纤维素酶

一、纤维素酶及其应用现状

纤维素酶是一类结构复杂且具较高活性的生物催化剂，自1906年纤维素酶被发现以来，纤维素酶的研究和应用就引起了国内外学者的极大兴趣和广泛关注，尤其是在当前世界面临着能源危机和环境压力的情况下，如何更加有效地发挥微生物纤维素酶的作用来分解和转化自然界中储量巨大的纤维素物质成为能源物质对解决资源、环境问题以及人类社会的可持续发展具有重大的现实意义。纤维素酶的研究历经了上百年，取得了很大进展，已经在食品、饲料、纺织、生物质能源开发等多个领域得到了广泛应用，并取得了一定的效果。

1 纤维素酶

1. 1纤维素酶的组分及作用类型

纤维素酶是一类能够将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶系的总称，它们协同作用，分解纤维素产生寡糖和纤维二糖，最终水解为葡萄糖。一个完整的纤维素酶系通常由作用方式不同的3类酶组成：内切葡聚糖酶(endo-l，4-β-D-glu-canase，来自真菌的简称EG，来自细菌的简称Cen)或称为Cx酶，这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解l，4-糖苷键，产生大量的有非还原端的小分子纤维素；外切葡聚糖酶(exo-l，4-β-D-glu-canase，来自真菌的简称为CBH，来自细菌的简称为Cex)或称为cl酶，这类酶主要作用于纤维素线状分子的末端，水解β-l，4-糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase。也称BG或纤维二糖酶)，它的作用是水解纤维二糖及低分子量的纤维寡糖生成葡萄糖。

1.2 纤维素酶的作用机理

纤维素酶在提高纤维素、半纤维素分解的同时, 可促进植物细胞壁的溶解使更多的植物细胞内溶物溶解出来并能将不易消化的大分子多糖、蛋白质和脂类降解成小分子物质, 有利于动物胃肠道的消化吸收。同时, 纤维素酶制剂可激活内源酶的分泌, 补充内源酶的不足, 并对内源酶进行调整, 保证动物正常的消化吸收功能, 起到防病、促生长的作用, 消除抗营养因子，促进生物健康生长。半纤维素和果胶部分溶于水后会产生粘性溶液, 增加消化物的粘度, 对内源酶造成障碍, 而添加纤维素酶降低粘度, 增加内源酶的扩散, 提高酶与养分接触面积, 促进饲料的良好消化。而纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤

维素酶等组成的多酶复合物, 在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物, 从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素, 促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外, 还和其他酶共同作用提高奶牛对饲料营养物质的分解和消化。

1.3 产纤维素酶的微生物

生物是纤维素酶的最主要来源，包括细菌、真菌和放线菌等，种类繁多。据不完全统计，大约有53个属的几千个菌株。细菌类主要有纤维粘菌属、生孢纤维粘菌属、丝状杆菌属和芽孢杆菌属等。真菌类有木霉属、曲霉属、青霉属、根霉属等丝状真菌。放线菌类主要有链霉菌属、高温放线菌属和弯曲热单孢菌等。目前研究较多的是真菌和细菌，对放线菌研究的相对较少。

细菌产生的纤维素酶的量较少，主要为内切酶，且多数不能分泌到胞外，而真菌所产生的纤维素酶具有酶谱较全、活力较高的特点，且一般分泌到胞外。放线菌产生的纤维素酶活性较高，且结构简单，为单细胞，便于遗传分析，因而放线菌纤维素酶的研究也越来越受重视。细菌和放线菌主要产生中性和碱性纤维素酶，往往具有耐热耐碱的特点。而真菌产生的一般为酸性或中性偏酸性纤维素酶。现已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉以及拟青霉等生产的纤维素酶。1.4 纤维素酶的生产

纤维素酶的生产一般采用微生物发酵方法，包括固体发酵和液体深层发酵2种方法。生产原料有麸皮、秸秆粉、玉米粉和废纸等。液体发酵法节省劳动力，适合于大规模工业化生产。美、日等发达国家的大规模生产都采用这种方法，固体发酵法具有投资少、工艺简单等优点，而液体发酵法的培养周期比较长，另外，液体发酵法产生的水分多，这使得后处理的成本更高。但固体发酵法所生产的纤维素酶很难提取和精制。

现在的生物床及固定化细胞等技术应用于纤维素酶的生产，这2种方法是固体发酵与液体发酵的融合，集中了固、液发酵的优点，因此，更适于规模化生产。通过发酵生产的纤维素酶，经过盐析、离心、超滤、层析等方法，可得到纯化的纤维素酶。

2 纤维素酶的应用

2.1 食品方面（酿酒）

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及原料的利用率, 降低溶液的黏度, 缩短发酵时间, 而且酒的口感醇香, 杂醇油含量低。纤维素酶提高出酒率的原因可能有两方面: 一是原料中部分纤维素分解成葡萄糖供酵母使用; 另外, 由于纤维素酶对植物细胞壁的分解, 有利于淀粉的释放和被利用。将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中可增加麦粒溶解性, 加快发芽, 减少糖化液中单一葡萄糖含量, 改进过滤性能, 有利于酒精蒸馏。用纤维素酶预处理啤酒糟, 可提高啤酒糟蛋白酶解率10%以上; 纤维素酶在清香型优质白酒中的应用, 出酒率可提高13%, 而且不影响酒的感官品质; 在日本清酒生产中, 浸米时加入0.02%～0.1%的纤维素酶浸泡17h,米的溶解性好, 糖化发酵顺利, 酒渣少, 出酒率高。

2.2 农牧业上的应用（纤维素酶在反刍动物中的应用）

在瘤胃微生物区系结构正常的情况下，添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度,消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时，高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构,恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程。有试验表明，在瘤胃正常状态下，添加纤维素酶饲喂奶牛5昼夜以后，其粪便干物质和饲喂前相比，减少了30%左右; 1周以后，封闭牛舍氨气含量下降70%左右，粗饲料采食量提高10%～20%，粪便中蛋白质含量提高8% ～10%，尿液中尿素量下降58.9%。

2.3 纤维素酶在纺织上的应用

纤维素酶在染整上广泛应用，特别在棉织物整理上，经过纤维素酶整理后,棉织物的手感和外观获得很大的改善。由于织物表面的绒毛被除去，处理后织物更光洁，颜色更鲜艳。根据处理的目的不同，可进行生化抛光、柔软滑爽、改善光泽以及石磨水洗等加工。

2.4 造纸业上的应用

近几年，旧纸的循环利用越来越多，酶法处理造纸纤维是一个普遍感兴趣的话题。尤其在旧纸脱墨中的使用，及其对纸纤维的影响等方面已有广泛的研究。传统的脱墨方法是漂洗和浮选，需使用NaOH、Na2CO3、Na2 SiO3、H2O2 等化学药品，且要在40℃、pH值> 10的条件下进行，易使纸的网状结构崩溃，纤维溶胀，纸和墨之间粘接力下降。用纤维素酶和半纤维素酶结合处理，可促进脱墨过