纤维素酶

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在生物机械法制纸浆过程中，利用纤 维素酶能有效地节约精炼过程中的能耗， 并且能提高手感硬度。人们利用纤维素酶 和半纤维素酶混合物来改变纤维属性，以 期提高造纸厂的排水，打浆性能及效率。 同时可以改变成纸的物理性能，提高纸张 的抗张指数、压缩性和透明度。在实验室 和实验工厂人们已经深入研究了酶法去除 墨溃，但是这项技术还没有商业化。
放线菌中的分枝杆菌和原放线菌几乎不产纤维素 酶或产量极低，产量稍高的主要是黑红旋丝放线 菌（Actinomyces melanocyclus）、玫瑰色放线菌（A. melanocyclus） roseodiastaticus） roseodiastaticus）和纤维放线菌（A. cellulosae）。 cellulosae） 现在用于生产纤维素酶的微生物大多属于真 菌，因为真菌产生的三类纤维素酶，能分泌到菌 菌，因为真菌产生的三类纤维素酶，能分泌到菌 体外，一般不聚集形成多酶复合体，但相互发生 强烈的协同作用。研究较多的有木霉属、曲霉属、 强烈的协同作用。研究较多的有木霉属、曲霉属、 青霉属、根霉属和漆斑霉属。
二、纤维素酶的研究
自从 1904 年在蜗牛消化液中首次发现纤 维素酶后，人类对其研究经历了三个发展时期： 第一阶段是 20世纪80年代以前，主要工作是利 用生物化学的方法对纤维素酶进行分离纯化。 但由于纤维素酶来源广泛，组分复杂，纯化甚 为困难，进展缓慢。
第二阶段是 1980 年至 1988 年，主要工作是 利用基因工程的方法对纤维素酶的基因进行克隆 和一级结构的测定。其中里氏木霉的内切酶和外 切酶、粪肥纤维单胞菌的内切酶和外切酶、热纤 梭菌的内切酶的基因己被克隆和测序，并在大肠 杆菌，酵母菌等载体中得到表达。 第三阶段是利用结构生物学及蛋白质工程的方 法对纤维素酶分子的结构和功能进行研究，包括 纤维素酶结构域的拆分、解析、功能性氨基酸的 确定、水解的双置换机制的确定、分子折叠和催 化机制关系的探讨。
纤维素酶的研究和发展前景
一、纤维素应用的现状
纤维素类物质是是植物光合作用的最主 纤维素类物质是 是植物光合作用的最主 要产物 ,是自然界中最廉价、 最丰富的一类 是自然界中最廉价、 可再生资源。 可再生资源 。 全世界每年产农作物秸秆一千 亿～两千亿吨 , 我国每年达六亿吨以上， 由 我国每年达六亿吨以上 ， 于秸秆中纤维素含量很高 ， 于秸秆中纤维素 含量很高， 且自然状态下极 难分解， 难分解 ， 导致大部分秸秆只能就地丢弃或焚 烧不能归还土壤 , 需长期堆积才能腐解的秸 秆不仅占用耕地还限制营养元素回还土壤 , 而且焚烧秸秆产生的烟尘严重影响生态环境 和人类健康。 和人类健康。
（ 3）纤维素的降解涉及到酶的吸附、酶的协同降 解和包括产生羟基自由基在内的氧化机制等，而这 些问题目前研究的还不太清楚。其中吸附中存在纯 酶组分和粗酶液中相应组分吸附差异的争议；协同 降解中三种类型的的协同机理也存在较大争议； 总之，目前在纤维素酶研究中还存在很多问题， 但相信随着人们对纤维素酶的研究工作的深入，纤 但相信随着人们对纤维素酶的研究工作的深入，纤 维素酶必将在轻工业、医药、食品、饲料、环保、 能源和资源开发等，领域中发挥越来越大的作用。 纤维素酶作为一个新兴产业之一，前景是光明的， 大有发展前途大的。
因此，如果能将天然纤维素降解为可利用的糖 类物质 ,再进一步转化为乙醇、菌体蛋白、气体燃 料( 如氢气) 等物质 ，对解决当今世界所面临的 如氢气) 环境污染 、粮食短缺 、饲料资源紧张和能源危机 等问题具有重大现实意义 。而降解纤维素效果最 好的是纤维素酶。自然界存在很多产纤维素酶的生 物 。
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五、纤维素菌的分离思路
（一）纤维素降解菌能分泌纤维素酶，使纤维素 分解，以作为生命活动所需要的碳源。所以如 果在固体培养基中仅以纤维类物质（如滤纸、 羧甲基纤维素钠、微晶纤维素等）作为惟一碳 源，那么只有能分解纤维素的微生物可以生存， 其他微生物由于缺乏纤维素酶，不能利用纤维 素作为碳源而无法生存。这样就可以分离到能 分解纤维素的微生物。
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水解酶是用于单胃动物饲料中最主要的酶类。 这类酶的主要作用有：消除谷物和蔬菜中的抗营 养因子；降低谷物中特定成分，提高饲料的营养 价值；补充动物自身的消化酶类（如蛋白酶、淀 粉酶和葡聚糖酶，这些酶在断乳后不足）。现在， 含高活性纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的复合 含高活性纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的复合 酶制剂己经用于提高饲料的营养价值；在单胃动 酶制剂己经用于提高饲料的营养价值；在单胃动 物饲料生产过程中添加 β-葡聚糖酶和木聚糖酶， 能够降解 NSP，显著提高饲料消化率和吸收率， NSP，显著提高饲料消化率和吸收率， 增加动物体重。 在青贮中添加纤维素酶有助于植物细胞壁的 分解，提供更多的碳水化合物以促进青贮发酵，
（二）纤维素分解菌的分离鉴定技术路线
六、 纤维素酶的应用
早在 1950 年，由于纤维素酶和相关酶能 将丰富的可再生资源— 将丰富的可再生资源 — 纤维素转化为葡萄糖 和可溶性糖， 而引起了人们广泛研究。 和可溶性糖 ， 而引起了人们广泛研究 。 随后 的研究表明， 纤维素酶、 的研究表明 ， 纤维素酶 、 半纤维素酶和果胶 酶在许多工业中都有广泛的用途， 如食品、 酶在许多工业中都有广泛的用途 ， 如食品 、 酿造、 啤酒、 动物饲料、 纺织干洗、 酿造 、 啤酒 、 动物饲料 、 纺织干洗 、 制浆造 纸、农业以及基础科学研究中。 农业以及基础科学研究中。
（一）制浆和造纸工业中的应用 （二）纺织和干洗业中的应用 （三）动物饲料中的应用
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（四）食品及酿造领域中的应用 （五）在医药领域中的应用
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七、 纤维素降解研究中存在的问题
尽管纤维素酶的具有广阔的应用前景，但目 前仍处于试验阶段，距离实际应用仍有一定距离。 这一领域有待解决的问题有以下几点 ： （1）现有纤维素微生物降解效率依然较低，仍然 存在酶活力低、比活力不高等问题，因此需要不 断地分离和选育纤维素分解高效菌株满足理论研 究和生产应用。 （2）纤维素降解菌的纤维素酶诱导机理及诱导物 还有很大的争议，先后在不同的菌种中发现了不 同的诱导物，而简青霉作为新发现的纤维素降解 菌其纤维素酶诱导方面尚无人研究，所以这方面 有必要进一步研究。
三、纤维素酶的组成
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 ，将纤维 素降解为寡糖和纤维二糖 ,最终水解为葡萄糖。 一般将纤维素酶分为三类： (1)内切葡聚糖酶（endo-1,4-β-Dglucanase,EC.3.2.1.4, 简称 EG）,这类酶作用于纤维素分子内部的非结 晶区，随机水解 β-1，4-糖苷键,将长链纤维分 子截断,产生大量非还原性末端的小分子纤维素。
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在葡萄酒生产中，果胶酶、β 在葡萄酒生产中，果胶酶、β-葡聚糖酶和半纤维素 酶是最常用的。在葡萄酒生产中利用上述酶类的主要作用 有：有利于果皮浸解，提高色素提取；有利于澄清和过滤； 提高葡萄酒的质量和稳定性。近年来，β-葡萄糖苷酶也 提高葡萄酒的质量和稳定性。近年来，β 引起了人们的注意，因为它能修饰葡萄酒中糖基化的前体 物质，提高葡萄酒的香味。 纤维素酶应用于制酒工业，不仅可提高酒精和白酒的 出酒率，还可降低醪液的粘度（降低2～4倍），若使用野 出酒率，还可降低醪液的粘度（降低2 生植物的淀粉作为发酵工业原料，添加纤维素酶对原料利 用率的提高更明显。 此外，纤维素酶在淀粉生产、大豆加工、罐头工业、 香料生产、速溶茶生产以及烟草品质的提高等方面也有广 泛的应用。
四、纤维素酶的来源
纤维素酶来源非常广泛， 昆虫 、 软体动物、 纤维素酶来源非常广泛 ， 昆虫、 软体动物、 原生动物、细菌、放线菌、 原生动物、细菌、放线菌、真菌等都能产生纤 维素酶。细菌产生的纤维素酶的量较低， 维素酶。细菌产生的纤维素酶的量较低，主要 是 EG ， 少数细菌能分泌外切葡聚糖酶 ， 大多 EG， 少数细菌能分泌外切葡聚糖酶， 数细菌 EG 对结晶纤维素没有活性，而且这些 对结晶纤维素没有活性， 酶主要是胞内酶或吸附于细胞壁上， 酶主要是胞内酶或吸附于细胞壁上，很少能分 泌到细胞外，增加了提纯的难度， 泌到细胞外，增加了提纯的难度，在工业上很 少采用。目前研究较多的是纤维素粘菌属、 少采用。目前研究较多的是纤维素粘菌属、生 孢纤维粘菌属、纤维杆菌和芽孢杆菌属。 孢纤维粘菌属、纤维杆菌和芽孢杆菌属。
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使植物纤维成分含量下降，改善牧草的营 养价值，从而引起家畜生产性能的提高。 纤维素酶对青贮发酵过程的影响主要包括 以下几个方面：对植物细胞壁的影响；对 青贮发酵的影响；对青贮消化率和动物生 产性能的影响。
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在 1930 年前后，当水果业开始生产果汁时，产率非 常低，且果汁过滤也遇到许多麻烦。通过对适合工业生产 用的果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶（来自食品级微生物， 如黑曲霉和木霉属）和水果组分的研究，帮助人们克服了 这些困难。目前已将果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶联合 应用于果蔬汁的榨取和澄清。 大麦麦汁中常含有 6～10% NSP，主要是可溶性 β-葡 NSP，主要是可溶性 聚糖，它延长了过滤时间，降低了过滤率或在终产品中形 成雾状物。一般可通过添加外源性微生酶（尤其是 β-葡 聚糖酶）来解决这些问题，来自黑曲霉、枯草芽孢杆菌和 里氏木霉菌等的 β-葡聚糖酶是最常用的。许多学者研究 了不同 β-葡聚糖酶对啤酒麦芽汁的作用效果。
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也有一定应用，纤维素酶通过促进饲料中纤维 素和半纤维素的分解，一方面直接降低了它们 的致病因素，另一方面，使可溶性物质含量增 加，促进有益微生物的活动。同时，纤维素酶 产生菌所形成的其他一些物质可调整胃肠菌群 平衡生长，促进废物和一些有害物的排出。许 多研究者经过一系列的研究，一致认为纤维素 酶制剂在治疗草食性家畜胃肠疾病方面具有疗 效高、疗程短、使用方便、无副作用和经济等 优点。
(2)外切葡聚糖酶(exo-1，4-β-D-glucanase， EC.3.2.1.91来 自真 菌简称CBH，来自细菌简 称 Cex，又称为 Cx酶。）这类酶作用于纤维素 分子的非还原端,依次水解 β-1,4-糖苷键,每 次切下一个纤维二糖分子。 (3)β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,EC.3.2.1.21, 简称 BG）,这类酶水解纤维二糖和短链的纤维寡 糖生成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解 很快，随着葡萄糖聚合度的增加水解速度下降。