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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,终水解为葡萄糖。
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:内切葡聚糖酶(endo-1,4-β-D-glu-canase,EC3.2.1.4,来自真菌的简称EG,来自细菌的简称Cen)或称为Cx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-β-D-glu-canase,EC3.2.1.91,来自真菌的简称为CBH,来自细菌的简称为Cex)或称为C1酶,这类酶主要作用于纤维素线状分子的末端,水解β-1,4-糖苷键,每次切下一个纤维二糖分子；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,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。
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(Synergism),原初反应假说(Initialdegrading)和碎片理论(Fragmentation),其中以协同理论为广泛接受。该理论认为是内切葡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,β-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,协同作用明显。
协同作用是纤维素酶系的重要的特征之一,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。
1.3产纤维素酶的微生物 微生物是纤维素酶的主要来源,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(Fibrobacter)和芽孢杆菌属(Clostridium)等,代表菌种有热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)、嗜酸纤维分解菌(AcidathermusCelluloluticus)、嗜碱纤维单胞菌(Cellu-lomonasfimi)和褐色热单孢菌(Thermomonosporafusca)等。真菌类有木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penillium)、根霉属(RhizopusEhrenberg)、漆斑霉属(Myrothecium)和枝顶孢霉属(Acremonium)等丝状真菌,代表菌种有绿色木霉(Trichodermaviride)、康氏木霉(Tri-chodermakoniggii)、黑曲霉(Aspergillusniger)、绳状青霉(Penicilliumfuniculosum)、变幻青霉(Penicilliumvariabile)、变色多孔霉(Polyporusversicolor)等。放线菌类主要有链霉菌属(Streptomyces)、高温放线菌属(Thermoactinomycete)和弯曲热单孢菌(Theremomonosporacurvata)等。目前研究较多的是真菌和细菌,对放线菌研究的相对较少。
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。
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(Paecilomyces)和斜卧青霉(Penicilliumde-cumbens)等生产的纤维素酶。
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。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,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3.096mg/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。胡贤春等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40min时,苦丁茶的浸提效果较佳。谢玉锋等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。
此外,纤维素酶还可以用在酱油糟的利用上,在质量分数为2.5%的酱油糟中加入1%的纤维素酶,一定条件下,作用18～24h,能使糟中30%～40%的含氮物质溶出,过滤后,滤液具有和酱油同样的香味。
2.2在饲料工业中的应用 畜禽饲料中含有大量的纤维素,除某些反刍动物具有分解纤维素能力外,大部分畜禽不具此能力。纤维素酶应用于饲料工业,主要是用作饲料添加剂。该酶主要有三个方面的作用:(1)破坏植物细胞壁,释放胞内养分；(2)补充动物内源酶的不足,激活内源酶的分泌；(3)减轻或消除饲料抗营养因子。大量试验研究表明,饲料中添加纤维素酶对各种动物的饲喂效果十分显著。
周娟等研究了饲料中添加纤维素酶对肉仔鸡生产性能和营养物质利用的影响,结果表明:添加纤维素酶的饲料能明显提高肉仔鸡的体重,分别是对照的1.13和1.56倍；料重比分别降低了10.79和18.26。吴桐忠研究了秸秆中添加纤维素酶对羔羊增重效果的影响,试验组比对照组羔羊全期日增重提高35.27、30.29、31.47和28.46个百分点,且差异显著。王照忠等用纤维素复合酶饲喂奶牛实验表明,纤维素复合酶可明显提高奶牛的消化率。王平等研究了日粮中添加纤维素复合酶对育肥绵羊生长和消化性能的影响,结果表明:添加纤维素复合酶对育肥绵羊生长有显著的促进作用,可提高日增重43.98个百分点,降低料重比30.55个百分点。高春生等在草鱼饲料中添加0.1%的纤维素酶,结果发现纤维素酶能有效地提高草鱼饲料的营养物质消化率,降低饵料系数,提高饲料利用率。
2.3在纺织工业中的应用 在纺织工业上,利用纤维素酶可以对纤维素纤维织物进行减量、石磨水洗和生物抛光等优化加工。
2.3.1减量处理 减量处理主要是改善织物的柔软、弹性和悬垂性。从目前纤维素处理纤维素织物形成的减量看,减量可以分为化学减量和物理减量,化学减量是纤维素酶催化水解纤维素成为葡萄糖而使织物达到减量,而物理减量是非化学催化水解(表面纤维剥离)造成的减量。由于减量处理也会使织物的重量减轻,强 力下降,研究证实,减量率控制在3%～5%,就能使织物有柔软的手感,而织物强 力保持在允许范围内。
2.3.2石磨水洗处理 石磨水洗就是用一定量的浮石和少量的剥色剂及洗涤剂在洗衣机中进行磨洗,利用浮石与服装之间的摩擦作用使染料脱落而且在局部棱角和缝接处产生磨白作用而产生立体感,从而使牛仔服风格独特、身价倍增。纤维素酶目前广泛应用于牛仔服的洗涤加工中。早期应用在靛蓝牛仔服装的洗涤整理上,以达到与石磨相同的染料脱色、洗白等褪色仿旧效果。利用纤维素酶对牛仔服表面的剥蚀作用,纤维素酶仅对牛仔服表面部分水解,造成纤维在洗涤时发生脱落,在纤维素酶处理时,牛仔服在转鼓中不断摩擦,加速其表面纤维的脱落,并使吸附在纤维表面的靛蓝等染料一起去除,产生石磨洗涤的效果。与传统的石磨水洗处理相比,使用纤维素酶水洗工艺可以缩短水洗时间,对人体危害和环境污染较小,处理后织物质量好并保持织物手感柔软。
2.3.3纺织品的生物抛光处理 生物抛光主要是利用纤维素酶去除织物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。与采用传统的加工方法相比,生物抛光具有使织物表面更光洁、均匀和穿着洗涤不易起球,染色鲜艳,保色保新时间长等优点。高树珍采用酸性纤维素酶处理,可在保证强 力不受到严重损伤的情况下去除棉织物表面的毛羽,从而大大提高了棉织物的服用性能。冯愈对苎麻织物经纤维素酶预处理后,再进行混合多羧酸防皱整理,可提高苎麻织物的白度和柔软性,且布面光洁,服用性能良好,断裂强 力保留率仅略有下降。周文常利用纤维素酶对亚麻织物进行生物抛光整理后改善了手感、毛效,并减轻了刺痒感,提高了亚麻织物的服用性能及附加值。
2.4在生物质能源开发上的应用 当今世界,不 可再生能源如石油、煤炭、天然气等化石燃料正面临着枯竭的危险,寻找其替代产品已成为全球共识。生物质是唯可以转化为液体燃料的可再生资源,将生物质转化为液体燃料,不仅能够弥补化石燃料的不足,而且有助于保护生态环境。纤维生物质中的纤维素可被纤维素酶降解生成还原糖,再利用还原糖的发酵来生产具有更强的可持续性的二代生物燃料———纤维素燃料乙醇。因此,利用纤维素酶生产燃料乙醇对解决人类的发展问题具有化时代的意义。联合国环境署近期发表报告预测,目前全球各国都在努力开发生物乙醇。美国正在以野生植物柳枝稷作为二代生物燃料的重要原料加以研究。巴西石油公司则在研究利用秸秆、稻壳和甘蔗渣等农林废弃物提炼乙醇,并且计划于2011年建设首座纤维素乙醇工厂,2015年实现商业化生产。哥伦比亚石油署的专家,试验利用蓖麻、松子、葵花子、甘薯粉、甜菜、香蕉、鳄梨和咖啡豆残渣等为原料,生产生物柴油。中国科学院知识创新工程重大项目“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”项目研究工作已取得了显著进展。
目前生物乙醇主要是采用淀粉为原料生产,其成本价较高。为此,以廉价的农作物秸秆等生物废料为原料的纤维素生物乙醇生产技术已成为研究的热点,全球已有几十套中试生产线或试生产线。
2.5在其他领域中的应用 纤维素酶在中草药有效成分提取、造纸、地质钻井等方面均有很大应用潜力。王岩岩等研究表明,与传统化学法相比,纤维素酶法提取陈皮黄酮较好,黄酮提取率从2.78%提高到4.35%。在优化条件下,黄酮的提取率可达到6.96%,且与化学法提取黄酮成分相同。李开泉采用纤维素酶预发酵处理与不加酶直接提取两种方法对纤维素酶提取乌索酸的效果进行了对比研究。结果显示,加酶组的乌索酸提取率明显高于不加酶组。用纤维素酶适当处理纸浆,能增加微细纤维生成量和提高保水度,有可能促进某些纸张抗张力提高。纤维素酶应用于地质钻井中,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,纤维素酶还应用于医药行业制消化剂等。
3.问题与展望
虽然纤维素酶的发现距今已有上百年的历史,纤维素酶的研究与应用取得了很大的进展,但是纤维素酶是一种组成十分复杂的酶,其作用机理至今尚不明了,它也是目前糖苷酶类中唯尚有许多问题待解决的酶。另外,现有菌株所产的纤维素酶大部分都不同程度存在着酶系不完全,酶活不够高等问题。然而,纤维素酶是有着巨大应用潜力的酶。因此,进一步阐明纤维素酶的各组分的功能与作用机理；选育优良的产纤维素酶菌株,提高降解天然纤维素的能力；根据不同需要研制不同组分比例的纤维素酶；优化纤维素酶的生产工艺,降低纤维素酶的生产成本是当前和今后纤维素酶研究的主要任务和方向。随着纤维素酶研究的不断深入和新的研究成果的陆续取得,相信纤维素酶的应用范围会更加广泛,在食品、饲料、纺织、资源开发等众多领域中将发挥更大作用,尤其是在纤维素类物质的有效利用和未来生物质能源的开发上。
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