纤维素酶的应用

纤维素酶的应用

1 在动物饲料中的应用

纤维素酶的应用开始于上世纪80年代早期，首先应用于动物饲料中。它的营养作用机理主要在于以下几个方面。

1）毁植物细胞壁,释放胞内养分。植物细胞内的营养物质由植物细胞壁包裹,植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成。纤维素酶可在半纤维素酶、果胶酶等协同作用下破坏细胞壁,使细胞内容物释放出来以利于进一步降解提高吸收率,同时也增加了非淀粉多糖的消化进而改善了高纤维饲料的利用率。

2）补充动物内源酶的不足,剌激内源酶的分泌。虽然草食动物能通过体内的微生物合成部分纤维素酶,但酶量有限,使粗纤维的消化吸收受到一定限制,而补充纤维素酶制剂则可明显提高对纤维素的利用率。对鸡、猪等单胃动物而言,其体内缺乏内源性纤维素酶,补充纤维素酶可以弥补这一缺陷,提高对纤维素的消化利用能力。同时,添加纤维素酶后,动物消化道酶系的组成、酶分泌量及活性可以得到改善,并改善消化道环境,增加酸度,激活胃蛋白酶。因此,畜禽日粮中添加纤维素酶对幼龄动物及病态和应激状态下的成年畜禽尤为重要,因为此时动物消化酶分泌量明显下降,添加纤维素酶效果会更为显著。

3）缓解或消除饲料抗营养因子的影响。果胶、半纤维素、β- 葡聚糖及戊聚糖能部分溶解于水中并产生粘性,增加了动物胃肠道内容物的粘度,对内源酶来说是一个屏障,降低了营养物质的消化吸收。而补充纤维素酶后,能在半纤维素酶、果胶酶、β- 葡聚糖酶等的协同下将纤维素、半纤维素、果胶、戊聚糖等大分子物质降解为单糖和寡糖,从而降低粘稠度,促进内源酶的扩散,增加养分的消化吸收。

4）促进小肠对营养物质的吸收。纤维素酶具有维持小肠绒毛形态完整,促进营养物质吸收的功能。

在实际生产中通常将纤维素酶与半纤维素酶、果胶酶、β- 葡聚糖酶等组成复合酶制剂用于

饲料中以取得更好的应用效果。目前,主要有两种应用方法:1) 体外酶解法:把纤维素酶与秸秆或其他粗饲料拌匀后,在一定的温度、湿度和pH 值下堆积或密封发酵一定时间后,晾干或直接饲喂动物;2) 体内酶解法:把纤维素酶以添加剂的形式加入饲料中拌匀后饲喂动物,借助动物消化道的内环境而发挥作用。大量试验研究表明,饲料中添加纤维素酶对各种动物的饲喂效果十分显著。尹清强等在荷斯坦奶牛日粮中添加50g/头的纤维素酶,使产奶量提高了8.9%,饲料转化率提高10%。许梓荣等在含30%麸皮的肉鸡日粮中添加β-葡聚糖酶、木聚糖酶和纤维素酶,使日增重提高9.79%,饲料转化率改善4.76%,干物质、粗纤维、粗脂肪和粗灰分的消化率分别提高10.58%、25.90%、 21.76%和7.12%。Qureshi等在大麦基础饲料中添加0.08%纤维素酶,显著提高了肉鸡日增重。

2 在酒精发酵中的应用

纤维素是一种资源十分丰富的可再生能源。二次大战后，石油开发和石油加工工业飞速发展，以石油加工工业为基础的合成酒精大量生产，其价格低于发酵法酒精，因此大部分发酵酒精厂都倒闭了，特别是纤维酒精厂，只有在前苏联还继续在开工生产。20世纪50年代，木材稀酸水解酒精发酵在前苏联还得到了一定的发展。近20年，由于科学技术的进展，纤维素酶活力的提高；连续制备纤维素酶新工艺的研究取得成功；纤维素预处理技术得到发展；混合酶水解和发酵的新工艺得到应用，连续水解的工艺也有了突破。纤维素制酒精的技术已经通过中间试验阶段，具备工业生产的技术条件。目前，纤维素原料酒精生产的瓶颈在于成本问题。

影响纤维素酶水解酶活的因素有：底物，纤维素酶活以及反应环境（包括温度，pH和其他一些参数）。为了提高酶水解的速度和处理量，现在的研究重点主要在优化水解工艺和提高纤维素酶活。纤维二糖，甚至于葡萄糖对纤维素的酶活都有抑制作用，目前采用的减少抑制的方法有：采用高浓度的酶；水解过程中补充β-葡萄糖苷酶；在水解过程中利用超滤或边糖化边发酵（SSF）以除去糖。SSF已经被广泛的研究用于减小水解的最终产物对酶的抑制作用。在此工艺中，由纤维素水解产生的糖同时被发酵生成酒精，这样就大大的减小了产物

对水解的抑制作用。在SSF中常用的微生物是真菌T.reesei和酵母S.cerevisiae 。SSF

的最佳温度在38℃左右，这样即考虑了水解的最适温度（45-50℃），又顾及了发酵的最适条件（30℃）。在SSF中，水解是个限速过程。为了使发酵温度更加接近最适酶活温度，一般采用耐热性酵母和细菌。Ballesteros等已经从27株酵母中鉴定了两株菌：Kluyveromyces marxianus和 K.fragilis。他们产酒精的最高温度为42℃。在42℃，以Solka Floc200为培养基，培养78小时，K. marxianus的酒精产量达到0.5g/(g纤维素)。Kadam和Schmidt 也发现，以经过处理白杨稀酸液为培养基，在40℃的条件下，一种耐热酵母Candida acidothermophilum能达到的酒精量是理论产量的80％。而Kluyveromyces相对于 Candida 和Sacharomyces而言具有更好的耐热性。相对于水解--发酵两步工艺，SSF具有以下优点：

1.通过对酶活有抑制作用的糖的转化，提高了水解的速度；

2.更低的酶用量；

3.更高的底物处理量；

4.由于产生的葡萄糖立刻被除去同时产生酒精，降低了对环境灭菌的要求。

5.缩短了工艺时间；

6.降低了所需反应器的容量，因为只使用一个反应器。然而，酒精对纤维素酶活也有抑制作用。Wu和Lee研究SSF发现，在38℃下，在酒精浓度分别为9、35、60g/l时，纤维素酶活失活量达到9％、36％、64％。

在SSF中需要注意的不利因素有：

1.水解最适温度和发酵最佳温度的不一致；

2.微生物的耐酒精度；

3.酒精对酶的抑制作用。

3 在纺织行业中的应用

纤维素酶作为一种高效生物催化剂,因其具有可降解性及对织物能产生可控的整理而广泛应用于纺织行业。其中，纺织品生物石磨及生物抛光是纤维素酶最成功的应用。

1）生物石磨。蓝色牛仔服在近些年来越来越受到人们的青睐。在20世纪70年代后期及80年代初期，工业上主要采用浮石洗工艺去除纤维表面的染料，以达到霜白效果。采用纤维素酶洗涤不仅能对纤维表层进行可控的"刻蚀",使织物产生不均匀的褪色，而且对织物内部纤维的强力不会过度损伤。牛仔服的酶洗可以使用中性和酸性纤维素酶,酸性酶用量少,效果快,但服装返染严重。中性酶用量相对大,但是返染较少。纤维素酶的使用一方面有利于保护环境；另一方面,处理后的织物手感细腻、柔软、耐用性增强,因而纤维素酶洗工艺已广泛取代了传统的石磨水洗。

2）生物抛光。为了防止及除去织物表面的毛球，运用纤维素酶对织物进行生物抛光显得格外必要。用纤维素酶处理在织物表面改性方面开辟出了新领域。在酶洗过程中,因纤维素酶分子比水分子要大1千倍以上,不能透入棉纤维的内部。所以只有接近纤维素纤维表面的

β-1,4-葡萄糖苷键受到影响。织物表面的纤细纤维在生物降解和机械力作用的影响下脱落，得到了平滑的纤维表面。织物经纤维素酶处理后，大大降低了起毛起球的趋势；而且手感柔软，悬垂性好；吸水性也得到了改善。纤维素酶生物整理已成为织物后整理的一种新颖的高科技纺织技术。但是，很多的试验显示,当棉织物用纤维素酶处理后,其强度都会有明显降低,说明纤维素酶会进入纤维的内部,降解纤维。电镜结果显示棉织物通过酶洗后,纤维变细和光滑。因此,有人研制了用水溶性高分子修饰或采用变性的纤维素酶,使酶分子变大,这样酶只吸附在纤维的表面,很难进入纤维的内部。钟安华利用PEG经均三氯三嗪活化后处理纤维素酶。所得的纤维素酶活性提高,处理温度和pH范围增大,有效降低纤维强力损失和减量率，同时修饰酶还可以重复利用，经济效益好。另外，对棉织物的强度降低起主要影响的是纤维素酶系中的外切酶组分，Wang 等人利用基因工程手段，通过eg3基因表达单位置换cbh1

基因获构建新的Trichoderma reesei 菌株，该菌株具有高产内切纤维素酶而低产外切纤维素酶的特点，可以更适合棉织物的处理。