解和轉化自然界中儲量巨大的纖維素物質成為能源物質對解決資源、環境問題以及人類社會的可持續發展具有重大的現實意義。纖維素酶的研究歷經了上百年,取得了很大進展,已經在食品、飼料、紡織、生物質能源開發等多個領域得到了廣泛應用,并取得了一定的效果。
     1.纖維素酶
     1.1纖維素酶的組分及作用類型 纖維素酶是一類能夠將纖維素降解為葡萄糖的多組分酶系的總稱,它們協同作用,分解纖維素產生寡糖和纖維二糖,終水解為葡萄糖。
     一個完整的纖維素酶系通常由作用方式不同的3類酶組成:內切葡聚糖酶(endo-1,4-β-D-glu-canase,EC3.2.1.4,來自真菌的簡稱EG,來自細菌的簡稱Cen)或稱為Cx酶,這類酶作用于纖維素分子內部的非結晶區,隨機水解1,4-糖苷鍵,產生大量的有非還原端的小分子纖維素;外切葡聚糖酶(exo-1,4-β-D-glu-canase,EC3.2.1.91,來自真菌的簡稱為CBH,來自細菌的簡稱為Cex)或稱為C1酶,這類酶主要作用于纖維素線狀分子的末端,水解β-1,4-糖苷鍵,每次切下一個纖維二糖分子;β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,EC3.2.1.21,也稱BG或纖維二糖酶),它的作用是水解纖維二糖及低分子量的纖維寡糖生成葡萄糖。
     纖維素酶系可分為完全酶系和不完全酶系,其中能夠降解無定性纖維素和結晶纖維素的酶系稱為完全酶系或全值酶系,僅能降解無定性纖維素的酶系稱為不完全酶系或低值酶系,不同種類的微生物所形成的纖維素酶系之間在組分的種類和性質上均有很大差異。
     1.2纖維素酶的作用機理 纖維素酶使纖維素轉化成葡萄糖的機理和詳細過程至今仍不十分清楚,但是,被普遍接受的理論主要有3種:協同理論(Synergism),原初反應假說(Initialdegrading)和碎片理論(Fragmentation),其中以協同理論為廣泛接受。該理論認為是內切葡糖酶首先進攻纖維素的非結晶區,形成外切纖維素酶需要的新的游離末端,然后外切纖維素酶從多糖鏈的非還原端切下纖維二糖單位,β-葡萄糖苷酶再水解纖維二糖單位形成葡萄糖,一般來說協同作用與酶解底物的結晶度成正比,當酶組分的混合比例與霉菌發酵濾液各組分相近時,協同作用明顯。
     協同作用是纖維素酶系的重要的特征之一,并且這種協同作用比較復雜,不僅內切—外切酶之間具有協同作用,不同的外切酶及不同的內切酶之間也有協同作用。不僅酶系中各組分存在協同作用,酶與其他物質或微生物間亦存在較強烈的協同作用,其中內切—外切酶之間的協同作用是纖維素酶之間的主要協同作用方式。
     1.3產纖維素酶的微生物 微生物是纖維素酶的主要來源,包括細菌、真菌和放線菌等,種類繁多,據不完全統計,大約有53個屬的幾千個菌株。細菌類主要有纖維粘菌屬(Cytophag)、生孢纖維粘菌屬(Sporocytophag)、絲狀桿菌屬(Fibrobacter)和芽孢桿菌屬(Clostridium)等,代表菌種有熱纖梭菌(Clostridiumthermocellum)、嗜酸纖維分解菌(AcidathermusCelluloluticus)、嗜堿纖維單胞菌(Cellu-lomonasfimi)和褐色熱單孢菌(Thermomonosporafusca)等。真菌類有木霉屬(Trichoderma)、曲霉屬(Aspergillus)、青霉屬(Penillium)、根霉屬(RhizopusEhrenberg)、漆斑霉屬(Myrothecium)和枝頂孢霉屬(Acremonium)等絲狀真菌,代表菌種有綠色木霉(Trichodermaviride)、康氏木霉(Tri-chodermakoniggii)、黑曲霉(Aspergillusniger)、繩狀青霉(Penicilliumfuniculosum)、變幻青霉(Penicilliumvariabile)、變色多孔霉(Polyporusversicolor)等。放線菌類主要有鏈霉菌屬(Streptomyces)、高溫放線菌屬(Thermoactinomycete)和彎曲熱單孢菌(Theremomonosporacurvata)等。目前研究較多的是真菌和細菌,對放線菌研究的相對較少。
     細菌產生的纖維素酶的量較少,主要為內切酶,且多數不能分泌到胞外,而真菌所產生的纖維素酶具有酶譜較全、活力較高的特點,且一般分泌到胞外。放線菌產生的纖維素酶活性較高,且結構簡單,為單細胞,便于遺傳分析,因而,放線菌纖維素酶的研究也越來越受重視。細菌和放線菌主要產生中性和堿性纖維素酶,往往具有耐熱耐堿的特點,堿性纖維素酶在洗滌劑工業中有良好的應用價值。而真菌產生的一般為酸性或中性偏酸性纖維素酶。

     現已制成制劑的有綠色木霉、黑曲霉、鐮刀霉(Fusari-um)以及擬青霉(Paecilomyces)和斜臥青霉(Penicilliumde-cumbens)等生產的纖維素酶。


     1.4纖維素酶的生產 纖維素酶的生產一般采用微生物發酵方法,包括固體發酵和液體深層發酵2種方法。生產原料有麩皮、秸稈粉、玉米粉和廢紙等。
     液體發酵法節省勞動力,適合于大規模工業化生產,美,日等發達國家的大規模生產都采用這種方法,固體發酵法具有投資少、工藝簡單等優點,而液體發酵法的培養周期比較長,另外,液體發酵法產生的水分多,這使得后處理的成本更高。但固體發酵法所生產的纖維素酶很難提取和精制。
     現在的生物床及固定化細胞等技術應用于纖維素酶的生產,這2種方法是固體發酵與液體發酵的融合,集中了固、液發酵的優點,因此,更適于規?;a。通過發酵生產的纖維素酶,經過鹽析、離心、超濾、層析等方法,可得到純化的纖維素酶。
     2 纖維素酶的應用
     2.1在食品工業中的應用
     2.1.1植物性農產品的加工 在食品工業中植物性農產品是其主要原料,而一般植物性農產品的細胞壁中都含有纖維素。恰當地使用纖維素酶處理,可使細胞壁結構發生不同程度的變化,從而提高細胞壁的通透性,軟化了植物組織,終達到提高細胞內含物(如蛋白質、淀粉、油脂、糖等)的提取率;改善了食品品質,同時又簡化了食品加工工藝。如李瑞豐在小麥淀粉生產過程中添加纖維素酶,提高了純蛋白收率和淀粉干基及設備利用率,降低了用水量,同時解決制糖時存在的過濾問題,明顯提高了谷氨酸發酵產酸率和糖酸轉化率,使生產成本大大降低。
     宋朝霞以脫脂豆粕為原料提取大豆低聚糖,采用微波和纖維素酶分別對脫脂豆粕進行預處理,發現微波處理后大豆低聚糖的提取率有所下降,而經纖維素酶處理后,低聚糖的提取率有顯著提高。羅倉學等研究了纖維素酶提取辣椒中辣椒堿的工藝。通過酶解處理后的辣椒堿產量為3.096mg/g,比傳統的乙醇提取法提高了約16個百分點,而且該法提取辣椒堿時間短、溫度要求低,操作簡單。
     2.1.2飲品和調味品的釀造 纖維素酶可將纖維素降解生成可發酵性糖,因此,纖維素酶在飲品和調味品的釀造中廣泛應用。胡賢春等利用纖維素酶來浸提苦丁茶,發現隨著纖維素酶濃度的增加,苦丁茶中氨基酸、水溶性糖、水浸出物的含量上升,纖維素含量下降。當纖維素酶濃度為0.30%,茶水比為1∶40,浸提時間為40min時,苦丁茶的浸提效果較佳。謝玉鋒等在木薯粉中添加纖維素酶可以把木薯粉里的纖維素轉化為可發酵性糖,提高原料出酒率。呂偉民在玉米淀粉糖化時加入纖維素酶,淀粉出酒率可提高1.2個百分點,發酵周期可提前6h。施安輝等對乾氏曲霉纖維素酶在醬油和食醋釀造中的作用進行了研究,在醬油生產中添加0.1%,成品中全氮、氨基酸態氮、還原糖、總酸、無鹽固形物分別提高了39.5、11.9、20、33.3和12個百分點,并且風味明顯優于不加纖維素酶的產品。在固體倒缸醋的釀造過程中,分別添加0.1%和0.2%的乾氏曲酶纖維素酶,試驗醋的感官和理化指標均優于對照組,且產量分別提高了4.6和15.7個百分點。
     此外,纖維素酶還可以用在醬油糟的利用上,在質量分數為2.5%的醬油糟中加入1%的纖維素酶,一定條件下,作用18~24h,能使糟中30%~40%的含氮物質溶出,過濾后,濾液具有和醬油同樣的香味。
     2.2在飼料工業中的應用 畜禽飼料中含有大量的纖維素,除某些反芻動物具有分解纖維素能力外,大部分畜禽不具此能力。纖維素酶應用于飼料工業,主要是用作飼料添加劑。該酶主要有三個方面的作用:(1)破壞植物細胞壁,釋放胞內養分;(2)補充動物內源酶的不足,激活內源酶的分泌;(3)減輕或消除飼料抗營養因子。大量試驗研究表明,飼料中添加纖維素酶對各種動物的飼喂效果十分顯著。
     周娟等研究了飼料中添加纖維素酶對肉仔雞生產性能和營養物質利用的影響,結果表明:添加纖維素酶的飼料能明顯提高肉仔雞的體重,分別是對照的1.13和1.56倍;料重比分別降低了10.79和18.26。吳桐忠研究了秸稈中添加纖維素酶對羔羊增重效果的影響,試驗組比對照組羔羊全期日增重提高35.27、30.29、31.47和28.46個百分點,且差異顯著。王照忠等用纖維素復合酶飼喂奶牛實驗表明,纖維素復合酶可明顯提高奶牛的消化率。王平等研究了日糧中添加纖維素復合酶對育肥綿羊生長和消化性能的影響,結果表明:添加纖維素復合酶對育肥綿羊生長有顯著的促進作用,可提高日增重43.98個百分點,降低料重比30.55個百分點。高春生等在草魚飼料中添加0.1%的纖維素酶,結果發現纖維素酶能有效地提高草魚飼料的營養物質消化率,降低餌料系數,提高飼料利用率。
     2.3在紡織工業中的應用 在紡織工業上,利用纖維素酶可以對纖維素纖維織物進行減量、石磨水洗和生物拋光等優化加工。
     2.3.1減量處理 減量處理主要是改善織物的柔軟、彈性和懸垂性。從目前纖維素處理纖維素織物形成的減量看,減量可以分為化學減量和物理減量,化學減量是纖維素酶催化水解纖維素成為葡萄糖而使織物達到減量,而物理減量是非化學催化水解(表面纖維剝離)造成的減量。由于減量處理也會使織物的重量減輕,強 力下降,研究證實,減量率控制在3%~5%,就能使織物有柔軟的手感,而織物強 力保持在允許范圍內。
     2.3.2石磨水洗處理 石磨水洗就是用一定量的浮石和少量的剝色劑及洗滌劑在洗衣機中進行磨洗,利用浮石與服裝之間的摩擦作用使染料脫落而且在局部棱角和縫接處產生磨白作用而產生立體感,從而使牛仔服風格獨特、身價倍增。纖維素酶目前廣泛應用于牛仔服的洗滌加工中。早期應用在靛藍牛仔服裝的洗滌整理上,以達到與石磨相同的染料脫色、洗白等褪色仿舊效果。利用纖維素酶對牛仔服表面的剝蝕作用,纖維素酶僅對牛仔服表面部分水解,造成纖維在洗滌時發生脫落,在纖維素酶處理時,牛仔服在轉鼓中不斷摩擦,加速其表面纖維的脫落,并使吸附在纖維表面的靛藍等染料一起去除,產生石磨洗滌的效果。與傳統的石磨水洗處理相比,使用纖維素酶水洗工藝可以縮短水洗時間,對人體危害和環境污染較小,處理后織物質量好并保持織物手感柔軟。
     2.3.3紡織品的生物拋光處理 生物拋光主要是利用纖維素酶去除織物表面伸出的細微纖維,經纖維素酶處理后稍經機械加工就可以得到表面平滑而茸毛少的織物。與采用傳統的加工方法相比,生物拋光具有使織物表面更光潔、均勻和穿著洗滌不易起球,染色鮮艷,保色保新時間長等優點。高樹珍采用酸性纖維素酶處理,可在保證強 力不受到嚴重損傷的情況下去除棉織物表面的毛羽,從而大大提高了棉織物的服用性能。馮愈對苧麻織物經纖維素酶預處理后,再進行混合多羧酸防皺整理,可提高苧麻織物的白度和柔軟性,且布面光潔,服用性能良好,斷裂強 力保留率僅略有下降。周文常利用纖維素酶對亞麻織物進行生物拋光整理后改善了手感、毛效,并減輕了刺癢感,提高了亞麻織物的服用性能及附加值。
     2.4在生物質能源開發上的應用 當今世界,不 可再生能源如石油、煤炭、天然氣等化石燃料正面臨著枯竭的危險,尋找其替代產品已成為全球共識。生物質是唯可以轉化為液體燃料的可再生資源,將生物質轉化為液體燃料,不僅能夠彌補化石燃料的不足,而且有助于保護生態環境。纖維生物質中的纖維素可被纖維素酶降解生成還原糖,再利用還原糖的發酵來生產具有更強的可持續性的二代生物燃料———纖維素燃料乙醇。因此,利用纖維素酶生產燃料乙醇對解決人類的發展問題具有化時代的意義。聯合國環境署近期發表報告預測,目前全球各國都在努力開發生物乙醇。美國正在以野生植物柳枝稷作為二代生物燃料的重要原料加以研究。巴西石油公司則在研究利用秸稈、稻殼和甘蔗渣等農林廢棄物提煉乙醇,并且計劃于2011年建設首座纖維素乙醇工廠,2015年實現商業化生產。哥倫比亞石油署的專家,試驗利用蓖麻、松子、葵花子、甘薯粉、甜菜、香蕉、鱷梨和咖啡豆殘渣等為原料,生產生物柴油。中國科學院知識創新工程重大項目“纖維素乙醇的高溫發酵和生物煉制”項目研究工作已取得了顯著進展。
     目前生物乙醇主要是采用淀粉為原料生產,其成本價較高。為此,以廉價的農作物秸稈等生物廢料為原料的纖維素生物乙醇生產技術已成為研究的熱點,全球已有幾十套中試生產線或試生產線。
     2.5在其他領域中的應用 纖維素酶在中草藥有效成分提取、造紙、地質鉆井等方面均有很大應用潛力。王巖巖等研究表明,與傳統化學法相比,纖維素酶法提取陳皮黃酮較好,黃酮提取率從2.78%提高到4.35%。在優化條件下,黃酮的提取率可達到6.96%,且與化學法提取黃酮成分相同。李開泉采用纖維素酶預發酵處理與不加酶直接提取兩種方法對纖維素酶提取烏索酸的效果進行了對比研究。結果顯示,加酶組的烏索酸提取率明顯高于不加酶組。用纖維素酶適當處理紙漿,能增加微細纖維生成量和提高保水度,有可能促進某些紙張抗張力提高。纖維素酶應用于地質鉆井中,它能在靜壓下使淤塞在井壁內沖洗液中的魔芋聚糖催化水解為單糖,快速恢復巖層的透水性質,提高洗井質量。此外,纖維素酶還應用于醫藥行業制消化劑等。
     3.問題與展望
     雖然纖維素酶的發現距今已有上百年的歷史,纖維素酶的研究與應用取得了很大的進展,但是纖維素酶是一種組成十分復雜的酶,其作用機理至今尚不明了,它也是目前糖苷酶類中唯尚有許多問題待解決的酶。另外,現有菌株所產的纖維素酶大部分都不同程度存在著酶系不完全,酶活不夠高等問題。然而,纖維素酶是有著巨大應用潛力的酶。因此,進一步闡明纖維素酶的各組分的功能與作用機理;選育優良的產纖維素酶菌株,提高降解天然纖維素的能力;根據不同需要研制不同組分比例的纖維素酶;優化纖維素酶的生產工藝,降低纖維素酶的生產成本是當前和今后纖維素酶研究的主要任務和方向。隨著纖維素酶研究的不斷深入和新的研究成果的陸續取得,相信纖維素酶的應用范圍會更加廣泛,在食品、飼料、紡織、資源開發等眾多領域中將發揮更大作用,尤其是在纖維素類物質的有效利用和未來生物質能源的開發上。
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