纤维素酶的应用研究

纤维素酶应用的研究进展
湖南尤特尔生化有限公司2010-10-14 11:41:20
摘要：纤维素是一种多糖，在纤维素酶的催化条件下可分解产生二糖或葡萄糖，在自然界中储量极其丰富。

可惜的是纤维素的利用目前尚未完全开发，造成资源及能源的巨大浪费。

为了更好地利用纤维素，愈来愈多的国内外学者开始关注纤维素酶的研究与应用，本文就近期国内外纤维素酶在工业上的应用及研究现状作以论述。

关键词：纤维素酶应用
纤维素酶从被发现起就受到世界各国生物界的关注。

当今世界,纤维素酶的应用已扩展到医药、纺织、日用化工、造纸、食品发酵、工业洗涤、废水处理及饲料等各个领域, 其应用前景十分广阔。

因此,本文对纤维素酶在工业上的应用做综述。

1 纤维素酶的结构及作用机理
纤维素酶是指能水解纤维素β-1，4葡糖糖苷键，使之变为纤维二糖和葡萄糖的一种多酶体系。

纤维素酶由三类组成:(1)内切葡聚糖酶(endo-1,4-β-D-glucanase,EC3-2-1-4,也称EG酶或Cx酶);(2)外切葡聚糖酶(exo-1,4-β-D-glucanase,EC3-2-1-91),又称纤维二糖水解酶(cellobiohydrolase,CBH)或C1酶;(3) β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,EC3-2-1-21),简称BG。

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β-1,4-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β-1,4糖苷键,生成纤维二糖及其它低分子纤维糊精,在β-葡萄糖苷酶作用下水解成葡萄糖分子。

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。

一般地说,协同作用与酶解底物的结晶度成正比。

2纤维素酶的应用
2.1.纤维素酶在食品工业中的应用
2.1.1 纤维素酶在水果、蔬菜加工业中的应用
由于果实和蔬菜中含有大量的纤维素，在加工过程中为了使植物组织软化膨润，一般用加热蒸煮、酸碱处理等，但这样就会使果蔬的香味和维生素损失，用纤维素酶进行果蔬处理不仅可以避免上述缺点，还可以使植物组织软化膨松，能提高可消化性和口感。

纤维素酶用于果蔬汁加工可有利于细胞内物质渗出，增加出汁率；此外还可以减小压榨时压力，具有澄清作用。

国外有研究，在进行大豆加工时，用纤维素酶处理大豆，可促使其脱皮，同时，由于它能使胞壁破坏，使包含其中的蛋白质、油脂完全分离，增加其从大豆和豆饼中提取优质水溶性蛋白质和油脂的获得率，既降低了成本，缩短了时间，又提高了产品质量。

近年来，纤维素酶还应用于蔬菜脱水加工方面。

另外可以用细胞分离酶或纤维素酶分解果实和蔬菜，使其溶化而做成果酱。

也可用纤维素酶溶解蘑菇, 制造一种新调味料。

在糖渍果品加工中用砂糖浸渍果实时, 用纤维素酶破坏细胞膜, 砂糖短时间内即可浸透果实中。

椰子饼加水蒸煮后, 加入纤维素酶, 其中的蛋白质、脂肪和糖类得到释放使之作为人类的,食物而被利用成为可能。

2.1.2 纤维素酶在饮料业中的应用
随着茶饮料业迅速发展。

使得纤维素酶在这一领域也有了新的作用。

传统上，茶叶、速溶茶饮料生产加工，采用热水浸提法来提取茶叶中的有效成分。

有人研究在使用纤维素酶提取时，可以有效提高速溶茶的提取率,经酶处理的茶饮料在短期内可以提高其稳定性。

而采用沸水浸泡和酶法结合既可缩短抽提时间又可提高水溶性较差的茶单宁、咖啡因等的抽提率，并能保持茶叶原有的色、香、味。

将纤维素酶应用于果蔬榨汁、花粉饮料中，可提高汁液的提取率，促进汁液澄清。

而在日本，有报道，有人用纤维素酶处理豆腐渣后接入乳酸菌进行发酵，可制得高营养、高品味的发酵饮料。

2.2 纤维素酶在酿造、发酵工业的应用
2.2.1纤维素酶在白酒生产中的应用
白酒酿造所用原料中纤维含量较大，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，原料利用率提高，再经酵母分解全部转化为酒精,发酵过滤性好，发酵时间缩短，出酒率提高3%～5%, 且酒体质量纯正，淀粉和纤维利用率高达90%。

有研究结果表明,大曲酒糟中添加纤维素酶可大大提高出酒率。

在其工艺条件下发酵2 天,每吨含10 %淀粉的酒糟可产60度白酒61kg，而比常规的发酵20天产酒15kg翻了两番。

这样的技术在未来白酒发酵业中有着巨大的发展潜力。

美国乔治亚大学、佛罗里达大学的高温热纤梭菌的厌氧酒精发酵研究己取得阶段性成果。

另外，利用基因操作技术把纤维素酶基因克隆在S.Cerevisiae及z.mo lis中，使得它们能够利用纤维素直接转化生产酒精，该工作也取得进展。

同样，日本现已完成由蔗渣、稻草为原料生产燃料酒精的中试，日耗原料720kg，产酒精150L-200L，酒精度为99. 5%vo1。

其它一些国家如法国等也制定了发展规划，从而在世界范围内使得该分支领域成为纤维素酶研究中最为活跃并有希望取得重大突破的分支之一。

2.2.2 纤维素酶在啤酒生产中的应用
将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中,可增加麦粒溶性，加快发芽，减少糖化液中β-葡萄糖含量，改进过滤性能；将纤维素酶应用于酿酒, 每100 kg原料可增加出酒量10～15 kg,节粮20%, 且酒的口感醇香，杂醇油含量低。

同时，在啤酒生产中的啤酒糟的处理上也有研究表明用纤维素酶进行降解取得了满意的结果。

2.2.3 纤维素酶在食醋酿造中的应用
因为纤维素酶可以破坏植物细胞壁, 便于淀粉、蛋白质、脂肪类物质的释放, 所以在食醋酿造过程中，通过添加纤维素酶可以加快发酵速度，提高食醋的产量和主料出品率。

在杨玉华等的研究中表明，在食醋生产时，每克主料用纤维素酶10～50U ,最终食醋产量和主料出品率可分别较为加酶组提高0.25～1.38 kg 和5.1%～27.2%。

2.2.4 纤维素酶在酱油酿造中的应用
目前,我国在酱油生产中原料蛋白的利用率最高80%左右,最低只有30% ,而先进国家这项指标一般在85% - 95% ,在我国酱油生产过程中,发酵控制水平很低。

为使酱油生产中原料资源得到充分利用,以提高生产水平,云秀芳在酱油生产过程中，即在入曲池时,添加纤维素酶, 进行了试验研究。

结果表明加入纤维素酶后可提高蛋白的利用率,最高可达44.85%，比未加组提高约3.16%-4.72%。

但是淀粉利用率提高不明显。

同时，纤维素酶用于固态无盐酱油发酵能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质, 提高酱油收得率，加快发酵速度, 改善酱油风味和质量。

而酶制剂用量仅为0.0125%, 酱油中还原糖则可增加10.7%, 色度提高4.2%, 全氮和原料利用率分别比不加纤维素酶提高8.6%和8.1% 。

2.3 纤维素酶在纺织工业上的应用
2.3.1 纤维素酶在生物抛光处理中的应用
天然纤维素的结构复杂，结晶度高，在一定酶浓度和时间条件下很难把纤维素完全水解成葡萄糖单体, 仅对织物表面或伸出织物表面的茸毛状短小纤维作用。

从20世纪80年代开始，利用纤维素酶进行的生物抛光技术便开始应用于纺织行业。

也就是去除从纤维表面伸出的细微纤维, 经纤维素酶处理后稍经机械加工就可以得到表面平滑而茸毛少的织物。

生经过生物抛光处理的织物还有诸多优点:穿着洗涤不易起球, 染色鲜艳, 保色保新时间长, 尤其对
印花织物效果更好。

2.3.2纤维素酶在减量处理中的应用
纤维素纤维织物用纤维素酶处理都伴随着纤维的减量或失重, 并引起许多性能变化。

纤维素酶整理的减量是由化学催化水解和机械搅拌协同形成的,是物理减量和化学减量的综合结果。

减量加工大多数采用液体染色机和水洗机。

棉织物经过纤维素酶整理后, 织物表面的绒毛将被被去，而光洁、颜色更鲜艳。

但是如果织物被减量过大, 纤维的强度会受到损伤。

棉织物的失重率一般控制在3% ～5%范围为好。

2.3.3 纤维素酶在水洗和石磨处理中的应用
纤维素酶现在已广泛应用于牛仔裤等产品的洗涤加工, 代替石洗加工工艺。

棉条绒和牛仔布服装采用纤维素酶处理后, 织物的手感柔软, 条绒织物表面绒毛整齐, 光泽柔和, 悬垂性和弹性提高。

牛仔服能达到石磨水洗的效果。

而且与传统的化学助剂整理工艺相比, 酶洗工艺大大减少了污水排放, 有利于环境保护。

2.3.4纤维素酶在纺织工业其它处理的应用
现在纤维素酶在纺织工业上除上述一些应用外,还有许多应用之处。

比如，纤维素酶可与脂肪酶、果胶酶共同应用于棉织物的精练加工, 去除棉纤维中的天然杂质。

纤维素酶整理也用于黏胶、Lyocell和醋酸纤维织物, 能改善织物的手感、悬垂性, 去除织物表面的绒毛, 减少了黏胶织物的起球倾向和Lyocell织物的原纤化倾向。

大家熟悉的苎麻织物因为存在手感粗糙、穿着刺痒感问题, 严重影响了苎麻织物的使用性能, 通过纤维素酶减量整理, 能够使织物获得柔软的手感和光洁的布面, 刺痒感消失或改善。

纤维素酶在纺织工业中的作用也越来越大，但现在技术上的问题业有不少，还需要进一步提高。

2.4 纤维素酶在饲料业中的应用
2.4.1纤维素酶在饲料中作添加剂的应用
随着科技的发展，酶制剂作为家畜饲料添加剂在国外已引起越来越多的关注。

用于制作酶剂的酶有多种，由于家禽家畜一般难消化利用纤维素和半纤维素,因此,纤维素酶在饲料酶制剂中应用最为普遍。

使用饲料纤维素酶制剂,可以促进动物的消化吸收,大大提高动物对饲料的利用率。

2.4.2纤维素酶在制备低纤维饲料中的应用
由真菌木霉和黑曲霉所产生的纤维素酶同时含有能将天然纤维素降解成易消化糖的多种酶组分, 且降解纤维素的能力很强。

利用纤维素酶这种特性, 可使粗饲料制作成低纤维饲料。

这已在兔等家禽饲养中得到了试验应用。

2.5 纤维素酶在医药工业中的应用
目前纤维素酶在医药行业中的应用也越来越广泛，比如用于植物药效成分提取、中药提取成分分析方面、某些疾病的治疗上都有研究，并取得了较好的结果。

但因起步晚，技术不够完善，所以还存在不少不足之处。

2.5.1纤维素酶在植物药提取时的应用
在国内，已有许多学者在这方面进行研究。

比如：邢秀芳、马桔云等将纤维素酶用于葛根总黄酮的提取中，经纤维素酶的作用,葛根总黄酮的收率比未加纤维素酶组提高了13%; 经t 检验, 两种提取方法的P < 0.01。

而且经TLC鉴别，两种方法的所得结果显示成分一致，也就是说，通过酶处理后没有破坏葛根的成分。

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15.7%;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。

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25.97%。

赵宁等在提取干红辣椒中辣椒素的研究中,确定了酶解的最优条件为：酶解温度为45℃，酶解液初始pH=5．4，酶解时间为3h，酶量为7．5m/g辣椒。

最终得出结果:酶法提取工艺比传统丙酮浸提法辣椒素产量提高了30%。

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23.5%。

同时TLC鉴别表明其酶法未引起
成分的改变。

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23.5%和55.69%。

从这些结果均表明，纤维素酶在植物药提取中的优势所在。

纤维素酶预处理能显著提高药效成分的提取率,而且操作简便易行,对设备要求不高。

同时利用纤维素酶水解条件温和,降低了随后的溶剂提取的难度,使整个提取工艺条件温和化,有助于保持药效成分的原有性质。

由于在提取时高温煎煮对活性成分药效的影响，低温则不利于植物药纤维素的破坏，而纤维素酶可能能克服这些问题，将提取温度降至接近人体温度,即所说的“仿生化提取”法。

2.5.2 纤维素酶在治疗疾病中的一些应用
纤维素酶在治疗疾病方面的应用较少。

在李晓勤、张景军的研究中，他们利用纤维素酶来治疗牛前胃弛缓。

前胃弛缓是指前胃神经肌肉兴奋性降低、收缩力减弱、瘤胃内容物运转迟滞所引起的一种消化机能紊乱综合症。

通过5年的临床实验，结果对所治疗的78例牛前胃弛缓中，其中原发性前胃弛缓共58例，治愈53例，好转5例；继发性前卫迟缓有的饿由于失水过多，有的由于中毒太深而死亡5例，好转的1例，治愈的14例。

其结果十分满意，而且没有毒副作用。

2.6 纤维素酶在其他领域中的应用
由于纤维素酶作为一种特殊的催化剂，现在在制浆造纸工业生产过程中也有不少实际应用，比如制浆、树脂障碍控制、漂白、废纸脱墨以及废水处理等。

纤维素酶还广泛应用于地质钻井中, 其洗井用量为0. 1～1 kg/ m3 孔段体积,它能在静压下使淤塞在井壁内冲洗液中的魔芋聚糖催化水解为单糖, 快速恢复岩层的透水性质,提高洗井质量。

此外,利用纤维素酶生产的洗涤剂可作为降硬剂使用, 它是一种具有高活性纤维素酶的浓缩洗涤剂组合物, 性能极佳。

而且纤维素酶在可降解塑料业中的应用。

3 结语
纤维素酶具有广阔的应用前景, 当前只有少数发达国家拥有纤维素酶的生产及应用技术,
产品的垄断造成市场价格奇高不下。

丹麦的Novo Nordisk和美国的Genencor两公司成为世界上最大的纤维素酶生产商和供应商。

从20世纪90年代开始国内首条年产2000t纤维素酶生产线在黑龙江省海林市万力达集团公司投产，使我国成为继美国、日本、丹麦之后世界上第4个能生产纤维素酶的国家。

但目前我国生产厂家少、生产规模小,应用技术尚需进一步攻关，同时由于菌种选育和生产技术进展不大、酶活力低、成本高。

而另一方面，目前国内对纤维素酶的需求量很大.年需求量在3000-4000吨。

使得纤维素酶的研究成为当前的热题。