枯草芽孢杆菌酶在发酵工艺上的应用

枯草芽孢杆菌酶在发酵工艺上的应用王伟王上俞志敏丛丽娜*（大连工业大学生物工程学院辽宁大连116034）摘要：枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）是当今工业酶的主要生产菌种之一，由于其产酶量高、种类多、安全性好、环保等优点在现代发酵工业生产中被广泛应用，其发酵生产的酶在工业、医学、食品、饲料、洗涤、纺织、皮革、造纸、水产养殖等领域均发挥着十分重要的作用。关键词：枯草芽孢杆菌；发酵；酶B.subtilisenzymeusedinthefermentationprocessWANGWeiWANGShangYUZhi-MinCONGLi-Na*(SchoolofBiologicalEngineering,DalianpolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)Abstract:Bacillussubtilis(Bacillussubtilis)isoneoftoday'smajorproducingstrainofindustrialenzymes,enzymeproductionbecauseofitshighvolume,variety,safety,environmentalprotection,etc.arewidelyusedinmodernindustrialproductionfermentation,fermentationenzymesproducedinthefieldsofindustry,medicine,food,feed,wash,textile,leather,paper,aquacultureandotherhaveplayedaveryimportantrole.Keywords:Bacillussubtilis;fermentation;Enzyme长期以来，枯草芽孢杆菌一直是工业微生物的主力军之一，它的使用可追溯到一千多年前，早在日本平安时代（794～1192年）日本人就已经利用枯草芽孢杆菌在大豆中采用固态发酵的方法生产他们的传统食品——纳豆，开创了利用枯草芽孢杆菌的历史[1]。由于其具有发酵周期短、产物丰富、可利用开发价值高以及作为食品药品安全性好等显著优点，使得它的应用一直延续至今，并在过去的一百多年中有了长足的进步。近年来，由于分子生物学的飞速发展，新的分子手段和技术的不断介入使得枯草芽孢杆菌的研究利用进入了新时期，在食品加工、农业生产、能源开发等方面不断地涌现新突破，在工业微生物中的地位不断得到加强和巩固。1枯草芽孢杆菌的简介枯草芽孢杆菌，细胞直径在1.5到3微米，革兰氏阳性菌，细胞颜色分布均匀，污白色或微黄色，菌落表面粗糙不透明。细胞周围生长鞭毛，是一种需氧菌。芽孢杆菌种类众多，如B.WY-7枯草芽孢杆菌、B.WY-3枯草芽孢杆菌、B.NM-39枯草芽孢杆菌、B.Z-2枯草芽孢杆菌、B.WL-3枯草芽孢杆菌、B.168枯草芽孢杆菌等诸多种类。枯草芽孢杆菌广泛分布于自然界中，如湖泊，海洋，植物组织，土壤中，在动物肠道内也大量分布。1.1枯草芽孢杆菌的生物学作用枯草芽孢杆菌在菌体发酵过程中会产生一些活性物质，如枯草菌素、多粘菌素、制酶菌素等，这些活性物质可以有效的的抑制致病病菌或可以导致感染的病菌的生长。枯草芽孢杆菌在发酵过程中会缓慢的消耗其生长环境中的游离养，这样会使肠道处于一个低氧的环境中，就能促进有益厌氧菌生长，而且可以产生有机类酸比如乳酸，这样就使肠道的PH值降低，间接地抑制其他病菌的生长[2]。枯草芽孢杆菌是一种能够产生多酶体系的菌，菌体能自身合成α-淀粉酶，蛋白酶，脂肪酶，纤维素酶等酶类，在动物体内的消化道中和其他消化酶一同发挥作用，通过作用合成维生素，烟酸等物质。动物体内的干扰素活性和巨噬细胞的活性也会得到一定提升，因为其有良好的效果，所以枯草芽孢杆菌在动物饲料中有广泛的应用。我们还可以用它来改善水质，经过专家和学者的研究，它在环境保护和污水处理中有良好的应用前景，它可消除水中的氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质，改善水体环境，为海产品养殖提供更好的条件，提高水的品质。能增强动物的抗病能力，还可以在生物肥料和土地改良中加以应用[3]。1.2枯草芽孢杆菌分泌的酶类枯草芽孢杆菌可利用的养料十分丰富，这就决定了其经过发酵可以产生种类和数量都极为可观的酶。研究资料表明，枯草芽孢杆菌能够产生蛋白酶、α-淀粉酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶、植酸酶、果胶酶、木聚糖酶[4]等十几种酶。在过去的十年里，利用基因工程技术，枯草芽孢杆菌几乎可以在短期内大量生产任何种源的新酶，从而可省略大量的原始菌种改造、驯化、毒理学实验等工作；利用蛋白质工程技术，能够在生产新酶之前对该酶的性质进行改良和调整，从而改善酶的活性或者赋予酶新的所需性质。这些新技术的应用使新酶种的开发周期大大缩短,难度和成本降低，产品更加稳定有效。2枯草芽孢杆菌酶的应用2.1枯草芽孢杆菌酶在工业中的应用因为枯草芽孢杆菌是一种益生菌，而且无毒无害，其生长环境也是多种多样，所以能够利用其它的物质作为自己生长的营养物质，这些因素决定了其自身含有丰富的产酶系统。枯草芽孢杆菌能后自身合成果胶酶，蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶，纤维素酶等，十几种酶，工业生产中应用的最为广泛的是淀粉酶和蛋白酶。2.2枯草芽孢杆菌酶在医学中的应用目前科学家们已从生物体内提纯确认出800多种酶，但是应用到医药方面作为医药用的酶类不过才有几十种，这其中就包括了枯草芽孢杆菌所产的数种。如淀粉酶、纤维素酶能够补充体内消化酶的不足，恢复正常消化机能；蛋白酶能够分解发炎部位纤维蛋白的凝结物，消除伤口周围的坏疽、腐肉和碎屑。同时，在合成一些药品部分酶类也发挥着重要作用。近几年，科学家们的研究表示，枯草芽孢杆菌产生的多酶体系可以用来补充人体消化酶的不足。也有大量的研究表明，由枯草芽孢杆菌生产的活菌制剂可以作为药物使用，并且对肠炎，和腹泻等疾病都有着一定的治疗效果，也能用来治疗感染。而且可以合成聚谷氨酸作为药物和医用高分子纤维材料等。2.3枯草芽孢杆菌酶在食品中的应用枯草芽孢杆菌酶的主要应用领域之一是食品工业,全世界食品工业用酶约占总量的60%，我国则更是高达85%以上。加工健康天然的食品代表了食品工业发展不可逆转的潮流，与传统的化学法如酸法加工食品相比，酶技术克服了化学法在生产中可能产生有害副产物的问题，为食品加工提供更健康、环保、安全有效的解决方案。枯草芽孢杆菌酶在动物蛋白水解行业中的骨素加工、植物蛋白水解行业中的大豆蛋白和大豆肽、乳制品、婴儿食品等食品行业已得到广泛的应用；在面包生产工艺中，α-淀粉酶、蛋白酶能有效提高面团工艺性能和面包质量（如体积、内部结构、风味等），并延长面包保鲜期[5]；在啤酒生产中，采用淀粉酶的新型辅料液化工艺以及复合酶制剂的应用对提高我国啤酒的产量和质量有重要意义；在玉米深加工领域，采用耐高温淀粉酶和糖化酶的“淀粉喷射液化”技术以及“双酶法”糖化技术全面带动了我国淀粉糖、味精、柠檬酸等生产工艺的改革；蛋白酶还可用于食品废渣的处理，使原来被废弃的动植物残渣得以利用，如鱼虾等海产品加工剩余的内脏、皮壳等下脚料，用蛋白酶处理后经提纯、浓缩制成调味剂，添加于食品中，不但提高了食品营养质量，增加了经济效益，而且变废为宝，减轻了环境污染。近年来,蛋白酶、果胶酶、纤维素酶等在果酒、果汁、调味品、烘焙、肉制品、中药有效成分提取以及多肽保健品生产中的应用也都取得较大的进展。2.4枯草芽孢杆菌酶在饲料中的应用饲料中使用的淀粉酶和蛋白酶通常是由枯草芽孢杆菌发酵的，原因在于枯草芽孢杆菌相对而言比较耐高温。这些酶在动物肠道内，有助于直接分解、消化饲料营养成分，降解植物性饲料中的非淀粉多糖，改善消化道食糜的物理特性或消除日粮中的抗营养因子，促进动物的生长和生产，不仅提高了饲料的转化率，而且促进了对饲料的消化。尤其是植酸酶在饲料中的应用，大大降低了动物粪便中磷的排放量，有益环保，因此在饲料工业上得到广泛应用。在水产养殖方面，枯草芽孢杆菌酶也有着同样明显的效果，并已有商品化产品面世。2.5枯草芽孢杆菌酶在洗涤剂中的应用酶已成为现今洗涤剂必不可少的成分之一，洗涤剂用酶约占到全部产业用酶的40%左右[6]。欧美80%的衣料用洗涤剂是加酶洗涤剂，日本几乎所有的洗涤剂都是加酶洗涤剂。现在使用的洗涤剂用酶几乎都是运用基因工程技术改造制成的，代表性的品种有如下4种：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。洗涤剂中使用的蛋白酶一般来源于枯草芽孢杆菌。最近借助蛋白工程学技术，开发了具有耐氧化剂和低温下活性高、对洗涤剂和洗涤环境适应性好的变异性酶，并已商品化。目前许多国际知名品牌的洗涤剂大多采用“复合酶体系配方”[7]，这些酶不仅有显著的去污功效，还可达到护理织物、增白增艳的独特功效。2.6枯草芽孢杆菌酶在纺织工业中的应用酶处理已成为纺织品加工领域中新的发展方向。在纺织工业中用酶取代强酸、强碱、强氧化剂等有毒有害物质，不仅可降低能源消耗，提高生产效率，而且赋予纺织品全新的风格和性能,并为减少污染、保护生态环境提供经济有效的方法，例如蛋白酶在羊毛低温染色和羊毛纤维的减量细化中可以提高羊毛纺织品的品质，扩大其应用范围[8]；淀粉酶在处理彩棉织物前处理也取得了不错的效果。近几年，纤维素酶在牛仔石磨水洗和生物光洁柔软整理中得到了广泛的应用，过氧化氢酶、蛋白酶、果胶酶[20]的应用也在逐渐兴起。2.7枯草芽孢杆菌酶在皮革工业中的应用国内外的生产应用表明使用脂肪酶、酸性蛋白酶可显著提高成革质量，增加面积得革率，并能有效减少或消除皱纹[9]，,同时也是改进生产工艺，减轻污染保护环境的经济有效的方法。2.8枯草芽孢杆菌酶在造纸工业中的应用酶的应用为制浆和造纸工业提供了明显的益处，但直到最近，纸浆和造纸工业中酶的应用从技术上和经济上才被认为是可行的，特别是从环境的角度来考虑。酶法漂白和酶法脱墨便是酶的成功应用例子。2.9枯草芽孢杆菌酶在水产养殖中的应用枯草芽孢杆菌不仅能分泌多种酶和抗生素，还可以降解池底累积的残余饵料，水产生物的排泄废物，动植物残体和水中产生的对环境或者人体有害的气体，枯草芽孢杆菌能够分解这些有害的物质，最后将这些有害的物质分解变为二氧化碳，或者亚硝酸盐等，这样就使水体中的各种有害物质的浓度降低，比如亚硝酸盐等，利用这些方法就能够有效地改善水质。同时还能为水中的生物提供营养物质，促进水生物繁殖生长[8]。另外，枯草芽孢杆菌自身合成并分泌的多种酶类和抗生素还可以有效的抑制其他细菌的生长，有些抗生素的作用会非常明显，甚至可以杀死水产养殖动物的病原体。基于以上几种优点，枯草芽孢杆菌已经允许成为我国使用的可以添加进饲料的微生物菌种，因为其无毒、无害，所以也经常被制成药物或者微生物添加剂，用来调节动物肠道功能、促进动物生长和预防疾病[9]。时至今日，已经有越来越多的学者已通过研究发现枯草芽孢杆菌能够在水产养殖中发挥重要的作用，所以，更多的人开始研究枯草芽孢杆菌，希望可以更好的开发出更多的应用。3应用现状及展望枯草芽孢杆菌酶是工业酶市场的主体，其生产的蛋白酶、淀粉酶是工业酶中应用最为广泛的酶，仅二者就占到了整个工业酶市场的50%[10]。枯草芽孢杆菌酶市场营业额的90%以上掌握在20多家工业酶企业手中，仅Nonozymes和Danisco两家公司就占到了60%以上。这些实力雄厚的大企业构成了世界酶工业技术创新的主体，他们每年在研发上的资金投入大都在其营业额的10%以上。生产的高度集中、高额的研发投入及高新技术成果的迅速市场化，形成了当今这一产业的鲜明特点和发展趋向。中国酶工业特别是蛋白酶和淀粉酶的生产应用近20年来虽然取得了长足的发展，但仍无法跟上世界同行业发展的步伐，科研乏力已成为制约中国酶工业发展的瓶颈因素。就发展趋势而言，由于受动物饲料、食品、饮料和医药工业新型高附加值产品需求的驱动，未来几年市场对酶尤其是枯草芽孢杆菌酶的需求将至少以年均6%的速度快速增长。中国包括枯草芽孢杆菌酶在内的工业酶产品目前仍以国内销售为主，近年来出口量虽呈逐年上升趋势，但