微生物纤维素酶及其降解纤维素机理的研究进展
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８ ・ ６
陕
西
农
业
科
学
２１（） ０ ０ ３
・
农 艺探讨 ・
微 生 物纤 维 素酶 及其 降解 纤 维 素机 理 的研究 进 展
王 翮
（ 安 职 业 技 术 学 院 生 物 工程 系 ， 西 西 安 西 陕
摘
７ ０７ ） １ ０ ７
要 ： 微 生物 纤 维 素 酶 的 来 源 、 质 、 子 结 构及 作 用机 理 等 四 个 方 面详 细概 述 了 国 内外微 生 物 纤 维 素 酶 从 性 分
及 其 降 解 纤 维 素 机 理 的研 究现 状 ， 并提 出微 生 物 纤 维 素酶 降 解 纤 维 素 的 研 究 方 向 ， 今 后 在 微 生 物 纤 维 酶 及 对
其 降 解 机 理 方 面 的 进 一 步研 究有 重 要 的 指 导 意 义 。
关 键 词 ： 生物 纤 维素 ；纤 维 素酶 ；降解 微
下 进行 ， 许 多 酸水 解 法无 可 比拟 的优 点 ， 此 ， 有 因
组酶 的总 称 ， 多 组 分 酶 系 ， 称 纤 维 素 酶 复 合 是 又
物 。已知天然 纤维 素分子 完全 降解为 葡萄糖 至少
需 要三类 酶 的协 同作 用 ： 切 葡 聚糖 纤 维二 糖 水 外 解 酶 （Ｅ ３ ．１ １ Ｂ ｃ．２ ．９ Ｃ Ｈ） 、 内切 葡 聚糖 苷 酶 （
３ 微 生 物 纤维 素 酶 的分 子结 构
对 不 同微 生物来 源纤 维素酶 基 因的克 隆和氨
收 稿 日期 ： ０ ９ ｉ － ０ ２ 酶 及其 降解 纤 维 素 机 理 的 研 究进 展 微
维素 酶 ； 凡是 能在碱 性条 件下水 解纤 维素 的酶 ， 称
为碱性 纤维素 酶 。酸性纤维 素 酶是 一种 具 有 ３ —
１ 微 生 物 纤 维素 酶 的来 源
虽然 纤维 素酶 的种 类繁 多 ， 大 多数 纤 维 素 但
１ ０个 或更 多个 组 分 构 成 的 多 组 分 酶 。依 据不 同 组分在 降解纤 维素 过程 中的作用 可将 这些 组分分
纤维 素是 地球 上 最 丰 富 的多 糖 化合 物 ， 泛 广 存 在于如 树杆 等植 物 中 ， 全世 界 每 年 生产 的纤维 素及 半纤 维素 总量 在 ８ ０亿 ｔ］ ５ ［ 。将 纤维 素 水解 １ 为 小分子 单糖 ， 糖 再通 过 微 生物 发 酵生 产 各 种 单
有 用 的产品 ， 藉此 有 望 有效 利 用这 些 源 源不 断 的
势 。但是 由于天 然纤 维素 的结 晶状 、 溶性 的刚 不 性 结构 ， 以及 纤维 素 酶 对纤 维 素 的 降解 机制 研 究 尚不清楚 ， 使得 目前 纤 维素 酶 对 天然 纤 维素 降 解 效 率较低 ， 而使 纤 维 素酶 降 解纤 维 素 的工 业 化 从
应 用 无 法 实 现 规 模 化 。 因 此 ， 一 步 了解 纤 维 素 进
Ｅ ３ ．１ ４ ｎ 和 Ｂ ｃ．２ ． Ｅ ） 一２葡萄糖 苷 酶 （ ｃ ．２ ． Ｅ ３ ．１ ２ Ｃ ）。 因此 ， １Ｂ 纤维 素酶 主要 由三 类 具 有 不 同催 化反应 功能 的酶组成 ， 即内切葡 聚糖 苷酶 、 切葡 外
用 纤维 素酶 降解 纤 维素是纤 维 素降解 的方 向和趋
酶一般最适 ｐ 为 中性 至偏 碱 性 ， 且 对 天 然 纤 Ｈ 并 维 素的水 解 作 用 较 弱Ｌ 。在 草 食 动 物 的 消 化 ６ ］ 道， 特别是 反刍 动 物 的瘤 胃中也 存 在 一 些可 以分
解 纤维 素的细菌 类群 。一些类 群 的放线 菌也 可 以
产生纤 维素酶 ， 但是 目前研究 很少 Ｌ 。 ｇ ］
可 再生碳 水 化合 物 资 源 ， 当前 人类 面 临 的石 油 为 危 机提供 解决 途径 。纤维 素降解 的关键 是把纤 维 素 水解 为葡萄 糖 ， 即纤维 素的糖 化过程 。 目前 ， 对
纤 维素 的糖化 过 程研 究 较 多 的是 酸水 解 法 、 水 酶
２ 微 生 物纤 维 素 酶 的 性质
酶 主要来 自微 生物 。产纤 维素 酶的微 生物包 括真
菌、 细菌 和放 线 菌 。其 中 主要 的 有 ： 氏木 霉 、 康 黑 曲霉 、 卧青 霉 （Ｐ ｎｃ ｌ ｍ、 孢杆 菌 等 。不 同 斜 ｅ ｉ ｌｕ 芽 ｉｉ 微生 物来 源 的纤 维 素酶水解 纤维 素 时对 ｐ 有 不 Ｈ 同 的要求 ： 丝状 真 菌 产生 的纤维 素酶 一般 要 求 酸 性或 中性 偏酸性 条 件 ， 嗜 碱 细 菌产 生 的纤 维 素 而
纤维 素酶是 指能水 解 纤 维 素 ８ １， — ４一 葡
萄糖苷 键 ， 使纤 维 素变 成 纤 维 二糖 和 葡 萄糖 的一
解 法［ 。酸水 解 法糖 化 率 低 ， ２ ］ 高浓 度 强 酸 可 有 效 水解纤 维 素 ， 但其 腐蚀性 对人 体有 害 ， 且所 需工 艺 条件苛 刻 ； 酶法水 解纤维 素 可在常温 、 常压条 件
酶则 只能 碱性范 围起 作用 。细菌所 产生 的纤维 素
为外切 』 １ ４ ３ ，一葡 聚糖苷 酶 、 — 内切 ８ ｌ ４ 一 ， 一葡 聚
糖苷酶 和 Ｂ 葡 萄糖 苷 酶 ； 一 而碱 性 纤 维 素 酶 与酸 性纤维 素酶 不同 ， 它是 一 种 单 组 分或 多 组 分 的 只 具有 内切 ８ 一葡聚糖 苷酶活 性 的纤维 素酶 ｏ Ｏ Ｄ３
聚糖苷 酶 、一 葡萄糖 苷 酶 。但 是通 常情 况 下 ， 口 依 据纤维 素酶作 用 的 ｐ 条件 将其 分为 酸性 纤 维素 Ｈ
酶和碱 性纤维 素酶 。凡是 能在酸 性或 中性偏 酸性
条 件 下 水 解 纤 维 素 底 物 的 纤 维 素 酶 ， 为 酸 性 纤 称
酶 降解纤 维 素的机 理有 助于提 高纤维 素的酶 解效 率， 是更 加有 效地利 用纤维 素 资源 的重要途径 。
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微 生 物纤 维 素酶 及其 降解 纤 维 素机 理 的研究 进 展
王 翮
（ 安 职 业 技 术 学 院 生 物 工程 系 ， 西 西 安 西 陕
摘
７ ０７ ） １ ０ ７
要 ： 微 生物 纤 维 素 酶 的 来 源 、 质 、 子 结 构及 作 用机 理 等 四 个 方 面详 细概 述 了 国 内外微 生 物 纤 维 素 酶 从 性 分
及 其 降 解 纤 维 素 机 理 的研 究现 状 ， 并提 出微 生 物 纤 维 素酶 降 解 纤 维 素 的 研 究 方 向 ， 今 后 在 微 生 物 纤 维 酶 及 对
其 降 解 机 理 方 面 的 进 一 步研 究有 重 要 的 指 导 意 义 。
关 键 词 ： 生物 纤 维素 ；纤 维 素酶 ；降解 微
下 进行 ， 许 多 酸水 解 法无 可 比拟 的优 点 ， 此 ， 有 因
组酶 的总 称 ， 多 组 分 酶 系 ， 称 纤 维 素 酶 复 合 是 又
物 。已知天然 纤维 素分子 完全 降解为 葡萄糖 至少
需 要三类 酶 的协 同作 用 ： 切 葡 聚糖 纤 维二 糖 水 外 解 酶 （Ｅ ３ ．１ １ Ｂ ｃ．２ ．９ Ｃ Ｈ） 、 内切 葡 聚糖 苷 酶 （
３ 微 生 物 纤维 素 酶 的分 子结 构
对 不 同微 生物来 源纤 维素酶 基 因的克 隆和氨
收 稿 日期 ： ０ ９ ｉ － ０ ２ 酶 及其 降解 纤 维 素 机 理 的 研 究进 展 微
维素 酶 ； 凡是 能在碱 性条 件下水 解纤 维素 的酶 ， 称
为碱性 纤维素 酶 。酸性纤维 素 酶是 一种 具 有 ３ —
１ 微 生 物 纤 维素 酶 的来 源
虽然 纤维 素酶 的种 类繁 多 ， 大 多数 纤 维 素 但
１ ０个 或更 多个 组 分 构 成 的 多 组 分 酶 。依 据不 同 组分在 降解纤 维素 过程 中的作用 可将 这些 组分分
纤维 素是 地球 上 最 丰 富 的多 糖 化合 物 ， 泛 广 存 在于如 树杆 等植 物 中 ， 全世 界 每 年 生产 的纤维 素及 半纤 维素 总量 在 ８ ０亿 ｔ］ ５ ［ 。将 纤维 素 水解 １ 为 小分子 单糖 ， 糖 再通 过 微 生物 发 酵生 产 各 种 单
有 用 的产品 ， 藉此 有 望 有效 利 用这 些 源 源不 断 的
势 。但是 由于天 然纤 维素 的结 晶状 、 溶性 的刚 不 性 结构 ， 以及 纤维 素 酶 对纤 维 素 的 降解 机制 研 究 尚不清楚 ， 使得 目前 纤 维素 酶 对 天然 纤 维素 降 解 效 率较低 ， 而使 纤 维 素酶 降 解纤 维 素 的工 业 化 从
应 用 无 法 实 现 规 模 化 。 因 此 ， 一 步 了解 纤 维 素 进
Ｅ ３ ．１ ４ ｎ 和 Ｂ ｃ．２ ． Ｅ ） 一２葡萄糖 苷 酶 （ ｃ ．２ ． Ｅ ３ ．１ ２ Ｃ ）。 因此 ， １Ｂ 纤维 素酶 主要 由三 类 具 有 不 同催 化反应 功能 的酶组成 ， 即内切葡 聚糖 苷酶 、 切葡 外
用 纤维 素酶 降解 纤 维素是纤 维 素降解 的方 向和趋
酶一般最适 ｐ 为 中性 至偏 碱 性 ， 且 对 天 然 纤 Ｈ 并 维 素的水 解 作 用 较 弱Ｌ 。在 草 食 动 物 的 消 化 ６ ］ 道， 特别是 反刍 动 物 的瘤 胃中也 存 在 一 些可 以分
解 纤维 素的细菌 类群 。一些类 群 的放线 菌也 可 以
产生纤 维素酶 ， 但是 目前研究 很少 Ｌ 。 ｇ ］
可 再生碳 水 化合 物 资 源 ， 当前 人类 面 临 的石 油 为 危 机提供 解决 途径 。纤维 素降解 的关键 是把纤 维 素 水解 为葡萄 糖 ， 即纤维 素的糖 化过程 。 目前 ， 对
纤 维素 的糖化 过 程研 究 较 多 的是 酸水 解 法 、 水 酶
２ 微 生 物纤 维 素 酶 的 性质
酶 主要来 自微 生物 。产纤 维素 酶的微 生物包 括真
菌、 细菌 和放 线 菌 。其 中 主要 的 有 ： 氏木 霉 、 康 黑 曲霉 、 卧青 霉 （Ｐ ｎｃ ｌ ｍ、 孢杆 菌 等 。不 同 斜 ｅ ｉ ｌｕ 芽 ｉｉ 微生 物来 源 的纤 维 素酶水解 纤维 素 时对 ｐ 有 不 Ｈ 同 的要求 ： 丝状 真 菌 产生 的纤维 素酶 一般 要 求 酸 性或 中性 偏酸性 条 件 ， 嗜 碱 细 菌产 生 的纤 维 素 而
纤维 素酶是 指能水 解 纤 维 素 ８ １， — ４一 葡
萄糖苷 键 ， 使纤 维 素变 成 纤 维 二糖 和 葡 萄糖 的一
解 法［ 。酸水 解 法糖 化 率 低 ， ２ ］ 高浓 度 强 酸 可 有 效 水解纤 维 素 ， 但其 腐蚀性 对人 体有 害 ， 且所 需工 艺 条件苛 刻 ； 酶法水 解纤维 素 可在常温 、 常压条 件
酶则 只能 碱性范 围起 作用 。细菌所 产生 的纤维 素
为外切 』 １ ４ ３ ，一葡 聚糖苷 酶 、 — 内切 ８ ｌ ４ 一 ， 一葡 聚
糖苷酶 和 Ｂ 葡 萄糖 苷 酶 ； 一 而碱 性 纤 维 素 酶 与酸 性纤维 素酶 不同 ， 它是 一 种 单 组 分或 多 组 分 的 只 具有 内切 ８ 一葡聚糖 苷酶活 性 的纤维 素酶 ｏ Ｏ Ｄ３
聚糖苷 酶 、一 葡萄糖 苷 酶 。但 是通 常情 况 下 ， 口 依 据纤维 素酶作 用 的 ｐ 条件 将其 分为 酸性 纤 维素 Ｈ
酶和碱 性纤维 素酶 。凡是 能在酸 性或 中性偏 酸性
条 件 下 水 解 纤 维 素 底 物 的 纤 维 素 酶 ， 为 酸 性 纤 称
酶 降解纤 维 素的机 理有 助于提 高纤维 素的酶 解效 率， 是更 加有 效地利 用纤维 素 资源 的重要途径 。