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1纤维素酶的应用研究进展哈尔滨商业大学食品工程学院生物工程（中外合作）三班汤柱150000摘要：纤维素酶是一类能够水解纤维素的β-D-糖苷键生成葡萄糖的多组分酶的总称，是一类高活性的生物催化剂，具有广泛的应用价值【1】。本文主要介绍了纤维素及纤维素酶、作用机理及在农牧业、工业、食品上的一些应用。关键词：纤维素酶应用展望纤维素类物质是自然界中存在的最廉价、最丰富的一类可再生资源。全世界每年的植物体生成量高达1500亿t干物质,其中一半以上为纤维素和半纤维素。如果将天然纤维素降解为可利用的糖液,再一步转化为酒精、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【2】。纤维素酶的研究历经了上百年,取得了很大进展,已经在农牧业、工业、食品、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纤维素及纤维素酶的简介：纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖,不溶于水及一般有机溶剂,是植物细胞壁的主要成分,是地球上极为丰富、可再生的生物质资源。它占植物干重的35%~50%,是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物,它的降解是自然界碳素循环的中心环节，纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称,广泛存在于自然界的生物体中。细菌、真菌、动物体内等都能产生纤维素酶。根据作用方式,一般可将纤维素酶分为3类:外切β-1,4-葡聚糖苷酶(简称CBH)、内切β-1,4-葡聚糖苷酶(简称EG)和β-1,4-葡萄糖苷酶(简称BG)。其中:内切β-1,4-葡聚糖苷酶的作用是将天然纤维素水解成无定形纤维素;外切β-1,4-葡聚糖苷酶的作用是将无定形纤维素继续水解成纤维寡糖;β-1,4-葡萄糖苷酶的作用是将纤维寡糖水解成葡萄糖。各组分的底物专一性、比例均存在差异。因此,根据不同种类的纤维素,针对性地研制专用型酶、复合型酶才是利用纤维素酶的最终目的。在这3种酶的协同作用下,纤维素最终被分解成葡萄糖【3】。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),其中以协同理论最为广泛接受【4】。该理论认为是内切葡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,β-葡萄糖苷酶再水解纤维二糖单位2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。3纤维素酶的主要应用：3.1在农牧业上的应用植物纤维素是反当动物的重要营养来源，它可通过反当动物消化道(如:瘤胃)中微生物的作用而转变成糖，并进一步转化成各种酸和醇，被吸收利用，但许多非反自动物消化道中不具有这类微生物。如将饲料用酶处理或在其中添加纤维素酶，将促进这些动物对饲料的消化和吸收。目前纤维素酶多与其它酶共同制成复合酶制剂，其中含纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、蛋白酶等。在农业实践中已有很大成效，如，用于饲料可使鸡增重20%一30%，鸡产蛋率提高7%。饲料转化率提高5%~8%，猪增重16%一23%，饲料利用率提高12.4%。罗非鱼增重12%~16%。并且酶化饲料比加酶饲料好。对于牛羊等草食性动物也有较好的效果，犊牛增重提高10%~14.1%，羔羊增重提高16.87%。纤维素酶能降解纤维素，使之转化成糖。它还能破坏细胞壁，使细胞内物质释放，提高了营养价值。另外纤维素酶制剂中还含有其它酶，如:淀粉酶、蛋白酶，也有助于提高动物对营养物质的消化【5】。在牛、猪等养殖中,纤维素酶能将饲料中的纤维素降解成可消化吸收的还原糖,提高饲料的营养价值。利用微生物发酵法生产的纤维素酶可将植物纤维分解为葡萄糖,消除饲料中非淀粉多糖的抗营养作用,并降低肠道内容物的黏度。纤维素酶用作饲料添加剂,能明显提高饲料消化率和利用率,促进动物生长。在奶牛的养殖上,纤维素酶能增强奶牛食欲,增加其对粗饲料的采食量,提高饲料的消化率和利用率,提高产奶量,同时,还能降低奶牛消化道的发病率。刘建昌等在荷斯坦奶牛的配合精料中添加0.1%(质量分数,下同)的纤维素酶制剂,经过60d的试验观察,结果表明添加纤维素酶,每头奶牛日平均产奶量提高了14.89%【6】。在肉牛的养殖上,有研究表明纤维素酶可提高肉牛日增重,缩短育肥周期,增加经济效益。3.2在工业上的应用纤维素酶在造纸中的应用主要包括纤维素酶法废纸脱墨、纤维素酶法处理改善纸浆性能和纤维素酶法处理改善纤维成纸性能。与化学脱墨相比,酶法脱墨的效果更好,而且脱墨后的浆料成浆物理性能得到提高;同时,酶法脱墨具有更好3的可漂性。酶法脱墨可以通过改变酶的组成、用量、处理时间、pH值和添加一些助剂来控制油墨粒子的大小分布和形状。所以,酶法脱墨可以有效地提高浮选脱墨效果,从而能够有效地去除大粒径的、扁平的和刚硬的油墨【7】。在pH值为5.5的条件下,研究人员用纤维素酶和半纤维素酶的复合酶对凸版印刷和彩色胶版印刷的新闻纸进行了脱墨评价【7】。结果表明,半纤维素酶和纤维素酶组合处理的凸版印刷纸白度增值最大,而用纤维素酶处理的纸浆中,经图像分析仪测得的残余油墨面积最低。对彩色胶印纸,酶处理和浮选能够非常容易地去除水基油墨,纸浆白度也比常规脱墨浆高,并且纸浆白度随酶的用量和反应时间的增加而提高。酶处理改善纸浆性能包括降低机械浆的磨浆能耗、提高化学浆的打浆性能和改善纸浆纤维性质。酶处理可以改善磨浆性能,纸浆在磨浆之前,用纤维素酶、半纤维素酶进行预处理,可以改进磨浆效果【8】。纤维素酶在纺织工业中主要应用如下:用于牛仔服的生物水洗,代替传统的石磨工艺;用于棉布的酶减量处理,使织物手感厚实柔软;用于棉麻织物中,可除去织物表面的毛羽,使外观光洁,减少刺痒感;可增大纤维素无定形区,提供良好的染色条件。纤维素酶生物整理是近十几年来纺织品后整理加工中的一项新技术,由于它能赋予织物光洁的外观、柔软的手感等优良性能,同时不增加环保负担,在纺织品的湿加工中有着广泛的应用前景,因此已越来越受到人们的重视。生物抛光、手感和柔软性,从而提高织物的性能和附加值。在实际生产中,应根据织物种类和使用设备制定出合理的生产工艺,纤维素酶的用量和处理时间应根据织物的厚薄情况和设备运行速度来制定【9】。纤维素酶能使织物表面的毛羽软化,削弱其与纤维的结合,如果加以机械搅拌作用,可利于毛羽的脱落,能够快速达到抛光所要求的光洁程度。3.3在食品中的应用在食品工业中植物性农产品是其主要原料,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【10】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【11】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【12】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4时间短、温度要求低,操作简单。如能合理地利用纤维素酶,则有望促进对果蔬汁液的提取和澄清,增加水溶性纤维的含量,增加膳食纤维在果汁中的比例,提高果汁生产的产量。例如:在无囊桔子罐头生产中,用纤维素酶处理可促进桔子脱囊衣;在水果汁加工中可促进果汁的提取和澄清;在保鲜蔬菜加工中可加速脱水等【13】。白酒酿造所用的原料中,传统工艺采用糖化酶水解,只能将原料中的淀粉水解使其转化成糖,而大部分纤维质成分则转化不了,被白白浪费掉。在糖化过程中加入纤维素酶,添加量为11U/g,淀粉出酒率可以提高1.2%,发酵周期可以缩短6h。在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒的出酒率和原料的利用率,降低溶液的黏度,缩短发酵时间,而且酒的口感醇香,杂醇油含量低。王建等通过单亲灭活原生质体融合技术,构建了直接发酵淀粉产生酒精的酵母融合株F21和F25,其酒精产量可达8.8%和11.5%【14】。研究人员利用里氏木霉产生的纤维素酶水解经硫酸和高温、高压处理过的啤酒糟,适宜条件下,100g干啤酒糟可水解得10.8g还原糖,酶解液用于培养酵母菌提取麦角醇,残渣是生产菌体蛋白的原料【15】。总体来说,纤维素酶对于提高原料利用率、降低生产成本、提高酒质很高的应用价值。4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一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。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,在农牧业、工业和食品行业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。参考文献[1].顾方媛等,纤维素酶的研究进展与发展趋势.微生物学杂志,2008(1):第83-87页.[2].徐昶,龙敏南,邬小兵等.纤维素酶菌株的筛选及产酶条件研究.厦门大学学报(自然科学版),2005,29(1):107~111.[3].王亮等,纤维素酶的应用研究进展.河北工业科技,2010(6):第441-443+461页.[4].王巧兰,郭刚,林范学.纤维素酶研究综述[J].湖北农业科学,2004,3:14-18[5].洪泂与黄秀梨,纤维素酶的应用.生物学通报,1997(12):第18-19页.5[6].刘建昌,林洁荣.添加纤维素酶制剂对奶牛产奶性能的影响[J].中国畜牧杂志,2001,37(3):31-32.[7].赵玉林.纤维素酶在造纸工业中的应用研究进展[J].纸和造纸,2002(2):64-66.[8].周学飞.纸浆仿酶脱木素与漂白[J].中国造纸学报,2007,22(4):102-107[9].刘理根,陈俊,夏全球.板栗壳活性炭的制备方法[J].湖北农业科学,2008,47(3):337-33[10].李瑞丰.纤维素酶在小麦淀粉生产味精中的应用实验[J].发酵科技通讯,2008,37(3):7-8.[11].宋朝霞.微波、纤维素酶预处理对大豆低聚糖提取的影响[J].现代食品科技,2007,23(1):33-35.[12].罗仓学,朱妞,雷学锋.纤维素酶法提取辣椒碱的工艺研究[J].现代食品科技,2007,23(11):47-50[13].陈连文,刘晶,张金良.板栗壳色素的提取及应用研究[J].食品科技,2005(3):13-14.[14].郑文轩,吴胜举,杨瑛.超声波在农业中的应用及前景展望[J].宁波农业科技,2008(2):14-17.[15].李敏,余小林,辛修锋,等.天然色素的超临界流体萃取研究[J].现代食品科技,2006,22(2):275-277.