纤维素酶及其应用现状
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1. 3 产纤维素酶的微生物 微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 ( Cytophag )、生孢纤维粘菌属 (Sporocytophag )、丝 状杆菌属 (F ibrobacter)和芽孢杆菌属 (C lostrid ium )等, 代表
安徽农学通报, A nhu i A gri Sci Bu ll 2009, 15 ( 13)
用水量, 同时解决制糖时存在的过滤问题, 明显提高了谷 氨酸发酵产酸率和糖酸转化率, 使生 产成本大大降低。 宋朝霞 [ 13] 以脱脂豆粕为原料提取大豆低聚糖, 采用微波 和纤维素酶分别对脱脂豆粕进行预处理, 发现微波处理后 大豆低聚糖的提取率有所下降, 而经纤维素酶处理后, 低 聚糖的提取率有显著提高。罗仓学等[ 14] 研究了纤维素酶 提取辣椒中辣椒碱的工艺。通过酶解处理后的辣椒碱产 量为 3. 096 m g/g, 比传统的乙醇提取法提高了约 16 个百 分点, 而且该法提取辣椒碱时间短、温度要求低, 操作简 单。 2. 1. 2 饮品和调味品的酿造 纤维素酶可将纤维素降 解生成可发酵性糖, 因此, 纤维素酶在饮品和调味品的酿 造中广泛应用。
App lications S tatus of Cellu lase
Y ang Youkun1, 2 et al. ( Co llege o f Env ironm ental Sc ience and T echno logy, Zhe jiang Fo restry U n iversity, L in an 311300, Ch ina; ) Ab strac t: Th is paper introduced the com ponents, m echan ism o f cellu lase, the c lassification of m icroo rganism to produce ce l lu lase and production techno logy o f ce llulase . A nd summ ar ized the current app lications of ce llu lase on food, feedstuf,f spin n ing, bioenergy developm ent and o ther fie lds. A nd pro spected the oncom ing study tendency and applications o f ce llu lase .
基金项目: 浙江省科技计划面上项目 ( 2008C23103) ; 浙江省社会发展科技专项 ( 2008C13008) 。 作者简介: 杨友坤 ( 1985- ) , 男, 安徽定远人, 在读硕士, 研究方向: 土壤生物与生物化学。* 通讯作者
收稿日期: 2Байду номын сангаас09 - 06- 08
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菌种有热纤梭菌 (C lostrid ium therm ocellum )、嗜酸纤维分解 菌 (Acidatherm u s C ellulolu ticu s)、嗜 碱纤维 单胞菌 (C ellu lom ona s f im i)和褐色热单孢菌 (Th erm om onospora fu sca )等。 真菌类有木霉属 (Trichod erma )、曲霉属 (Asperg illu s)、青霉 属 ( P enillium )、根 霉 属 ( R hizopus Ehrenberg )、漆 斑 霉属 (M yrothecium )和枝顶孢霉属 (A crem onium )等丝状真菌, 代 表菌种 有绿色 木霉 (T richoderm a viride )、康 氏木 霉 (T ri chod erm a konigg ii)、黑 曲霉 (A spergillus n iger)、绳 状青霉 (P en icillium funiculosum )、变幻青霉 (P en icillium variabile)、 变色多孔霉 (P olyporu s versicolor)等。放线菌类主要有链 霉菌属 (S treptom yces)、高温放线菌属 (Therm oactinom ycete ) 和弯曲热单孢菌 (Therem om onospora curva ta )等 [ 8]。目前研 究较多的是真菌和细菌, 对放线菌研究的相对较少。
K ey words: Ce llulose; Ce llulase; A pp lication
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。
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 [ 2~ 6] : 内 切葡 聚糖 酶 ( endo - 1, 4 - - D - glu canase, EC 3. 2. 1. 4, 来自真菌的简称 EG, 来自细菌的简称 Cen)或称为 C x酶, 这类酶作用于纤维素分子内部的非结 晶区, 随机水解 1, 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 - 1, 4 - - D - glu canase, EC 3. 2. 1. 91, 来自真菌的简称为 CBH, 来自细菌的 简称为 C ex)或称为 C 1酶, 这类酶主要作用于纤维素线状 分子的末端, 水解 - 1, 4 - 糖苷键, 每次切下一个纤维二 糖分子; - 葡萄糖苷酶 ( - g lucosidase, EC3. 2. 1. 21, 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。
萄糖酶首先进攻纤维素的非结晶区, 形成外切纤维素酶需 要的新的游离末端, 然后外切纤维素酶从多糖链的非还原 端切下纤维二糖单位, - 葡萄糖苷酶再水解纤维二糖单 位形成葡萄糖, 一般来说协同作用与酶解底物的结晶度成 正比, 当酶组分的混合比例与霉菌发酵滤液各组分相近 时, 协同作用最明显。
协同作用是纤维素酶系的最重要的特征之一, 并且这 种协同作用比较复杂, 不仅内切 外切酶之间具有协同作 用, 不同的外切酶及不同的内切酶之间也有协同作用。不 仅酶系中各组分存在协同作用, 酶与其他物质或微生物间 亦存在较强烈的协同作用, 其中内切 外切酶之间的协同 作用是纤维素酶之间的主要协同作用方式。
现已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉 (Fusari um )以及拟青霉 (P aecilom yces)和斜卧青霉 (P en icillium d e cum bens)等生产的纤维素酶[ 10]。 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。
摘 要: 介绍了纤维素酶的组分、作用 机理、产纤维素 酶的微 生物种 类以及 纤维素 酶的生 产工艺等, 对 纤维素 酶在食
品、饲料、纺织、生物质能源开发等领域的应用进行了综述, 并对未来的研究趋势及应用进行了展望。
关键词: 纤维素; 纤维素酶; 应用
中图分类号 Q 556
文献标识码 A
文章编号 1007- 7731( 2009) 13- 59- 04
安徽农学通报, A nhu i A gri Sci Bu ll 2009, 15 ( 13)
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纤维素酶及其应用现状
杨友坤 1, 2 朱凤香 2 王卫平 2 陈晓旸 2 洪春 来 2 吴传珍 2 薛智勇 2*
( 1 浙江林学院环境科技学院, 浙江临安 311300; 2 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所, 浙江杭州 310021)
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, 碱性纤维素酶在洗涤剂工业中有良好的应用价 值。而真菌产生的一般为酸性或中性偏酸性纤维素酶 [ 9]。
胡贤春等 [ 15] 利用纤维素酶来浸提苦丁茶, 发现随着 纤维素酶浓度的增加, 苦丁茶中氨基酸、水溶性糖、水浸出 物的含量 上升, 纤维 素含 量下 降。当纤 维素 酶 浓度 为 0 30% , 茶水比为 1 40, 浸提时间为 40m in时, 苦丁茶的浸 提效果较佳。谢玉锋等 [ 16] 在木薯粉中添加纤维素酶可以 把木薯粉里的纤维素转化为可发酵性糖, 提高原料出酒 率。吕伟民 [ 17] 在玉米淀粉糖化时加入纤维素酶, 淀粉出 酒率可提高 1. 2 个百分点, 发酵周期可提前 6h。施安辉 等 [18]对乾氏曲霉纤维素酶在酱油和食醋酿造中的作用进 行了研究, 在酱油生产中添加 0. 1% , 成品中全氮、氨基酸 态氮、还原糖、总酸、无盐固形物分别提高了 39. 5、11. 9、 20、33. 3和 12个百分点, 并且风味明显优于不加纤维素酶 的产品。在固体倒缸醋的酿造过程中, 分别添加 0. 1% 和 0. 2% 的乾氏曲酶纤维素酶, 试验醋的感官和理化指标均 优于对照组, 且产量分别提高了 4. 6和 15. 7 个百分点。
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 [ 1] 。
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 [ 11] 。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 在食品工业中的应用 2. 1. 1 植物性农产品的加工 在食品工业中植物性农 产品是其主要原料, 而一般植物性农产品的细胞壁中都含 有纤维素。恰当地使用纤维素酶处理, 可使细胞壁结构发 生不同程度的变化, 从而提高细胞壁的通透性, 软化了植 物组织, 最终达到提高细胞内含物 (如蛋白质、淀粉、油脂、 糖等 ) 的提取率; 改善了食品品质, 同时又简化了食品加工 工艺。如李瑞丰 [ 12] 在小麦淀粉生产过程中 添加纤维素 酶, 提高了纯蛋白收率和淀粉干基及设备利用率, 降低了
纤维素酶系可分为完全酶系和不完全酶系, 其中能够 降解无定性纤维素和结晶纤维素的酶系称为完全酶系或 全值酶系, 仅能降解无定性纤维素的酶系称为不完全酶系 或低值酶系, 不同种类的微生物所形成的纤维素酶系之间 在组分的种类和性质上均有很大差异。 1. 2 纤维素酶的作用机理 纤维素酶使纤维素转化 成葡萄糖的机理和详细过程至今仍不十分清楚, 但是, 被 普遍接受的理论主要有 3种: 协同理论 ( Synerg ism ), 原初 反应假说 ( In itial degrad ing) 和碎片理论 ( Fragm entation) , 其中以协同理论最为广泛接受[ 7] 。该理论认为是内切葡
安徽农学通报, A nhu i A gri Sci Bu ll 2009, 15 ( 13)
用水量, 同时解决制糖时存在的过滤问题, 明显提高了谷 氨酸发酵产酸率和糖酸转化率, 使生 产成本大大降低。 宋朝霞 [ 13] 以脱脂豆粕为原料提取大豆低聚糖, 采用微波 和纤维素酶分别对脱脂豆粕进行预处理, 发现微波处理后 大豆低聚糖的提取率有所下降, 而经纤维素酶处理后, 低 聚糖的提取率有显著提高。罗仓学等[ 14] 研究了纤维素酶 提取辣椒中辣椒碱的工艺。通过酶解处理后的辣椒碱产 量为 3. 096 m g/g, 比传统的乙醇提取法提高了约 16 个百 分点, 而且该法提取辣椒碱时间短、温度要求低, 操作简 单。 2. 1. 2 饮品和调味品的酿造 纤维素酶可将纤维素降 解生成可发酵性糖, 因此, 纤维素酶在饮品和调味品的酿 造中广泛应用。
App lications S tatus of Cellu lase
Y ang Youkun1, 2 et al. ( Co llege o f Env ironm ental Sc ience and T echno logy, Zhe jiang Fo restry U n iversity, L in an 311300, Ch ina; ) Ab strac t: Th is paper introduced the com ponents, m echan ism o f cellu lase, the c lassification of m icroo rganism to produce ce l lu lase and production techno logy o f ce llulase . A nd summ ar ized the current app lications of ce llu lase on food, feedstuf,f spin n ing, bioenergy developm ent and o ther fie lds. A nd pro spected the oncom ing study tendency and applications o f ce llu lase .
基金项目: 浙江省科技计划面上项目 ( 2008C23103) ; 浙江省社会发展科技专项 ( 2008C13008) 。 作者简介: 杨友坤 ( 1985- ) , 男, 安徽定远人, 在读硕士, 研究方向: 土壤生物与生物化学。* 通讯作者
收稿日期: 2Байду номын сангаас09 - 06- 08
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菌种有热纤梭菌 (C lostrid ium therm ocellum )、嗜酸纤维分解 菌 (Acidatherm u s C ellulolu ticu s)、嗜 碱纤维 单胞菌 (C ellu lom ona s f im i)和褐色热单孢菌 (Th erm om onospora fu sca )等。 真菌类有木霉属 (Trichod erma )、曲霉属 (Asperg illu s)、青霉 属 ( P enillium )、根 霉 属 ( R hizopus Ehrenberg )、漆 斑 霉属 (M yrothecium )和枝顶孢霉属 (A crem onium )等丝状真菌, 代 表菌种 有绿色 木霉 (T richoderm a viride )、康 氏木 霉 (T ri chod erm a konigg ii)、黑 曲霉 (A spergillus n iger)、绳 状青霉 (P en icillium funiculosum )、变幻青霉 (P en icillium variabile)、 变色多孔霉 (P olyporu s versicolor)等。放线菌类主要有链 霉菌属 (S treptom yces)、高温放线菌属 (Therm oactinom ycete ) 和弯曲热单孢菌 (Therem om onospora curva ta )等 [ 8]。目前研 究较多的是真菌和细菌, 对放线菌研究的相对较少。
K ey words: Ce llulose; Ce llulase; A pp lication
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。
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 [ 2~ 6] : 内 切葡 聚糖 酶 ( endo - 1, 4 - - D - glu canase, EC 3. 2. 1. 4, 来自真菌的简称 EG, 来自细菌的简称 Cen)或称为 C x酶, 这类酶作用于纤维素分子内部的非结 晶区, 随机水解 1, 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 - 1, 4 - - D - glu canase, EC 3. 2. 1. 91, 来自真菌的简称为 CBH, 来自细菌的 简称为 C ex)或称为 C 1酶, 这类酶主要作用于纤维素线状 分子的末端, 水解 - 1, 4 - 糖苷键, 每次切下一个纤维二 糖分子; - 葡萄糖苷酶 ( - g lucosidase, EC3. 2. 1. 21, 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。
萄糖酶首先进攻纤维素的非结晶区, 形成外切纤维素酶需 要的新的游离末端, 然后外切纤维素酶从多糖链的非还原 端切下纤维二糖单位, - 葡萄糖苷酶再水解纤维二糖单 位形成葡萄糖, 一般来说协同作用与酶解底物的结晶度成 正比, 当酶组分的混合比例与霉菌发酵滤液各组分相近 时, 协同作用最明显。
协同作用是纤维素酶系的最重要的特征之一, 并且这 种协同作用比较复杂, 不仅内切 外切酶之间具有协同作 用, 不同的外切酶及不同的内切酶之间也有协同作用。不 仅酶系中各组分存在协同作用, 酶与其他物质或微生物间 亦存在较强烈的协同作用, 其中内切 外切酶之间的协同 作用是纤维素酶之间的主要协同作用方式。
现已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉 (Fusari um )以及拟青霉 (P aecilom yces)和斜卧青霉 (P en icillium d e cum bens)等生产的纤维素酶[ 10]。 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。
摘 要: 介绍了纤维素酶的组分、作用 机理、产纤维素 酶的微 生物种 类以及 纤维素 酶的生 产工艺等, 对 纤维素 酶在食
品、饲料、纺织、生物质能源开发等领域的应用进行了综述, 并对未来的研究趋势及应用进行了展望。
关键词: 纤维素; 纤维素酶; 应用
中图分类号 Q 556
文献标识码 A
文章编号 1007- 7731( 2009) 13- 59- 04
安徽农学通报, A nhu i A gri Sci Bu ll 2009, 15 ( 13)
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纤维素酶及其应用现状
杨友坤 1, 2 朱凤香 2 王卫平 2 陈晓旸 2 洪春 来 2 吴传珍 2 薛智勇 2*
( 1 浙江林学院环境科技学院, 浙江临安 311300; 2 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所, 浙江杭州 310021)
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, 碱性纤维素酶在洗涤剂工业中有良好的应用价 值。而真菌产生的一般为酸性或中性偏酸性纤维素酶 [ 9]。
胡贤春等 [ 15] 利用纤维素酶来浸提苦丁茶, 发现随着 纤维素酶浓度的增加, 苦丁茶中氨基酸、水溶性糖、水浸出 物的含量 上升, 纤维 素含 量下 降。当纤 维素 酶 浓度 为 0 30% , 茶水比为 1 40, 浸提时间为 40m in时, 苦丁茶的浸 提效果较佳。谢玉锋等 [ 16] 在木薯粉中添加纤维素酶可以 把木薯粉里的纤维素转化为可发酵性糖, 提高原料出酒 率。吕伟民 [ 17] 在玉米淀粉糖化时加入纤维素酶, 淀粉出 酒率可提高 1. 2 个百分点, 发酵周期可提前 6h。施安辉 等 [18]对乾氏曲霉纤维素酶在酱油和食醋酿造中的作用进 行了研究, 在酱油生产中添加 0. 1% , 成品中全氮、氨基酸 态氮、还原糖、总酸、无盐固形物分别提高了 39. 5、11. 9、 20、33. 3和 12个百分点, 并且风味明显优于不加纤维素酶 的产品。在固体倒缸醋的酿造过程中, 分别添加 0. 1% 和 0. 2% 的乾氏曲酶纤维素酶, 试验醋的感官和理化指标均 优于对照组, 且产量分别提高了 4. 6和 15. 7 个百分点。
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 [ 1] 。
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 [ 11] 。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 在食品工业中的应用 2. 1. 1 植物性农产品的加工 在食品工业中植物性农 产品是其主要原料, 而一般植物性农产品的细胞壁中都含 有纤维素。恰当地使用纤维素酶处理, 可使细胞壁结构发 生不同程度的变化, 从而提高细胞壁的通透性, 软化了植 物组织, 最终达到提高细胞内含物 (如蛋白质、淀粉、油脂、 糖等 ) 的提取率; 改善了食品品质, 同时又简化了食品加工 工艺。如李瑞丰 [ 12] 在小麦淀粉生产过程中 添加纤维素 酶, 提高了纯蛋白收率和淀粉干基及设备利用率, 降低了
纤维素酶系可分为完全酶系和不完全酶系, 其中能够 降解无定性纤维素和结晶纤维素的酶系称为完全酶系或 全值酶系, 仅能降解无定性纤维素的酶系称为不完全酶系 或低值酶系, 不同种类的微生物所形成的纤维素酶系之间 在组分的种类和性质上均有很大差异。 1. 2 纤维素酶的作用机理 纤维素酶使纤维素转化 成葡萄糖的机理和详细过程至今仍不十分清楚, 但是, 被 普遍接受的理论主要有 3种: 协同理论 ( Synerg ism ), 原初 反应假说 ( In itial degrad ing) 和碎片理论 ( Fragm entation) , 其中以协同理论最为广泛接受[ 7] 。该理论认为是内切葡