纤维素酶分子改造技术研究进展
可再生资源纤维素酶的研究进展
可再生资源纤维素酶的研究进展【摘要】纤维素酶是一类能够水解纤维素的β-D-糖苷键生成葡萄糖的多组分酶的总称。
传统上将其分为3类：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。
纤维素酶属于糖苷水解酶类，本文综述了纤维素酶分子结构，降解纤维素的机制，总结了纤维素酶近年来的主要进展与研究趋势。
【关键词】纤维素酶；结构；进展纤维素类物质是自然界中最廉价、最丰富的一类可再生资源。
如果将天然纤维素降解为可利用的糖类物质，再进一步转化为乙醇、菌体蛋白、气体燃料等物质，对解决当今世界所面临的环境污染、资源紧张和能源危机等问题具有重大现实意义。
而降解纤维素效果最好的是纤维素酶。
它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，将纤维素降解为寡糖和纤维二糖，最终水解为葡萄糖。
1 纤维素酶的来源纤维素酶的来源很广泛，真菌、细菌、放线菌等均有能产生纤维素酶的报道。
目前国内外最主要的是利用真菌来发酵产纤维素酶。
目前，绿色木霉和黑曲霉被公认是产纤维素酶最稳定和无毒安全的菌种，对研究纤维素酶的性质以及分离纯化等都比较方便。
2 纤维素酶的种类及降解机理习惯上将纤维素酶分成三种主要成分：(1)外切型葡聚糖酶：(C1酶, ) ; (2)内切型葡聚糖(Cx酶）；( 3)β - 葡聚糖苷酶( 纤维二糖酶)。
C1酶主要作用于不溶性纤维表面，使纤维素结晶链开裂，长链纤维素分子末端部分游离和暴露，使纤维素易于水化，经C1酶作用后的纤维素分子结晶结构被破坏，Cx酶即吸附在纤维素分子上面，从键的内部任意位置切开β - 1, 4 - 糖苷键，将纤维素分子断裂为纤维二糖和纤维三糖等。
最后这些被裂解产物由β - 葡聚糖苷酶分解为葡萄糖。
2.1 纤维素酶对纤维素分子的吸附作用纤维素酶对纤维素的降解是从吸附于纤维素分子开始的，纤维素酶的吸附不仅与酶本身性质有关，也与底物的特性有密切相关，而吸附过程是否可逆视具体酶的种类而定。
此外，纤维素酶的吸附机制并未弄清，仍需做进一步研究。
酶分子的改造方法及研究进展
酶分子的改造方法及研究进展裴蓓10生物技术及应用班摘要：酶工程的研究已经发展到分子水平，在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能，大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率，生产有价值的非天然酶。
本文对常见的酶分子的改造方法做了一个简单的介绍化学修饰法、生物酶工程法、定点突变法，最后结合当今的形式对酶改造的发展前景做了描述。
关键词：酶分子改造方法前景正文：1 酶分子改造的目标1.1 提高酶的稳定性1.2 提高酶的活性1.3 增强酶的选择性1.4 改变酶的表面特性2 改造酶分子的方法近年来，特别是随着蛋白质工程的(protein engineering)应用，即把分子生物学、结构生物学、计算生物化学结合起来，根据蛋白质结构与功能关系的知识，经过计算机辅助的分子设计，按照人类的需要，产生性能优良的酶分子。
就目前情况来看，现在常用的酶分子修饰方法有：2.1化学修饰法在应用过程中，有时会因酶的稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点而使其应用受到一定的限制，为此常需对酶进行适当再修饰加工，以改善酶的性能。
酶的修饰可分为化学修饰和选择性遗传修饰两类。
酶分子的化学修饰是指通过主链的剪接切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造,造的目的在于改变酶的一些性质，创造出天然酶不具备的某些优良性状扩大酶的应用以达到较高的经济效益。
酶分子的化学修饰常见的方法有：部分水解酶蛋白的非活性主链，利用小分于或大分子物质对活性部位或活性部位以外的侧链基团进行共价修饰，酶辅因子的置换等。
2.2生物酶工程法酶的化学修饰法并非改造酶的惟一手段。
随着人们对酶的深入研究以及氨基酸一级结构的测定、基因重组技术的应用等，可以彻底地改造、合成并且模拟酶。
这也就是生物酶工程的主要内容。
生物酶工程主要包括基因工程技术生产酶和蛋白质工程技术改造酶两方面内容。
对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多。
例如，a一淀粉酶一般有 Ca2+，Mg等金属离子，属于杂离子型，若通过离子置换法将其他离子都换成Ca2=，则酶的活性提高3倍，稳定性也大大增加；胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖酐结合，酶的空间结构发生某些细微改变，使其催化活力提高4倍；还有对抗白血病药物——天冬酰胺酶的游离氨基进行修饰后，该酶在血浆中的稳定性也得到很大的提高。
纤维素酶的制备及其应用研究
纤维素酶的制备及其应用研究纤维素酶是一种能够降解纤维素的酶类酶，具有重要的应用潜力。
纤维素是存在于植物细胞壁中的一种复杂多糖，由纤维素主链和纤维素外露的副产物组成。
然而，纤维素的结构特殊，不易降解，因而使得纤维素资源不能充分利用。
纤维素酶的制备及其应用研究成为了当前的热门领域。
纤维素酶的制备可以采用两种方法：微生物发酵和重组DNA技术。
常见的微生物发酵法包括固体发酵和液体发酵。
固体发酵主要指利用固体底物如纤维素为碳源进行发酵，如用木霉菌、曲霉菌等发酵制备纤维素酶。
液体发酵则是将纤维素酶产生菌参与发酵系统中，培养基以纤维素为唯一碳源，以菌株培养活跃度为指标。
利用液体发酵法制备纤维素酶的优点在于操作简单方便，易于大规模生产。
重组DNA技术制备纤维素酶的方法，是将纤维素酶基因导入在相对于宿主来说载体基因较大的质粒或者经过改造的真核表达质粒中。
1.酒精生产：纤维素酶在酿酒工业中的应用首先被人们广泛关注。
利用纤维素酶将植物细胞壁水解产生的纤维素与酵母菌一起发酵，可以达到大大提高酿酒产量的目的。
2.生物柴油生产：生物柴油是一种绿色替代能源，而纤维素作为世界上最丰富的可再生资源之一，在生物柴油生产中有着广阔的应用前景。
纤维素酶可以将纤维素有效地水解成可发酵的糖，然后通过微生物发酵将糖转化为生物柴油。
3.奶牛饲养：纤维素是奶牛常见饲料的主要成分之一，但是奶牛的消化系统对纤维素的降解能力有限。
因此，添加纤维素酶可以有效地提高乳牛对纤维素的消化率，提高饲料的利用效率，从而提高乳牛的生产性能。
4.饲料添加剂：纤维素酶也可以作为一种饲料添加剂，降低饲料中纤维素的含量，提高饲料的可利用性，减少饲料浪费。
虽然纤维素酶的制备和应用研究已经取得了很大的进展，但是仍然存在一些挑战和问题。
例如，酶的稳定性、活性和选择性等方面的改进仍然是当前研究的热点。
此外，酶制备的成本和规模化生产等问题也需要进一步解决。
通过不断的研究和创新，相信纤维素酶在未来会有更广泛的应用。
纤维素酶的生产与应用研究进展
纤维素酶的生产与应用研究进展纤维素酶是一种能够降解纤维素的酶类，具有重要的生产与应用价值。
纤维素作为植物细胞壁的主要组成部分，具有丰富的资源，但其结构复杂，难以降解。
纤维素酶的生产与应用研究为利用纤维素资源、提高生物质酶解效率开辟了新途径。
纤维素酶的生产主要有两种方法：微生物发酵和基因工程技术。
微生物发酵是利用能够产生纤维素酶的微生物进行培养，通过调节培养条件、选用优良菌株等方式来提高酶的产量和活力。
近年来，采用转基因技术制备纤维素酶的研究也取得了突破性进展。
通过将纤维素酶基因导入高效酶产生菌株，可以大幅提高纤维素酶的产量。
纤维素酶的应用涉及生物质能源、饲料行业、食品工业等多个领域。
在生物质能源领域，纤维素酶可以将纤维素有效降解成可发酵的糖类，进一步转化为乙醇、柴油等可再生能源，用于替代传统石化能源。
饲料行业利用纤维素酶可以提高动物对纤维素的消化吸收率，增加饲料的利用效率，减少饲料浪费，降低养殖成本。
食品工业中，纤维素酶可以用于果汁澄清、酒精酿造、食品加工等环节，提高产品质量，降低生产成本。
纤维素酶的研究还涉及酶学性质、结构功能等方面。
研究发现，纤维素酶的降解效果与其结构与功能密切相关。
通过对纤维素酶的分子结构进行改造，可以提高其活性和稳定性。
同时，研究人员还通过对不同纤维素酶家族成员的研究，发现其在降解机制、底物特异性等方面存在差异，为深入理解纤维素降解过程提供了基础。
虽然纤维素酶在生产与应用方面取得了不容忽视的进展，但仍存在一些挑战。
纤维素酶的生产成本较高，限制了其在工业中的广泛应用。
此外，纤维素酶的稳定性和活性也需要进一步提高，以满足不同行业的需求。
因此，在纤维素酶的研究和应用过程中，需要不断进行技术创新和优化，以进一步提高其产量和效能。
纤维素酶的生产与应用研究是一项具有重要意义的工作。
随着对纤维素资源的深入开发和利用，纤维素酶的研究和应用前景广阔。
未来，随着技术的不断进步和深入研究，纤维素酶的生产与应用将迎来更加广阔的发展空间，为推动绿色可持续发展做出更大的贡献。
纤维素酶降解纤维素的研究进展_靳振江
收稿日期:20061120基金项目:桂林市科技攻关项目(20020413)作者简介:靳振江(1974),男,山西长治市人,硕士,讲师,研究方向为生态学及环境微生物学。
纤维素酶降解纤维素的研究进展靳振江(桂林工学院资源与环境工程系, 广西桂林 541004)摘要:占植株干物质总重量2 3的纤维素,不但是地球表面天然起源的重要有机物质之一,而且它的降解还是自然界碳素循环的中心环节。
利用植物类纤维这一可再生资源生产燃料酒精的研究已在世界各地逐步展开。
纤维素酶作为一种高活性生物催化剂,其在纤维素降解过程中起到重要的作用。
通过对纤维素的分子结构、天然纤维素分子的前处理以及纤维素酶分子的结构、作用机理和纤维素降解菌的选育、纤维素降解菌与非纤维素降解菌的协同作用等方面进行综述,指出纤维素底物结构的复杂性与多样性、纤维素酶降解纤维素的分子机制以及纤维素降解过程中多种微生物之间的相互作用是影响纤维素降解研究的关键问题,并对纤维素酶降解植物类纤维素生产燃料酒精的发展前景进行了展望。
关键词:纤维素;纤维素酶;降解中图分类号:Q 556+.2 文献标识码:A 文章编号:1002—8161(2007)02-0127-04Research progress i n degrada tion of cellulose by cellula seJ I N Zhen 2jiang(D ep art m ent of S ou rce and E nv ironm ental E ng ineering ,Gu ilin U niversity of T echnology ,Gu ilin ,Guang x i 541004,Ch ina )Abstract :Cellulo se account fo r 2 3of to tal dry m atter w eigh t of p lant ,it is no t only one of very i m po rtant natural o riginal o rganic m atter on the earth surface ,but also its degradati on is the key link of carbon recycle in na 2ture .T he researches of app lying the p lant cellulo se ,a renew able resource to p roduce fuel alcoho l ,w ere gradually carried out all around the w o rld .A s a h igh active bi ocatalyst ,cellulase p lays an i m po rtant ro le in the p rocess of cellulo se degradati on .T he mo lecular structure of cellulo se ,p retreatm ent of natural cellulo se mo lecule ,mo lecular structure and functi on m echanis m of cellulase ,the screening and culturing of cellulo lytic m icroo rganis m s ,the in 2teracti on betw een cellulo lytic m icroo rganis m s and non 2cellulo lytic m icroo rganis m s ,etc .w ere summ arized in the paper .It puts fo r w ard that comp lexity and diversity of substrate structure of cellulo se ,mo lecular m echanis m of cellulase on degrading cellulo se and the interacti on among several m icroo rganis m s in the p rocess of cellulo se degra 2dati on w ere the key p roblem s on affecting the research of cellulo se degradati on .M o reover ,the p ro spect of p roduc 2ing fuel alcoho l by p lant cellulo se degraded w ith cellulase w as fo recasted .Key words :cellulo se ;cellulase ;degradati on 纤维素占全球植物总干重的30%～50%[1],是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。
纤维素酶分子结构及作用机理的研究进展
１２ Ｎｏ． ７． ２００７
专题论述
（１．Ｃｏｌｌｅ ｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ， Ｓ ｏｕｔｈｗｅ ｓ ｔ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１６； ２．Ｃｉｔｒｕｓ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ， Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ａｃａ ｄｅ ｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１２）
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％。它 对 增 强 细 胞 壁 的 机械支撑强度、维持不透水性以及抗逆性有重要的 功 能 作 用 ［１］。 纤 维 素 酶 （Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）是 降 解 纤 维 素 的 一 组 酶系的总称， 而纤维素是地球上数量最大但又未得 到充分利用的一类多糖， 微生物对它的降解、转化 是自然界碳素循环的主要环节。近年来随着对纤维 素酶研究的深入， 以及越来越多的性质不同的纤维 素酶的发现， 使得纤维素酶的应用日益广泛。但是 由于对纤维素酶的结构、功能特别是降解纤维素的 作用机制还缺乏足够的了解， 使得对纤维素酶的研 究和高效应用存在很大的局限。由于分子生物学技 术的兴起， 使得人们能在基因水平上对纤维素酶类 多样性的进化起源有了更进一步的研究。
大多数纤维素酶都是这样， 只有少数微生物和 高 等 植 物 产 生 的 纤 维 素 酶 不 具 有 这 类 结 构 域 ， 如Ｔ． ｒｅｅｓｅｉ的 ＣＢＨＩ 就 没 有 ＣＢＤ结 构 域 。 通 常 认 为 ＣＢＤ对 高 效降 解纤维素起到关键的作 用， 但Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ在 没 有ＣＢＤ的 情 况 下 仍 具 有 水 解 纤 维 素 的 活 性 ， 在 Ｔ． ｒｅｅｓｅｉ的ＥＧ１的 酶 解 过 程 中 也 观 察 到 同 样 的 现 象 。 此 外 ， Ｈｕｍｉｃｏｌａ ｉｎｓｏｌｅｎｓ 的 ＥＧ５ 和 Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎｎａｓ ｆｉｍｉ 的 ＣｅｎＥＧ都并未发现具有ＣＢＤ结构， 但仍然具有水解酶 活性。这些实验证明， 在有些外切和内切酶中ＣＢＤ对 酶 的 催 化 活 力 是 非 必 需 的［６］。 ２．１ 催化域的结构（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ， ＣＤ）
纤维素改性处理的研究进展_王天佑
。其中以表面吸附， 液氨改性应用最
刚开始对天然纤维素的物理改性是微粉化和薄 膜化， 后来为了应用于吸附材料， 球化改性及各种球 化改性的方法也慢慢被提出。郝红英等 利用植物 的秸秆，通过高压蒸汽闪爆技术、 稀碱蒸煮等方法制 出有一定 α 纤维素含量的秸秆基纤维素， 对产物进 2+ 行碱化、 醚化和胺基亲核取代， 得到了可以吸附 Cu 和 Cd 等重金属离子的乙二胺螯合植物秸秆纤维 素， 通过研究得出， 可以用蒸汽闪爆来钝化天然植物 秸秆纤维素。Lidija 等 在纤维表面通过吸附 CMC 来引进羧基， 从而制备出了一种新的吸附材料， 试验 结果表明， 相对分子质量高的 CMC 首先被吸附， 并 ， 50% 且棉纤维总电荷量会大幅度地提高 可以提高 左右， 从而使产品的吸附性能大大提高 。 液氨整理后纤维的天然转曲基本消除， 截面变 圆， 内腔变小， 表面平滑且光泽感强， 结晶结构略疏 散。液氨加工 克 服 了 其 他 抗 皱 整 理 加 工 的 诸 多 缺 点， 使纤维的性能得到全面提升， 并具有明显的“形 ， 状记忆性” 是多年来纤维改性的一大突破 。Dor［18 ］ nyi 等 研究表明黄麻纤维经过液氨处理以后结晶 度有所下降。纤维素的晶型由纤维素 Ⅰ 转变为纤维 素Ⅲ。通过液氨处理黄麻纤维的表观结构有了很大 的改善， 纤维表面光滑圆润、 粗细均匀， 并且改善了 提高了织物表面平整度等。 纱线粗细的均匀性，
［11 ］ ［9 ］
首先， 在天然纤维素原料中， 表面经常被半纤维 素和木质素包裹着。 因此必须要先使纤维素能够纯 净地提取出来， 把这三种组分分离开来 。 其次， 虽 然在天然纤维素的分子链 上 存 在 着 大 量 的 活 性 羟 在一定条件下可以发生氧化、 酯化、 醚化、 接枝共 基， 聚等反应， 但是由于自身的羟基之间会形成大量的 且具有较为复杂的结晶性原纤结构， 其中结晶 氢键， 区封闭了大部分的活性羟基， 也就导致了纤维素改 性反应中呈现不均一性， 产物性能的不确定性。 为 一般在改性反应前进行各 了避免这种情况的发生， 种预处理， 可以降低纤维素的聚合度、 结晶度， 让纤 从而提高纤维素的反应 维素的 可 及 度 有 所 增 加， 。 活性 1． 1 物理方法 现在试验中常见的物理预处理方法主要包括闪 爆处理、 干法、 机械粉碎、 超声波及微波处理、 蒸汽爆 炸、 氨爆炸、 溶剂交换等。 物理预处理的主要目的是 让纤维素外观结构形态变化， 例如聚集纤维的解体、 膨胀等。就目前而言， 较新且用得较多的物理方法 ［4 ］ 有闪爆处理、 超声波处理等。 张袁松等 采用闪爆碱煮联合对天然竹纤维进行脱胶处理， 在闪爆压力 NaOH 质量浓度为 保压时间为 15 min， 为 0． 8 MPa， 4 g / L， 碱煮 90 min 的条件下， 得到纤维素的占有率为 77． 16% ， 其中纤维中的半纤维素含量和木质素含量 分别下降了 41． 61% 和 31． 94% ， 而纤维素的含量却 ［5 ］ 从 40． 51% 提高到 63． 59% 。殷祥刚等 对大麻纤维 进行闪爆处理， 得出闪爆处理后的麻纤维不仅其密 其中的纤维素含量从 度和 聚 合 度 会 有 所 下 降， 52. 94% 增加 到 84． 37% 。 闪 爆 处 理 具 有 处 理 时 间 短、 无毒、 无污染、 能耗低、 效率高等优点， 受到了纺 织、 轻工、 化工等行业的关注。 唐爱民等
里氏木霉及其纤维素酶高产菌株的研究进展_覃玲灵
绿色木霉 ( T richoderm a virid e)因其在 1944年第 二次世界大战期间一直在毁坏驻扎于东南亚所罗门 群岛上的美军的棉衣和帆布帐篷而被人们发现 [ 35 ] 。
关注。此外, 一些 T richoderm a 属还具有抗性特征, 能够作为生物控制菌对抗植物病原体 [ 29- 31] 。
T richoderm a 的概念最早由 P ersoon[ 32] 引 入, 开 始概括的 T richod erm a 主要有 4 个菌种, 即 T. aure um、T. nigrescens、T. roseum 以及 T. viride, 不同分生孢 子的颜色是种间的区别, 现在人们已经认识到它们 是彼此无 关的种类。T richoderma 现在仅 用于描述 以 T. viride为代表的绿色类型的真菌 [ 34] 。 R ifa it[ 33] 依据微观特征, 界定了 T richoderm a 属。T richoderm a 属的分生孢子梗排列成规则的树状结构而且是重复
( Institute of B io log ical and Environm ental Science& T echnology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004)
Abstrac:t A s w ide ly deve lopm ent and utilization of ce llulose in the fie ld of energy, m ate rials and chem istry industry, T r ichoderma reesei has been caught m ore and m ore attention for its be ing a k ind of im portant ce llu lase stra in for industry. Fo r enhanc ing its cellu lase product, peop le hav e done a lot of work on it, and ob tained seve ra l cons iderably good mutant strains. T o learn the genom e o fT r ichoderma reesei and its mu tant strains is he lp fu l to us understand its system o f ce llulase hype rproduction, also he lp fu l to people construct its g enet ic eng ineering stra in in the future. T h is article introduced the background o f T richoderma reesei and part of its hyperce llulase product stra ins, a lso elabo rated the research deve lopm ent of its m utan t strains genom e in the recent yea rs.
纤维素水解酶工业化生产的研究
纤维素水解酶工业化生产的研究一、引言纤维素是一种植物细胞壁中最主要的成分，在植物、木材、纸浆等自然界中广泛存在，具有丰富的资源和广泛的应用前景。
但因其结构特殊，难于降解利用，导致其资源利用率极低。
因此，开发高效的纤维素水解酶，实现纤维素水解是目前生物资源开发的热点研究之一。
本文将阐述纤维素水解酶工业化生产的研究现状和发展趋势。
二、纤维素酶的种类及作用机制纤维素酶是一类在纤维素水解中起关键作用的酶类。
主要分为内切酶和外切酶两大类。
外切酶包括纤维素酶、β-葡聚糖酶等，可降解纤维素为低聚糖和单糖。
内切酶包括纤维素内切酶、纤维素氧化酶等，作用于纤维素酶分解产物中的糖链结构，促进纤维素酶降解。
三、纤维素水解酶工业化生产的现状纤维素水解酶的工业化生产是未来纤维素资源开发的重要途径。
目前，国内外已有多种纤维素水解酶工业化生产技术。
如固态发酵与液态发酵两种生产方式，其中以液态发酵生产方式成本较低且操作简便，逐渐成为主流。
世界上主要纤维素水解酶生产企业包括Novozymes、DuPont、Direvo等，这些企业主要采用经典的分离纯化技术，生产出纯化的酶制剂。
国内纤维素水解酶生产企业则主要采用杂交育种等技术，生产出高效的全细胞酶制剂。
此外，离子液体、微波等新兴技术在纤维素水解酶生产和应用中也逐渐得到应用。
四、纤维素水解酶生产的发展趋势未来纤维素资源开发的趋势是高效、低成本、低能耗的纤维素水解酶生产。
为实现这一目标，国内外的研究者们通过基因工程、纤维素降解菌的筛选培育等手段，研究开发出高效的纤维素水解酶。
基因工程技术是目前纤维素水解酶生产的研究热点之一，成功地应用了转基因菌生产纤维素水解酶。
其中用微生物进行纤维素降解的研究，虽然尚处在实验研究阶段，但有着不可限量的发展潜力。
此外，新型生物反应器、固定化酶技术和连续化工作方式也将成为纤维素水解酶生产的新技术研究方向，为纤维素资源开发提供更为可靠和可持续的生产技术。
五、结论纤维素水解酶工业化生产是开发纤维素资源重要途径之一。
纤维素酶的研究进展
生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences第17卷 第5期2005年10月Vol. 17, No5Oct., 2005纤维素酶的研究进展李燕红，赵辅昆*(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，蛋白质组国家重点实验室，中国科学院研究生院，上海 200031)摘 要：纤维素酶是糖苷水解酶的一种，它可以将纤维素物质水解成简单糖，进而发酵产生乙醇，从而解决农业、再生能源以及环境污染等问题。
初期的研究主要集中在对微生物纤维素酶的研究，随着对纤维素酶研究的不断深入，“动物自身不含纤维素酶”这一传统理论被推翻，动物纤维素酶成为纤维素酶研究的热点。
另外，生物化学、分子生物学以及基因工程等多种交叉学科的快速发展，获得适合工业化的高比活力的纤维素酶已指日可待。
关键词：纤维素酶；简单糖；动物纤维素酶；工业化；高比活力中图分类号：Q 556 文献标识码：AAdvances in cellulase researchLI Yan-Hong, ZHAO Fu-Kun*(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences,Key Laboratory of Proteomics, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)Abstract: Cellulase—one of the glycoside hydrolases—is responsible for conversion of renewable cellulosic biomass to simple sugars for fermentation to ethanol, which can settle the issue of agriculture, renewable energy and environmental pollution etc. Primeval studies were focused on the cellulase produced by microorganism. With the deep research of enzymatic hydrolysis of cellulase, the traditional view of “no cellulase in higher animals themselves ”was pulled down and animal cellulase became the hotspot of cellulase study. In addition, the cellulase of higher specific activity for industrialization will be found as the rapid developments of many kinds of cross-subjects such as biochemistry, molecular biology and gene engineering etc.Key words: cellulase; simple sugars; animal cellulase; industrialization; higher specific activity文章编号 ：1004-0374(2005)05-0392-06收稿日期：2005-07-11；修回日期：2005-08-30基金项目：国家自然科学基金(No.30370336); 上海市生命科学重大基础研究项目 (No.2003CB716006, No.2004CB719702)作者简介：李燕红(1977—)，女，博士研究生；赵辅昆(1947—)，男，研究员，博士生导师，*通讯作者。
纤维素酶的研究进展与发展趋势
纤维素酶的研究进展与发展趋势摘要介绍了国内外纤维素酶的研究进展,并简要阐述了纤维素酶研究的发展趋势。
关键词纤维素酶研究进展趋势纤维素是植物细胞壁的主要成分,广泛存在于自然界,是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。
随着世界人口的增长,为解决日益加剧的食品和能源危机,纤维素资源的利用引起了世界各国的极大关注和高度重视。
纤维素酶能够有效地分解天然纤维素,是解决能源危机,食品和饲料紧张及环境污染等问题的重要途径之一。
1 纤维素酶的研究在自然界中,绝大多数的纤维素是由微生物通过分泌纤维素酶来进行降解的。
早在l850年,Mifscherlich己经观察到微生物分解纤维素现象。
但纤维素酶的研究则是从1906年Seilliere在蜗牛消化液中发现了分解天然纤维素的酶,以后才逐渐开始的。
1912年Pringsheim从耐热性纤维素细菌中分离出纤维素酶。
1933年Grassman分辨出了一种真菌纤维素酶的两个组分。
1954年,美国陆军Natick 实验室开始研究军用纤维素材料微生物降解的防护问题,后来发现纤维素经微生物降解后,可产生经济、丰富的生产原料,并且有望解决自然界不断产生的固体废物问题,于是纤维素酶得到了广泛的关注。
50年代,纤维素酶工作转向纤维素酶本身的性质、作用方式、培养条件、测定方法等研究。
l958年,美国华盛顿大学Fry等人用酶水解非淀粉多糖,从那时起,纤维素酶的研究在世界许多国家迅速推广,特别在产纤维素酶的微生物选育、培养条件、纤维素酶的性质、纤维素酶的分离、提纯和协同作用方面的研究进展较快。
60~70年代,Nisizawahe Woo等人对绿色木霉和黑曲霉的纤维素酶做了大量的研究,将纤维素酶分成不同组分,并进行了鉴定。
70~80年代开始利用诱变等育种手段对产纤维素酶的微生物进行了改造,提高其产酶活性。
80年代以后,人们开始利用遗传工程从分子生物学水平对纤维素酶生产菌株进行诱变育种,并对纤维素酶蛋白质的氨基酸序列及其分离纯化等方面进行了深入细致的研究。
《2024年纤维素的改性及在废水处理中的应用研究进展》范文
《纤维素的改性及在废水处理中的应用研究进展》篇一一、引言纤维素作为一种天然的生物高分子，广泛存在于植物、微生物和动物组织中，具有优异的物理和化学性质。
近年来，随着环保意识的增强和科技的进步，纤维素的改性及其在废水处理中的应用逐渐成为研究热点。
本文旨在探讨纤维素的改性方法及其在废水处理中的应用研究进展。
二、纤维素的改性方法纤维素的改性主要分为物理改性、化学改性和生物改性三种方法。
1. 物理改性：物理改性主要是通过物理手段改变纤维素的形态、结构或表面性质，如通过机械研磨、热处理、电离辐射等方法改变纤维素的结晶度、孔隙结构和表面形态。
2. 化学改性：化学改性是通过化学试剂与纤维素分子中的羟基发生反应，引入其他官能团或改变纤维素的结构，从而改善其性能。
常见的化学改性方法包括酯化、醚化、接枝共聚等。
3. 生物改性：生物改性是利用微生物或酶对纤维素进行降解或修饰，以改善其性能。
这种方法具有环保、高效等优点，但需要较长的反应时间和较高的技术要求。
三、纤维素在废水处理中的应用纤维素及其改性产物在废水处理中具有广泛的应用，主要包括吸附、絮凝、生物载体等方面。
1. 吸附：纤维素的吸附性能主要源于其丰富的羟基和三维网状结构。
经过改性后，纤维素的吸附性能得到进一步提高，可用于去除废水中的重金属离子、有机物等污染物。
2. 絮凝：纤维素及其衍生物可以作为天然的絮凝剂，通过电性中和、网捕卷扫等作用使废水中的悬浮物、胶体等凝聚沉淀，从而降低废水的浊度和有机物含量。
3. 生物载体：纤维素具有良好的生物相容性和生物活性，可作为微生物的载体，提高微生物的附着能力和生物活性，从而强化废水处理效果。
四、研究进展近年来，纤维素的改性及其在废水处理中的应用研究取得了显著的进展。
一方面，新的改性方法不断涌现，如纳米纤维素、纤维素基复合材料等，为纤维素的应用提供了更广阔的空间。
另一方面，纤维素在废水处理中的应用领域也在不断扩大，如用于处理重金属废水、染料废水、石油化工废水等。
纤维素分子结构及其生物降解途径的研究
纤维素分子结构及其生物降解途径的研究纤维素是一种多糖物质，广泛存在于自然界中的植物细胞壁中。
作为地球上最丰富的生物质之一，纤维素在生态系统中扮演着至关重要的角色，同时也是一种重要的工业原料。
随着环保意识的不断提高，纤维素的生物降解问题备受关注。
本文将介绍纤维素分子结构及其生物降解途径的最新研究进展。
一、纤维素分子结构纤维素是由β-葡聚糖分子通过β-1-4糖苷键连接而成，这种键连接方式与动物体内存在的α-1-4糖苷键不同，因此人类无法对纤维素进行消化吸收。
纤维素分子结构的复杂性使得其降解过程具有一定的难度。
而纤维素分子的结构也决定了纤维素的生物降解途径与效率。
二、纤维素的生物降解途径1.微生物降解：纤维素的生物降解最主要的途径是微生物的降解。
微生物在降解纤维素时，通过酶的作用将纤维素分子分解为低分子量的寡糖和单糖，最终达到完全降解的目的。
微生物还可通过在纤维素结构中加入酰化基团、脱去甲基等方式改变纤维素的结构，从而提高纤维素的生物降解效率。
2.化学降解：化学降解是利用化学方法将纤维素分子分解为低分子量的碳水化合物的过程。
虽然这种方式不如微生物降解方式常用，但在一些特殊的情况下，如纤维素浓度过高时，或为了加速废弃物的降解速度等，化学方法可被投入使用。
3.生物质能源利用：生物质能源利用是指将可再生生物质转化为可再生能源，如在生物质能源的生产过程中，通过液化、气化、发酵、压制等方式处理纤维素，使其成为生物燃料、生物液体燃料、生物气体等可再生能源。
三、纤维素生物降解的研究进展1.纤维素酶研究：纤维素降解的关键在于微生物体内的纤维素酶。
近年来，在纤维素酶研究领域取得了一系列的进展，如发现了新的纤维素酶家族，寻找到了具有高效降解纤维素能力的新物种等。
这些发现为提高纤维素的生物降解效率提供了新的思路。
2.生物质能源利用的研究：生物质能源利用是近年来备受关注的研究方向。
在纤维素的生物降解过程中，通过将纤维素转化为可再生能源的方式，可大大降低环境污染，缓解化石能源短缺问题。
纤维素酶及其研究进展
２ ８
中 国 调 味 品
总第 ３７ ５ 期
酶 ） ｔ葡萄 糖 苷 酶 （ Ｃ ． ． ． １ 也 称 纤 维 二糖 、－ ３ Ｅ ３２ １２，
ＸＴ １ Ｈ、 Ｔ １ Ｈ１ － ５ Ｘ －５ 。其 中 木 霉 ＮＴ １ Ｈ 固体 培 一５ 养 活力经 检 测 表 明 ， 纸 活 力 为 ３ ７ ｇ １ 滤 ６ ０Ｕ／ ，Ｃ 一
酶、 葡聚糖 外切酶 和 ｆ葡萄糖 苷酶 等组成 ， ｝ － 还有很 高 的木 聚糖 酶活力 。由于纤 维素酶在 饲料 、 精 、 酒
纺织 和食 品等领 域 有 巨 大 的市 场潜 力 ， 因此 已被
属 （ ｒ ｈ ｄ ｒ ） 曲霉属 （ ｐ ｒｉｕ ） Ｔ ｉ ｏ ｅｍａ 、 ｃ Ａｓ ｅｇｌ ｓ 和青 霉 属 ｌ
全 有可能 成为第 一 大 酶种 ， 纤 维 素 酶是 酶制 剂 故
分 布最广 、 含量 最 丰 富 的碳 水 化合 物 。它 是 自然
界 中数量最 大 的可 再 生性 物 质 ， 的 降解 是 自然 它 界碳 素循环 的 中心环 节［ 。纤 维素 的利用与 转化 １ ］
工 业 中的一个新 的增长 点 。它 的生 产对人 类 生存 环境 的改 善和可 持续发 展有着 举足 轻重 的影 响 。
（ ｎ ｅｌ ｕ ） Ｐｅ ｉｉ ｉｍ 。 ｌ
１ １ 纤 维素酶 的组成 与分 类 ． 纤维 素酶 （ｅ ｕａｅ 是指 能 水解 纤 维 素 Ｂ１ ｃ ｌ ｌｓ） ｌ 一， ４葡 萄糖苷 键 ， 纤维 素 变 成 纤 维 二糖 和 葡 萄 糖 使 的一组酶 的总称 ， 它不 是单一 酶 ， 是起 协 同作 用 而 的多组分 酶 系 ， 葡 聚糖 内切酶 （ Ｃ ． ． ． ， 即 Ｅ ３ ２ １ ４ 也
综述-纤维素酶的研究进展-邓磊
纤维素酶的研究进展邓磊1佛山市顺德区博大生物科技有限公司摘要：纤维素是世界上最丰富的可再生资源，最终需要在纤维素酶的作用下分解为葡萄糖才能应用在生产生活的各个领域。
纤维素酶广泛存在于微生物、动物和植物体内，对纤维素具有特异性的降解作用。
纤维素酶广泛来源于自然界的微生物，纤维素酶分解纤维素，不仅仅能够生产新能源酒精，而且还能够提高动物的消化率。
关键词：纤维素，纤维素酶，枯草芽孢杆菌1The research progress of cellulaseDeng Lei1Boda biological and technology co., LTD shunde district foshan city Abstract: Cellulose is the most abundant renewable resources in the world, and eventually need under the action of cellulose enzyme, broken down into glucose to applications in the areas of production and living. Cellulose enzyme widely exists in microbial animals and plants, effect on the degradation of cellulose is characteristic. Cellulose enzyme widely is derived from the nature of microbes, cellulose enzyme decomposition of cellulose, not only can produce new energy, but also can improve the digestibility of animals.Keywords: cellulose enzyme, cellulose, bacillus subtilis1 纤维素的概述1.1 纤维素的来源纤维素是世界上最为丰富的可再生生物高分子，其不断通过光合作用得以补充[1]。
纤维素酶及其研究进展
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ｏ ｓ ｅ ； ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｓ ｅ ； ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ
纤 维素 是植 物 体重 要 组成 之一 ，是细 胞壁 的主 要 组 成 成分 ，约 占植 物干 重 的 ４ ０ ％，据 报 道 ，全世
现 蜗 牛 消 化 液 可 以分 解 纤 维 素 ， １ ９ ４ ５年在 嗜热 性 纤 维素 细菌 中分 离 出了纤 维素酶 ， 自此纤 维素 酶 的 研究 和应 用在 世界 范 围 内受 到广 泛关 注 。
界纤维素的资源约为 ７ ｘ １ ０ ｋ ｇ ，而每年经绿色植物 光合 作 用 合 成 的纤 维 素 产 量 高达 ４ × １ ０ ｋ ｇ ， 因此纤 维素是地球上数量最丰富的有机物质资源之一 ，其 中蕴含的能量 约为 ６ ４ ０ ０ 亿ｔ 石油 的能量…。但是 ，
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｃｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｓ ｅ ｃ ａ ｎ ｄ ｅ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ｏ ｓ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ｏ ｓ ｅ ｔ ｏ ｄ ｉ ｓ ａ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ｉ ｄ ｅ ｏ ｒ ｍｏ ｎ ｏ ｓ ａ ｃ ｃ ｈ ａ — ｒ ｉ ｄ ｅ ， ｃ ａ ｎ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ ａ ｖ ａ ｉ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ ｒ ａ ｗ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ，ｆ ｏ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ，ｉ ｓ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ｉ ｔ ’ Ｓ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｂ ｌ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ’ Ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｆ ｏ ｏ ｄ ， ｆ ｅ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｆ ｅ ｅ ｄ ， ｗｅ ａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ｗ ｅ ｒ ｅ ｒ ｅ —
纤维素酶的研究现状及应用前景
纤维素酶的研究现状及应用前景刘晓晶,李田,翟增强(中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116)摘要 纤维素酶可以使构成植物细胞壁等不易利用的植物纤维分解成葡萄糖,从而提高玉米等秸秆的利用率,推动纤维素酶及燃料乙醇的工业发展及推广。
主要阐述了纤维素的结构和纤维素酶的作用机理,并详细介绍了纤维素酶的发展与应用前景。
关键词 纤维素;纤维素酶;作用机理;生产;应用中图分类号 S 183 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2011)04-01920-02The Status Quo and Applicati on Prospect of Cell u l ase LI U X i ao -ji ng et al (Che m i cal Eng i neer i ng Instit ute ,Ch i na M i ni ng U ni versity ,Xuz hou ,Ji angs u 221168)Abstract Cellul ase can made plant fi bre wha t consti tuted pl ant cell w alls ,etc .resolved i nt o gl ucose ,thereby ,t he utili zati on rate o f ma i ze straw ,et c .was m i proved ,and t he i ndustri a l deve l op ment and generali zati on of ce ll ulase and f uel e t hano lwere promoted .This articlem ai n l y dis -cussed t he structure o f cellul ose and the m echan i s m of t he cellul ase ,and t he develop ment and t he applicati on pros pects of ce ll ulase were i ntro -duced detail edl y .K ey words Cell ulose ;Cell u l ase ;M echanis m;P roducti on ;Appli cation基金项目 中国矿业大学大学生实践创新训练计划项目(2010093)。
纤维素改性研究进展
纤维素改性研究进展一、本文概述纤维素，作为一种广泛存在于自然界中的多糖，具有优良的生物相容性、可降解性和环保特性，因此在众多领域如造纸、纺织、食品、医药以及生物材料等方面都有着广泛的应用。
然而，纤维素本身的一些物理和化学性质限制了其在某些特定领域的应用，因此，对纤维素进行改性研究，以提高其性能并拓宽其应用范围，一直是科研工作者关注的热点。
本文旨在全面综述近年来纤维素改性研究的最新进展，包括改性方法、改性纤维素的性能及其在各个领域的应用。
文章首先介绍了纤维素的基本结构和性质，然后详细阐述了化学改性、物理改性和生物改性等主要改性方法，接着讨论了改性纤维素在造纸、纺织、食品、医药和生物材料等领域的应用现状，最后对纤维素改性研究的发展趋势和前景进行了展望。
通过本文的阐述，旨在为读者提供一个全面、深入的纤维素改性研究进展的参考。
二、纤维素改性方法纤维素作为一种天然高分子化合物，具有许多优良的性能，如良好的生物相容性、可降解性和环境友好性等。
然而，其固有的物理和化学性质，如亲水性、结晶性和热稳定性，限制了其在某些领域的应用。
因此，通过改性方法提高纤维素的性能，拓宽其应用范围，一直是科研领域的热点课题。
物理改性是一种简单而有效的改变纤维素性能的方法。
通过热处理、机械处理或高能辐射等手段，可以改变纤维素的结晶结构、形貌和分子链排列，从而改善其物理性能。
例如，热处理可以使纤维素分子链发生重排，提高其结晶度和热稳定性；而高能辐射则可以引发纤维素分子链的断裂和交联，形成新的功能基团。
化学改性是另一种广泛应用的纤维素改性方法。
通过引入化学试剂，如酸、碱、氧化剂或还原剂等，可以改变纤维素的化学结构和性质。
例如，酸处理可以使纤维素发生水解反应，生成低分子量的纤维素衍生物；而碱处理则可以破坏纤维素的结晶结构，增加其反应活性。
通过与有机化合物反应，还可以在纤维素分子链上引入特定的功能基团，如羟基、羧基、氨基等，从而赋予其新的性能。
纤维素酶的结构与功能研究
纤维素酶的结构与功能研究第一章：绪论纤维素是一种广泛存在于自然界中的有机化合物，常见于植物细胞壁中，也可来源于微生物、木材、农业废弃物等。
由于纤维素在自然界中的广泛分布及其化学结构和性质的重要性，纤维素酶成为一大研究热点。
本文将从纤维素酶的结构及其功能两个方面展开讨论，旨在深入探讨纤维素酶的研究进展。
第二章：纤维素酶结构的研究进展1.纤维素酶的分类纤维素酶是一类可以分解纤维素的酶，它们按作用方式可分为内切酶和断链酶两类。
内切酶包括β-葡萄糖苷酶、β-1,3-葡萄糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶等。
断链酶包括纤维素酶A、B、C等。
2.纤维素酶的基本结构目前已经解析了多种纤维素酶的结构，如：纤维素酶A、纤维素酶B、纤维素酶C、β-葡萄糖苷酶等。
这些酶的结构大多数都是蛋白质分子，其中最具代表性的是纤维素酶A。
纤维素酶A的分子量约为50000Da，含有约470个氨基酸残基，由一段较长的不规则序列和两个结构相似的高度保守的四分之一β折叠区域组成。
纤维素酶A的结构具有一个拱形的中心段和两个向外突出的长臂。
这种结构特点赋予纤维素酶A相对较高的稳定性和极强的在纤维素水解中的作用。
第三章：纤维素酶功能的研究进展1.纤维素酶的分子机制纤维素酶的分解作用可以分为两个步骤：纤维素的结构被撕裂，然后被加氢裂解到糖单体。
对于内切酶，其中既包括C端内切酶，也包括N端内切酶，它们的作用机制是先将纤维素分子裂解成少量的寡聚糖或单糖，然后对这些糖进行进一步的加氢裂解。
对于断链酶，它们一般通过直接加氢裂解的方式将纤维素分子断链，然后进行进一步的处理。
纤维素酶的分子机制是纤维素降解的关键，也是纤维素酶研究的重点。
2.纤维素酶的应用纤维素酶由于具有天然分解纤维素的能力，广泛应用于生物技术，生物制造工艺和环境保护中。
以纤维素为原料的生物制造工艺是目前研究热点之一。
纤维素酶可通过发酵或介导发酵的方式大规模制备，是实现生物制造的关键。
此外，纤维素酶也可以用于污染的清除和资源的回收，以及农业、食品和医药等领域。
纤维素酶的研究现状及应用前景
一、纤维素酶的应用现状
1、生物能源领域
纤维素酶在生物能源领域的应用主要表现在将纤维素转化为葡萄糖，进而转 化为乙醇或其他生物燃料。这种转化过程不仅可以提高能源的产量，而且可以降 低生产过程中的碳排放。目前，许多国家和公司都在积极研究利用纤维素酶生产 生物能源的工艺和技术。
2、生物材料领域
纤维素酶在生物材料领域的应用主要体现在将纤维素转化为生物可降解材料。 这些新材料可以替代传统的塑料制品，如包装材料、一次性餐具等。由于这些生 物材料具有良好的环保性能，因此在医疗、农业、餐饮等多个领域都具有广泛的 应用前景。
三、结语
纤维素酶作为自然界中一类重要的生物酶，具有广泛的应用前景。未来，随 着科学技术的发展和进步，纤维素酶将在各个领域发挥更大的作用，为人类的生 产和生活带来更多的便利和效益。我们应该纤维素酶的研究和应用进展，以便更 好地利用这一神奇的自然资源，为人类创造更多的价值。
谢谢观看
在研究过程中，研究者们也取得了一系列成果。例如，通过诱变育种和基因 工程等方法，提高了纤维素酶的产量和活性；同时，对纤维素酶的催化机制和晶 体结构等方面也有了更深入的了解。然而，尽管取得了一定的成果，纤维素酶研 究仍存在一些不足之处，如上文所述，包括酶的活性低、稳定性差、提取成本高 等。
应用领域、市场和发展趋势
而纤维二糖酶则将纤维二糖分解为葡萄糖。研究纤维素酶的意义在于它能够 为实现生物能源、生物材料等领域的可持续发展提供技术支持。
研究方法、成果和不足
目前，纤维素酶的研究方法主要包括微生物发酵法、化学合成法和基因工程 法等。这些方法各有优劣，微生物发酵法成本较低，但受菌种和生产条件的影响 较大；化学合成法可以在一定程度上满足工业化需求，但合成过程中成本较高且 产物稳定性较差；基因工程法则具有高效率和高产量的优势，但需要解决好基因 来源和克隆表达等问题。
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第３期
柯 轶等：纤维素酶分子改造技术研究进展
７１
内切葡聚糖酶基 因 进 行 定 点 突 变， 将 位 于 第 ９１ 位 的赖氨酸突变为谷氨酸 （Ｋ９１Ｅ），第 ３６９位的赖氨 酸突 变 成 精 氨 酸 （Ｋ３６９Ｒ）， 构 建 了 含 有 Ｋ９１Ｅ、 Ｋ３６９Ｒ 及 Ｋ９１Ｅ／Ｋ３６９Ｒ 等 ３ 个 质 粒 的 工 程 菌， 试 验结果表明３种工程菌所产的内切葡聚糖酶在热稳 定上 都 有 所 提 高， 在 ７０℃ 下 处 理 １ｈ，Ｋ９１Ｅ 剩 余 酶 活 力 为 ３６％， Ｋ３６９Ｒ 剩 余 酶 活 力 为 ３０％， Ｋ９１Ｅ／Ｋ３６９Ｒ 剩余 酶 活 力 为 ４１％， 相 比 而 言， 原 始酶剩余酶活力仅为１２％。 在 酶 的 比 活 力 比 较 中， Ｋ３１Ｅ、Ｋ３６９Ｒ、 Ｋ３１Ｅ／Ｋ３６９Ｒ 的 比 活 力 分 别 为 ２０２Ｕ／ｍｇ、１６２．８Ｕ／ｍｇ、７７．９ Ｕ／ｍｇ， 分 别 比 原 始酶提高了 ３ 倍、２．４ 倍、１．２ 倍。 张 洪 喜 对 ［７］ 纤 维素酶ｃｅｌ １８－７进行体外定点突变，将第 ２１２位上 的 Ａｓｎ 突 变 成 Ａｓｐ 和 Ｈｉｓ， 将 第 １４０ 位 上 的 Ｈｉｓ 突变 成 Ｇｌｎ， 结 果 发 现 ｃｅｌ１８－７ Ｎ２１２Ｄ 的 最 适 ｐＨ 值由原先的 ６．０～６．５ 偏 移 到 ５．５， 在 碱 性 环 境 中 酶活降 低，ｃｅｌ１８－７ Ｎ２１２Ｈ 最 适 ｐＨ 偏 移 到 ６．５～ ７．０，在碱 性 环 境 中 酶 活 提 高，ｃｅｌ１８－７ Ｈ１４０Ｑ 最 适 ｐＨ 偏移到了５．０，对酸碱的耐受性提高了。 ２．１．２ 易 错 ＰＣＲ 易 错 ＰＣＲ 是 体 外 定 向 进 化 常 用技术之一，原理是在目标基因进行复制扩增过程 中，通过改变反应体系、加入锰离子，提高镁离子 浓度等手段，降低复制过程的保真性，随机引入突 变位点，之 后 通 过 筛 选 获 得 有 益 突 变 体。易 错 ＰＣＲ 的关 键 技 术 在 于 如 何 选 择 合 适 的 突 变 频 率， 如果突变频率过高，将导致绝大部分的突变为有害 突变，不利 于 后 期 有 益 突 变 体 的 筛 选。 易 错 ＰＣＲ 与定点突变技 术 相 比 较， 易 错 ＰＣＲ 不 需 要 预 先 知 道目的基因的序 列 （引 物 结 合 部 分 除 外）， 这 有 利 于研究人员对基因序列未知蛋白的研究。
β－葡萄糖苷酶 （Ｅ．Ｃ ３．２．１．２１）：也称 ＢＧ，胞 内 酶 型 分 子 量 介 于 ９０～１００ ＫＤａ， 胞 外 酶 型 分 子 量 介于 ４７～７６ ＫＤａ， 主 要 作 用 是 将 短 链 的 纤 维 寡 糖 或者纤维二糖水解成葡萄糖。
１．２ 作 用 机 理 目前有三种纤维素酶水解机理被学术界普遍接
摘 要：纤维素酶是一组可将木质纤维素降解为葡萄糖的复合酶，已广泛应用于生物转化、食品、纺织、造纸、 饲料和洗涤剂等多个行业中。纤维素酶分子改造的研究对于解决当前全球的多种重大问题如能源危机、环境污
染、饲料资源紧张、粮食短缺等具有重要的现实意义。该文综述了纤维素酶分子改造的多种技术，如定点突变技
术、易错 ＰＣＲ、ＤＮＡ 改组等。 关键词：纤维素ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ；分子改造；研究进展
结晶结构，在常温下不易溶于水，也不易溶于一般 的有机溶剂如乙醇、苯、丙酮等，而且其结晶结构 十分紧密，又有其他生物聚合物镶嵌在一起，大大 增加了其降解难度。
纤维素酶是能够将纤维素降解成单糖的一种复 合酶，包括内 切 葡 聚 糖 酶、 外 切 葡 聚 糖 酶 及 β－Ｄ－ 葡萄糖 苷 酶。 在 降 解 纤 维 素 方 面， 它 具 有 特 异 性 高、反应条件温和、绿色无污染等特点，是当今生 物质能研究的热点。但是在工厂化生产中，纤维素 酶也存 在 着 不 足 之 处， 例 如 不 耐 高 温、 降 解 效 率 低、易受产物抑制等，这些不足制约了纤维素酶的 进一步开发利用。分子改造为纤维素酶实现工厂化 生产提供了可能。纤维素酶分子的改造是近年来学 术界的研究热点，该技术的应用有效弥补了纤维素 酶在工业生产上的不足，使纤维素酶在降解纤维素 方面更完善。本文对近年来纤维素酶及其分子改造
ｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
社会的发展离不开能源的供给，但是近年来全 球能源匮乏，天然气、煤炭和石油等能源储备量逐 年下降。Ｌａｈｅｒｒèｒｅ和 Ｃａｍｐｂｅｌｌ两人根据目前石油 开采情况 和 全 球 石 油 储 备 情 况 进 行 分 析， 预 测 从 ２０１０年开始，全球天然气、 石 油 的 开 采 量 将 下 降， 到２０５０年， 全 球 石 油 供 应 量 将 从 目 前 每 年 ２５ 亿 桶，降低至每年５亿桶 。 ［１］ 石油、煤炭等能源 都 是 不可再生资源，所以寻找一种可再生的能源资源迫 在眉睫。纤维素是地球上数量最多的可再生资源， 约占总生 物 量 的 ４０％， 是 一 种 很 好 的 可 再 生 生 物 质能，目前人类每年所消耗的能源仅仅是这部分能 源的１／１０［２］。如 果 可 以 利 用 生 物 转 化 技 术 将 纤 维 素转化成可利用的单糖，并通过生物发酵等后续加 工将单糖转化为乙醇等绿色能源，不仅可以缓解当 今社会的能源危机，还可以减少石油、煤炭等传统 能源燃烧带来的环境污染。但是纤维素具有稳定的
２ 纤维素酶分子改造技术
纤维素酶分子改造技 术 是 从 ＤＮＡ 层 面 上 使 得 纤维素酶编码区或者上下游调控区内的碱基发生突 变，从而改变纤维素酶空间结构，提高纤维素酶性 能或者提高纤维素酶产量。 ２．１ 提 高 纤 维 素 酶 性 能 的 分 子 改 造 技 术
提高酶性能的分子改造技术主要是改造酶催化 结构和结合域的空间结构或者是氨基酸之间的化学 键，以更好地催化纤维素的水解。常用于提高纤维 素酶性能的分子改造技术主要有定点突变技术、易 错 ＰＣＲ、ＤＮＡ 改组技术。 ２．１．１ 定点突变 定点突变技术是 Ｍｉｃｈａｅｌ Ｓｍｉｔｈ 发 明 的 ， 他 也 因 此 获 得 了 １９９３ 的 诺 贝 尔 奖 化 学 奖 。 在定点突变发明之前，突变株的产生是通过自然界 或者化学诱变等方法使基因发生变化，但是这些突 变方法通常时间漫长或者不定向突变。而定点突变 技术则可以让突变变得可控，是研究蛋白质结构与 功能之间关系的有效手段，是探索启动子调节位点 的有力工具，是优化、改造基因的便捷方案。定点 突变技术的基本原理是设计一对包含有目标突变的 引物，这个突变可以使单个碱基的改变，也可以使 多个碱基的改变，缺失或者增加。利用这对含有目 标突变的引物去扩增目的基因，这样拷贝后的基因 就包含了所需的突变位点。之后再利用载体将目的 片段导入宿主细胞进行 克 隆， 最 后 通 过 ＤＮＡ 测 序 技术确保目的片段已导入宿主细胞。
定点突变技术通常与生物信息学结合使用，首 先对待改造纤维素酶进行同源分析，对其分子结构 与功 能 的 关 系 进 行 研 究， 包 括 影 响 ｐＨ、 热 稳 定 性、底物结合区域等结构，之后在模拟软件中进行 突变，预测突变体的结构和新的功能，根据所掌握 的信息，在相应的位点设计含有目标突变的引物进 行突变。方芳等 利 ［５］ 用定点突变技术对糖苷水 解 酶 家族中 ＥＧＶ （ｅｎｄｏｇｌｕｃａｎａｓｅ Ｖ） 的 耐 热 性 进 行 改 造，在进行同 源 建 模 和 序 列 比 对 后， 将 第 ４９ 位 的 脯氨酸删除，之后将突变体导入毕氏酵母进行研究 分析， 结 果 发 现 在 ７０℃ 环 境 下 处 理 ２ｈ， 突 变 酶 ４９Ｐ （ｄｅｌ） 剩余酶活性 为 ７２．８％， 而 ＥＧＶ 剩 余 酶 活 性 只 剩 ５１．２％， 热 稳 定 性 比 ＥＧＶ 提 高 了 ２１．６％，其他酶性质与 ＥＧＶ 基 本 相 似， 这 说 明 定 点突变技术有效 地 提 高 了 ＥＧＶ 的 热 稳 定 性； 唐 自 钟等 人 ［６］ 利用定 点 突 变 技 术 对 高 酶 活 Ｆ－１０ 突 变 株
受：碎片理论、原初反应假说和协同理论。其中协 同理论是多数研究人员所接受的。协同理论认为， 纤维素酶在降解纤维素的过程中，内切酶、外切酶 和葡萄糖苷酶之间相互协作，共同完成纤维素的降 解 。 ［４］ 但是这一观点也存在的两种争议：一是 认 为 在降解过程，先由 ＥＧ 从纤维素分子内部随机水解 β－１－４糖苷键，产生非还原端，之后 ＣＢＨ 从非还原 端水解产生纤维二糖，最后由 ＢＧ 水解纤维二糖产 生葡萄糖；二是认 为 在 降 解 过 程 中， 先 是 由 ＣＢＨ 水解不溶性纤维素，产生可溶性的纤维二糖和纤维 糊精，之后由 ＥＧ 水解β－１－４糖苷键产生纤维二糖， 最后由 ＢＧ 水解纤维二糖产生葡 萄 糖。 两种争议主 要是内切酶和外切酶作用的先后顺序。
外切 型 β－葡 聚 糖 酶 （Ｅ．Ｃ ３．２．１．９１）： 也 叫 ＣＢＨ，分子量 介 于 ３８～１１８ ＫＤａ， 是 纤 维 素 酶 中 重要的组成部分，主要作用于纤维素链中的非还原 端，水解β－１－４糖苷键， 每 次 水 解 都 会 从 纤 维 素 链 上切下一个纤维二糖分子，主要的水解产物有纤维 糊精和纤维二糖。
收 稿 日 期 ：２０１４－１２－１５ 作者简介：柯轶 （１９８６－），女，助教，硕士，研究方向：微生物学 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ａｋｅ８８８＠ｍｓｎ．ｃｏｍ
７０
台湾农业探索
２０１５ 年 ６ 月
技术的研究进行了综述。
１ 纤维素酶酶系组成及其作用机理
１．１ 纤 维 素 酶 酶 系 组 成 纤维素酶主要来自于细菌和真菌，属于糖苷水