纤维素酶生产菌种的研究进展

纤维素酶生产菌种的研究进展

纤维素是自然界含量最丰富的碳水化合物，占到了总生物量的80％，因此在当今能源

和资源日趋危机的年代，借助于纤维素酶将纤维素资源转变为人类所需的物质显得尤为重要，而对于纤维素酶的开发利用研究，也具有深远意义。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，由EG（内切葡聚糖酶）、CBH（外切葡聚糖酶）和CB（纤维二糖酶或β-葡萄糖苷酶)构成。其降解过程是纤维素酶分子吸附到纤维素表面，然后，EG 在葡聚糖链的随机位点水解底物，产生寡聚糖；CBH 正是这些酶组分协同作用，最终将纤维

素水解为了葡萄糖。目前，纤维素酶广泛运用于酿酒、食品、饲料、造纸、制药、环保、石油开采等工业，具有很大的市场需求量。

纤维素酶在自然界的分布很广泛，昆虫、软体动物、高等植物、细菌、放线菌和真菌都能产生纤维素酶，甚至哺乳动物中的反刍动物的瘤胃及猪大肠中也有能够分解纤维素的细菌存在。但是，植物中虽然广泛存在有纤维素酶，但从其中提取纤维素酶比较困难，而且含量不高，所以目前研究运用比较少；而动物体内对于纤维素的消化主要是依靠其消化道内共生的微生物、原生动物来完成，即使研究已经证明动物体内本身确实存在内源性的纤维素酶[1]，但由于动物中相关研究的复杂性，成本和提取等方面的问题，动物中的纤维素酶的研究运用也不多；所以，目前纤维素酶的运用还主要集中在微生物纤维素酶的运用上。纤维素酶的产酶菌很多，主要有细菌、放线菌和丝状真菌。丝状真菌的纤维素酶产量较

高，可达20g/L 以上，而且丝状真菌产酶具有诸多优点：产生的纤维素酶为胞外酶，便于酶

的分离和提取；产酶效率高，且产生的纤维素酶酶系结构较为合理；同时可产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。因此，目前丝状真菌所产的纤维素酶研究较多。而这其中活力较强的菌种为木霉、曲霉、根霉、腐质酶和青霉等，腐质酶是中性纤维素酶的主要生产菌种[2]，

黑曲霉产生的纤维素酶可用于食品工业；青霉除了产生大量的纤维素酶外还可产生较高的葡萄糖苷酶，从而弥补木霉产葡萄糖苷酶不足的缺点[3]。在工业生产中最著名的生产纤维素酶的丝状真菌是T.Reesei,其生产的纤维素酶具有酶谱全、活力高的特点。自20 世纪60 年代以来，从野生菌株T.Reesei QM6a出发进行了大量的筛选育种工作，其中QM9414、RutC30

和MCG77 能够生产活力较高、性状稳定、优质高产、抗代谢阻遏能力较强的内切型和外切型

葡聚糖酶[4]，是国内外生产酸性纤维素酶的主要菌种，也被认为是最具有工业运用价值的菌株。

细菌纤维素酶产量较低，只有0.1g/L 的含量，而且其所产纤维素酶主要为葡聚糖内切

酶，大多数对结晶纤维素没有降解活性，且所产生的酶是胞内酶或吸附在细胞壁上，不分泌到培养液中，增加了提取纯化的难度，所以工业上很少采用细菌作为生产菌种。但是细菌产生的纤维素酶除了传统的内切、外切纤维素酶外，还会分泌一种纤维小体到胞外，这种纤维小体由多种纤维素酶和半纤维素酶组成，具有较高的水解纤维素的能力，在纤维素废弃物的处理上具有很大的应用潜力[5]。

放线菌的纤维素酶产量也很低，因此在过去研究也较少。但是，丝状真菌产纤维素的菌

种集中在霉菌属，这类菌种的致病菌较多，其孢子易传播、感染，从而限制了其使用和开发。特别是在纤维素酶运用最广泛的领域之一的食品工业中，若使用这类丝状真菌，则在产生纤维素酶的同时，也会产生木霉素、T霉素和粘霉素等多种真菌毒素，威胁食品安全。因而，

在这类领域里，放线菌产纤维素酶的研究就显得相当重要。与细菌相比较，放线菌产生的纤维素酶活力要更高一些；而且放线菌中致病菌极少，其生长过程中可以产生抗菌素，抑制食品中杂菌的生长，从而延长其保质期，使其不易变质；同时，放线菌结构简单，为单细胞，便于遗传分析。正是由于这些优势，放线菌产纤维素酶的研究正得到越来越多的关注。比如说放线菌产生的胞外酶大多具有一定的耐碱性，无需在高温、强碱条件下就能取得较好的效果。这类碱性纤维素酶可选择性地吸附在棉纤维的非结晶区，使棉纤维蓬松，水合纤维素分解，胶状污垢脱落，因而在洗涤剂领域这类碱性纤维素酶的放线菌受到了广泛的关注。但目前所报道的碱性纤维素酶酶活力还比较低，不能达到工业化生产水平的要求，因此仍处于筛选高产菌种的阶段。

今后，纤维素酶生产菌种的研究发展将有以下几个趋势：首先，高产量，高活性的纤维

素酶生产菌种的筛选及诱变育种将依然是一个热点研究方向。由于实际运用中的纤维素酶对纤维素的分解效果还不够理想，而自然界中的菌株也存在这样那样的缺点，所以目前资料中报道的选育出来的很多菌种运用于生产还不是很理想，因而还需要进一步筛选出产酶更高、更全面的菌株。在菌种筛选方面一个很重要的内容就是筛选发现新的纤维素酶产生菌，比如说最近筛选出的嗜热菌Melanocarpus sp.其可产生较高活力的耐热、中性纤维素酶，将很

有可能成为一个产纤维素酶的优良菌株[6]。而具有特殊活性的产酶菌种，如中性、碱性纤维素酶，低温、高温纤维素酶等的产酶菌种的筛选也是纤维素酶产酶菌株筛选的重要趋势[7]。其次，利用基因工程技术来改造菌种，克隆表达高活性、高稳定性、高产量的纤维素酶也是一个研究的热点趋势。目前大部分纤维素酶基因都有表达水平较低的缺点，与筛选诱变菌种相比，利用基因工程技术来解决此问题具有定向性好、快速、高效的优势，因此其最有可能使纤维素的分解利用问题得到突破性解决。比如说许多真菌能合成大量的纤维素酶，但其发酵周期长，不易扩大生产，而细菌生产速度快，但产酶水平低。这时就可将真菌纤维素酶的基因克隆到细菌中表达，来提高纤维素酶活力和产量。目前这方面已经有很多的报道，但离工业化运用的目标还有一定的距离。最后，混合菌种的研究将成为一个新的研究趋势。由于纤维素酶是具有不同底物特异性的多酶系复合物酶，不同菌种产生的纤维素酶系不同，因而混菌发酵就可以弥补菌种产生的纤维素酶系的不同，产生多种不同功能的酶，作用于纤维素的不同位点，充分发挥各酶之间的协同作用，从而大幅度提高纤维素酶的活性[8]。

参考文献：

[1]Watanabe H,Noda H,Tokuda G,et al.A cellulose gene of termite

ori-gin.Nature,1998,394(6691):330-331.

[2]芦敬华，石家骥，葛克山等.产中性纤维素酶特异腐质酶H31-3 复合诱变研究[J].微生物学

通报，2006，33（6）：74-78.

[3]Martina LF,Kolling D,Camassola M,et parison of Penicillium echinulatum and Trichoderma ressei cellulases in relation to their activity against various cellulosic

substrates[J].Bioresource Technology,2008,99(5:1417-1427.

[4]Tolan JS,Foody B.Cellulase from submerged fermentation[J].Advances in Biochemical Engineering/Biothecnology,1999,65:41-67. [5]Bayer EA,Lamed R,Himmel ME.The potential of cellulases and cellulosomes for cellulosic

waste management[J].Current Opinion in Biotechnology,2007,18(3):237-245.

[6]Kaur J,Chadha BS,Saini HS.Regulation of cellulase production in two thermophilic fungi Melanocarpus sp.MTCC 3922 and Scytalidium thermophilum MTCC 4520[J].Enzyme and Microbial Technology,2006,38:931-936.