纤维素酶的研究进展及应用前景

1 纤维素酶的研究进展及应用前景

摘 要

我国近年来在纤维素酶研究应用领域取得了很大进展。纤维素酶是一组能够分解纤维素产生葡萄糖的酶的总称，按照功能可以分为内切葡糖聚酶，外切葡糖聚酶和β-葡聚糖苷酶。它在纺织，酿酒，食品与饲料行业的市场潜力是巨大，受到国内外业内人士的看重。本文综述了纤维素酶的组成，结构，分类，理化性质与作用机理，阐明了生产纤维素酶的微生物种类，纤维素酶的发酵工艺及高效分解菌。介绍了纤维素酶的特性，重要意义，在各领域的应用，并对其未来研究趋势进行了展望。

关键字：纤维素酶 研究 应用

前言：因为资源枯竭、能源短缺及环境污染等问题日益加剧，世界各国都在寻找开发新能源。纤维素类物质是自然界中分布最广泛、含量最丰富、生成量最高的有机化合物，也是自然界中数量最多的可再生类质。但这些纤维素大部分没有被开发，造成巨大的资源浪费和环境污染。近年来关于纤维素酶的基础研究获得了显著的进展，主要包括酶的组成部分和结构、发生降解的机理、基因的克隆和表达、酶的发酵和生产、应用等方面。由此可见生产纤维素酶对人类生存环境的改善和可持续发展有着举足轻重的地位。

1，纤维素酶的来源和分类

纤维素酶的最主要来源是微生物，用其生产是最为有效和方便的。不同微生物合成的纤维素酶在组成上差异明显。对纤维素的降解能力也不尽相同。细菌与放线菌生产的纤维素酶产量均不高，在工业上很少应用。而真菌具有产酶的诸多优点：产酶能力强，产生的纤维素酶为胞外酶，便于酶的分离和提取，且产生纤维素酶的酶系结构较为合理；酶之间有强烈的协同作用，降解纤维素的效率高。

纤维素酶是一类能够把纤维素降解为低聚葡萄糖、纤维二糖和葡萄糖的水解酶。根据纤维素酶的结构不同，可把纤维素酶分为两类：纤维素酶复合体和非复合体纤维素酶。纤维素酶复合体是一种超分子结构的多酶蛋白复合体，由多个亚基构成。由四个部分构成：脚手架蛋白、凝集蛋白和锚定蛋白结合体、底物结合区域和酶亚基。非复合体纤维素酶主要由好氧的丝状真菌产生，如子囊菌纲和担子菌纲等的一些种属。它是由不同的三种酶所构成的混合物，即内切葡聚糖酶、外切葡苷糖酶和B一葡萄糖苷酶。

2，纤维素酶的组成与结构

因为种类和来源的不同，纤维素酶的结构存在较大差异，但是通常均具有2 2 个独立的结构域和1个连接桥。纤维素分子是由葡萄糖分子通过B．1，4一糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，基本重复单位是纤维二糖。纤维素链中每个残基相对于前一个残基翻转。使链处于完全伸展的构象，相邻、平行的伸展链在残基平面的水平向通过链内和链间氢键形成片层结构，片层之间通过氢键和范德华力维系。天然纤维素由排列整齐而规则的结晶区和相对不规则、松散的无定形区构成，其结晶度一般在30％～80％之间。在植物细胞壁中，纤维素分子聚集成致密的纤维丝，包埋在半纤维素和木质素形成的保护层里，形成复杂的网状结构。

3，纤维素酶的理化性质

纤维素酶具有其他所有酶类共有的特征。它们的活性会因受到温度、pH、激活剂、抑制剂、底物及产物浓度等因素的影响而变化。

维素酶属于一种复杂的酶系，来源不同，其相对分子质量也不尽相同。葡萄糖内切型酶的相对分子量为23—146 kDa。。葡萄糖外切型酶的相对分子量为38～118kDa。在大多数情况下，纤维素酶的最适温度为45—65℃，纤维素酶在温度过高的情况易失去活性。纤维素酶受酸碱度的影响较大，pH过小或过大都可导致酶蛋白变性而失活。只有在最适pH条件下，纤维素酶、底物以及辅酶处在解离状态，它们之间相互结合，且发生催化作用，其反应速度才达到最快。不同的纤维素酶的最适反应pH也不同。某些物质对纤维素酶发挥激活作用，而另一些物质起着抑制作用。有研究表明，Nd3+对纤维素酶的激活作用最显著。

4，纤维素酶的作用机理

纤维素酶是一类能够将纤维素降解成葡萄糖的多组分酶系的总称，它们之间是协同作用，把纤维素分解成寡糖和纤维二糖，最后水解为葡萄糖。纤维素酶对底物分子的吸附和对纤维素进行降解时，必须先完成对底物分子的吸附作用。纤维素酶的吸附不但与自身性质有关，还与底物密切相关。

目前，纤维素酶的吸附机制总体并不十分清楚，仍需进一步研究。然纤维素的微生物降解理论中天然纤维素的微生物降解机理被普遍接受的理论主要有三种：协同理论，原初反应假说和碎片理论。都是其中以协同理论最为广泛接受。首先内切酶切割纤维素链使暴露出末端，然后外切酶连续切割下纤维二糖单位，再B一葡萄糖苷酶通过水解纤维二糖或纤维糊精，完成协同反应整个过程。

5，纤维素酶的应用

5.1，在食品加工中的应用

在进行酒精发酵时添加纤维素酶可明显酒精及白酒生产中的原料利用率，使溶液的黏度降低，发酵时间缩短，而且杂醇油含量低，酒的口感醇香。纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中能增加麦粒溶解性，加快发芽，改良过滤性能。纤 3 维素酶用于固态无盐酱油发酵，可以将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈现裸露状态，利于蛋白酶分解蛋白质，使酱油得率提高，发酵速度加快，酱油风味和质量得到改善。

5.2，在饲料工业中的应用

酶制剂作为家畜饲料添加剂在国内外已经引起越来越多的关注。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。饲料纤维素酶制剂的使用，可以促进动物的消化吸收，很大程度上提高饲料的利用率。

5.3，在造纸工业中的应用

回收利用废纸是我国制浆造纸业解决原料和环保问题的有效途径。酶法旧纸脱墨主要解决废纸利用过程中的环保及纤维质量下降问题。传统的脱墨方法容易使纸的网状结构崩溃，纤维溶胀，纸和器之间粘接力下降。纤维素酶法旧纸脱墨技术是指利用生物酶代替化学药品处理旧纸，使油墨从纤维上游离出来，较之旧法具有物理性能优、游离度高、白度高、滤水性能好和残余油墨量低的优点，并且可以缩短脱墨时间，应该大力推广和应用。

5.4，在中药提取中的应用

大部分中药材的细胞壁都是纤维素构成，而中药的有效成分往往被包裹在细胞壁内。要提高中药有效成分的提取。就需要通过纤维素酶的降解作用以达到目的。虽然目前纤维素酶用于植物药效成分提取的研究目前尚不多见，但得出的结果比较一致，即酶解预处理能明显提高植物药有效成分的提取率。

5.5，在纺织服装行业的应用

天然纤维如棉、麻等纺织品具有较强的吸湿、透气性，倍受消毒者青睐。但棉、麻及其混纺布料上存在细毛，与皮肤接触时会产生刺痒感，因此近几年来，利用纤维素酶进行生物整理越来越受到纺织界的重视。利用纤维素酶进行酶处理，能使麻、棉表面剥离和纵向复合细胞间层侵蚀，使纤维梢丝束化或脱落，可以极大地降低对皮肤的刺痒，提高棉麻织物的服用性能及产品的档次

6，展望

纤维素酶拥有非常广阔的应用前景，但由于纤维素酶的生产成本高，生产技术水平低下，生物活性低等使得纤维素酶的应用具有局限性。因此，我们需要更加深入和广泛的探索，克服纤维素酶降解纤维素类原料的瓶颈。随着纤维素酶研究与应用的进一步深入，必将在纤维素物质的利用方面发挥巨大作用。选育高产纤维素酶的生物类群，加强纤维素酶的作用机制研究，加强对纤维素酶的分子生物学研究。 4 参考文献：

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