纤维素酶在中药成分提取中的应用[1]

累大量的合理用药方面的知识,使自己药学知识更丰富;另一方面,通过对医生的医嘱的审核,对医生的用药习惯、治疗手段有了较全面的了解,也加强了与医生的沟通,取得互信。有了以上对医生的了解与互信,为进入临床进行会诊、和医生一起共同制定用药方案、进行个性化用药服务等顺利开展临床药学工作打下了良好基础。

参考文献

1　费艳秋,等1浅谈静脉药物配置中心的优越性和不足点1中国药房,2004,15(5)∶264

2　彦青,等1药师参与临床药物治疗工作的现状和存在的问题1中国药房,2004,15(9)∶520

(2004-08-10收稿)

・综述・

纤维素酶在中药成分提取中的应用

杨吉霞1　蔡俊鹏1　祝　玲2

(11华南理工大学食品与生物工程学院,广州510640;21广东省化工制药职业技术学院,广州510520)

摘要　本文对纤维素酶的作用机理、影响酶促反应的因素及目前用于中药有效成分提取的研究情况进行文献综述,并指出海洋细菌极具多样性,其产纤维素酶的潜在菌源有待发掘;随着纤维素酶研究的深入,它必将在中药成分提取中发挥强有力的作用。

关键词　纤维素酶;中药提取;提取率;海洋细菌

中药材中植物药占90%,植物药的有效成分大多包裹在细胞壁中,对这些有效成分的提取,传统的热水、酸、碱、有机溶剂浸提法,受细胞壁主要成分纤维素的阻碍,往往提取效率较低。恰当地利用纤维素酶处理这些中药材,可改变细胞壁的通透性,提高药效成分的提取率。本文就纤维素酶的作用机理、影响酶促反应的因素及目前用于中药有效成分的提取的研究情况作一综述。

1　纤维素酶水解作用机理

纤维素分子是由许多吡喃型的D2葡萄糖残基通过β21,4葡萄糖苷键连接而成的多糖链,天然纤维素为直链式结构,链与链之间有晶状结构和排列次序较差的无定形结构;纤维素分子以结晶或非结晶方式组合成微原纤维,微原纤维集束形成微纤维,以微纤维为基本构造构成纤维素〔1〕。纤维素的结晶度一般在30%～80%之间〔2〕。

纤维素酶由三类组成:(1)内切葡聚糖酶(endo2 1,42β2D2glucanase,EC3121114,也称EG酶或Cx 酶);(2)外切葡聚糖酶(exo21,42β2D2glucanase, EC31211191),又称纤维二糖水解酶(cellobiohydro2 lase,CBH)或C1酶;(3)β2葡萄糖苷酶(β2glucosi2 dase,EC31211121),简称B G〔3、4〕。

纤维素酶解是一个复杂的过程,其最大特点是协同作用。内切葡聚糖酶首先作用于微纤维素的无定型区,随机水解β21,42糖苷键,产生大量带非还原性末端的小分子纤维素,外切葡聚糖酶从这些非还原性末端上依次水解β21,4糖苷键,生成纤维二糖及其它低分子纤维糊精,在β2葡萄糖苷酶作用下水解成葡萄糖分子〔5〕。这种协同作用普遍存在,除了上述协同作用,还可以发生在内切酶之间,外切酶之间,甚至发生在不同菌源的内切酶与外切酶之间〔6〕。一般地说,协同作用与酶解底物的结晶度成正比〔7、8〕。

纤维素酶优先作用于纤维素的无定形区域,对结晶纤维素有一定的降解,但难度较大。值得庆幸的是,通过研究,我们对结晶纤维素降解的作用机制已有了一定的认识:在纤维素酶解的最初阶段,EG 和CBH能引起纤维素的分散化和脱纤化,使纤维素结晶结构被打乱导致变性,纤维素酶深入到纤维素分子界面之间,使其孔壁、腔壁和微裂隙壁的压力增大,水分子介入其中,破坏纤维素分子之间的氢键,产生部分可溶性的微结晶〔9〕。

纤维素酶中单个组分的作用机制与溶菌酶相似,遵循双置换机制〔10〕。

2　影响纤维素水解的主要因素

211　酶复合物的组分及其比例　微生物产生的纤

维素酶复合物不一定都有前述三类酶,而是因种类不同,差异较大。酶复合物的组分及其比例决定了它对纤维素的水解程度,组分较齐,比例适当的酶复合物对纤维素的水解能力较强。以研究得较多的菌种为例,丝状真菌能产生大量的纤维素酶(20g/L),三类酶都有,而且比例适当,一般不聚集形成多酶复合体,能降解无定纤维素和结晶纤维素〔3〕。陆地细菌产生纤维素酶的量较少(低于011g/L),主要是EG,因此大多数对结晶纤维素没有活性〔3〕。

值得一提的是海洋细菌,目前仅有少数学者研究。王玢等从黄海深海海底筛选出一株产低温纤维素酶的海洋适冷细菌(MB1),所产纤维素酶既能水解羧甲基纤维素,又能降解微晶纤维素,且有淀粉酶活〔11〕。曾胤新等分离出产纤维素酶的极区低温海洋细菌,同时产蛋白酶、淀粉酶和琼脂酶〔12〕。由于海洋细菌极具多样性,对其广泛深入研究,有希望获得具有较高应用价值的产纤维素酶的菌株。

212　酶活　目前得到的菌株所产纤维素酶活性低,另一方面可能也因为纤维素降解难度大,纤维素酶解的转换率数比淀粉低12量级〔9〕,这使得在实际生产中应用成本太高。

酶活较强的菌种有大霉、曲霉、根霉和青霉,特别是李氏木霉、绿色木霉、康氏木霉,是目前公认的较好的纤维素酶生产菌。陆地细菌中活力较强的菌种有纤维素菌属、生孢纤维粘菌属和纤维杆菌属〔1〕。

213　所用植物原料不同,酶解速度也不同　此中因素有三:①比表面积:比表面积是指单位质量颗粒状物质的总表面积,纤维素的比表面积是纤维素的细度、细纤维化程度和长度变化的复函数,可间接反映纤维素酶抵达纤维素分子的难易程度。植物原料纤维素的比表面积越大,越有利于纤维素酶的作用〔13、14〕。②木质素含量:纤维素酶在向纤维素内部扩散的过程中,受纤维素和木质素的可及性影响。扩散传递速度降低,致使酶解速度降低。木质素具有无效吸附作用,使纤维素酶用量增加。木质素还起屏蔽作用,其含量越高屏蔽作用就越大,从而降低了酶解率〔15〕。木质素对酶解过程有无抑制作用,吸附后的纤维素酶是否仍有活性,尚无定论〔16、17〕。③结晶度:植物原料的纤维素微细结构是由结晶区和非结晶区组成。在结晶区中,组成纤维的大分子呈有序排列状态;在非结晶区中,大分子为无序排列状态。结晶度是指纤维素中结晶部分占纤维整体的百分比例,主要反映结晶成分的平均值〔18〕。一般地说,植物原料纤维素的结晶区难以被纤维素酶破坏、降解〔19〕。

Charpuray等以麦草为材料研究了几种因素对酶解的影响,结果表明比表面积是主要因素,其次是木质素含量,最后是结晶度〔15〕。

214　反应条件　不同来源的纤维素酶有不同的最佳反应条件。常见的纤维素酶产生菌中,如曲霉、青霉及木霉,产生的酶一般为酸性酶,酶的最适温度大多在45～65℃之间,最适p H值大多在410～515之间〔1、5、20〕。一些嗜碱和耐碱性的细菌,如B acill us 属中的某些种,可以产生在碱性条件下保持较高活性的纤维素酶〔5〕。至于海洋细菌,王玢等分离出的细菌产纤维素酶最适反应温度为35℃,最适p H值为610,属酸性酶〔11〕。曾胤新等分离出的细菌所产纤维素酶的最适作用温度皆为35℃〔12〕。

此外,酶的用量、激活剂、抑制剂等都会影响纤维素水解及其速率。从目前的研究来看,纤维素酶的激活剂主要有:钙离子〔21〕和一些非离子表面活性剂〔22〕。纤维素酶的抑制剂主要有:离子表面活性剂,植物中丹宁类、酚类(各种白色素)成分〔22〕。

3　纤维素酶在中药成分提取中的应用现状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。

沈爱英等用由纤维素酶、果胶酶和蛋白酶按一定比例组成的复合酶,对姬松茸子实体酶解预处理后用热水浸提,多糖提取率为1517%;所需时间为单纯热水浸提的一半,而提取率明显高于水浸提和酸、碱浸提〔23〕。刘佳佳等在提取金银花绿原酸时,增加了纤维素酶解工艺,结果能显著提高金银花提取物得率和绿原酸得率,最大可使绿原酸得率提高25197%〔24〕。赵宁等在提取干红辣椒中辣椒素的研究中,得出结果:酶法提取工艺比传统丙酮浸提法辣椒素产量提高了30%〔25〕。马田田用黄柏提取小檗碱,在纤维素酶的作用下,小檗碱的收率平均提高012856%,P值小于0105,与未加酶法相比有显著差异〔26〕。杨军宣等在三七的提取中用纤维素酶、三七总皂甙提取率提高2315%〔27〕。奚奇辉和王辉等分别用竹叶和银杏叶提取黄酮,增加了纤维素酶处理步骤后,其含量比原方法分别提高2315%〔28〕和55169%〔29〕。

纤维素大分子中的β21,42糖苷键是一种缩醛键,对酸特别敏感。因此目前常用的浓硫酸水解也能对纤维素造成一定的破坏。酶解与浓硫酸水解对药效成分的提取率是否有明显差异?对此,张彩霞等学者也做了一些工作。她们在用穿山龙提取薯蓣