纤维素酶研究报告

纤维素酶研究概述摘要纤维素酶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。产生纤维素酶的菌种容易退化，导致产酶能力降低。纤维素酶在食品行业和环境行业均有广泛应用。在进行酒精发酵时，纤维素酶的添加可以增加原料的利用率，并对酒质有所提升。由于纤维素酶难以提纯，实际应用时一般还含有半纤维素酶和其他相关的酶，如淀粉酶（amylase）、蛋白酶（Protease）等。纤维素酶种类繁多，来源很广。不同来源的纤维素酶其结构和功能相差很大。由于真菌纤维素酶产量高、活性大，故在畜牧业和饲料工业中应用的纤维素酶主要是真菌纤维素酶。关键词：纤维素酶，研究方向，作用机理引言纤维素是自然界中分布最为广泛的生物资源，我国每年产生的纤维素资源总量超过15亿吨。但是，由于降解工艺的不成熟，成本过高等问题的存在，限制了纤维素的应用。随着科学技术的发展，可再生能源的应用成为了研究热点。纤维素作为自然界中数量最为庞大的可再生资源将会成为能源、化工领域的重要材料。同时，纤维素资源的有效利用对于解决世界能源危机，粮食短缺和环境污染等问题有着重要意义[1]。而在这一过程中纤维素酶就要扮演最为重要的那一个角色。纤维素酶的发展纤维素酶的基础研究是从五十年代开始的.五十年代初,选育与培养产生纤维素酶的微生物方法,特别是纤维素酶分析方法不够完善,而且研究目的也只是消极地为了防止微生物腐蚀木材和纸张制品.进入六十年代后,微生物选育与培养以及纤维素酶分析技术有了迅速的进步。在最初的几年间论文数量呈倍数增长，更不用说现在了。近年来有关纤维素酶的基础研究,包括酶的氨基酸序列、基因的克隆与表达、酶蛋白的空间结构与功能,以及酶蛋白的基因调控等诸多方面都取得显著进展。到目前为止,登记在Swiss2Protein数据库的纤维素酶的氨基酸序列有649条,基因序列有433条。我国对纤维素酶的研究始于上世纪50年代,迄今已有50多年的历史。在纤维素酶的菌种开发、发酵培养、基因的克隆与表达,以及纤维素酶在纺织、能源等方面的应用都取得较大进展[2]。在国外于2013-2014年建造了世界首个纤维素酶工厂。纤维素酶是催化纤维素分解生成葡萄糖的具有生物活性的蛋白质，是所有参与降解纤维素的各种酶的总称。自1906年Sellieres在蜗牛消化液中发现纤维素酶以来，纤维素酶的研究和应用受到了国内外学者的极大关注，取得了很大进展[2]。现在，纤维素酶的应用已扩展到食品发酵、医药、纺织、日用化工、造纸、工业洗涤、烟草、石油开采、废水处理及饲料等各个领域，其应用、行业前景都十分广阔[3]。纤维素酶作用机理有关纤维素的酶水解机理至今仍未完全研究清楚，在其发展过程中，对于纤维素酶的作用机理，有以下两种典型的观点：Reese等提出C1-CX假说，认为结晶纤维素首先经C1酶作用，形成可起反应的无定形纤维素，然后再经过CX酶作用，形成葡萄糖和纤维二糖，纤维二糖再经陟葡萄糖苷酶作用，形成葡萄糖，即纤维素要经过这几种酶组分共同作用，才一步步将纤维素分解成葡萄糖[4]。这一理论认为CX酶在C1降解作用后才能进一步水解，但是有研究发现，当把经Cl酶处理过的纤维素去除掉C1酶后，再用CX酶降解，结果发现纤维素酶不能被水解[5]。因此Nisizawa等又提出CX-C1的假说，认为CX酶先作用于纤维素，产生聚合度较低的碎片，C1酶从这些碎片末端开始将其水解成可溶性糖。随后，纤维素酶降解机理研究者将纤维素酶按照功能分为：内切葡聚糖酶，外切葡聚糖酶/纤维二糖水解酶及β-葡萄糖苷酶。内切型-β-1，4-葡聚糖酶首先在纤维素纤维内部的结晶区进行作用，随机水解β-1，4-葡萄糖苷键，产生非还原性末端的小分子纤维素，然后外切型-β-1，4-葡聚糖酶作用于这些非还原性末端[5]，产生可溶性的纤维素糊精和纤维二糖，最后由β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖及其他溶解态的纤维糊精生成葡萄糖[6]，纤维素在纤维素酶不同成分协同作用下被转化水解。纤维素酶活性影响因素纤维素酶作为一种蛋白质，其自身的化学特性受周围环境的影响很大，尤其是pH和温度。酶在水解体系中的解离状态和行为都受到pH的影响，酶分子的活性部位上具有为数不少的酸性或碱性氨基酸的侧链基团，它们可随着pH的变化而发生解离，呈现不同的正负高价离子或等电荷状态，从而直接影响到酶与底物的亲和力，pH也可以影响纤维素酶的稳定性，进一步影响酶与底物的结合与分离，最终影响整个酶水解过程。温度对酶降解速率的影响体现在一定范围内温度升高时，酶解反应速度加快，随着温度升高到一定程度，酶蛋白变性失活，造成酶解速度的降低。当然影响其降解效率的还不仅仅这些，例如中间产物反馈抑制、预处理方法、纤维素酶成分等等。纤维素酶的应用(一)食品工业：蔬菜、水果加工中,利用纤维素酶,使植物细胞壁中的纤维素发生水解反应,形成葡萄糖等水解产物,使植物细胞壁发生不同程度的软化、膨胀、崩溃等变化,这类反应能够改善果蔬的口感、更易于被人体消化。工业生产上,利用纤维素酶降解果蔬汁中的纤维素类物质,既可以增加其细胞壁的通透性从而利于澄清,又能够提高内容物的提取率,达到节约时间,简化加工工艺的目的。日本文献指出,豆腐渣经过纤维素酶处理后进行乳酸菌发酵,能够生产出营养价值高、口感好的发酵饮品[8]。酒精发酵工业上,可通过添加纤维素酶分解并破坏细胞壁释放细胞内淀粉,同时分解反应生成的糖则可发酵形成酒精,大大提高了原料利用率和酒精产量。纤维素酶在不影响加工品质的情况下可使清香型白酒酒率提高13%[9]。(二）畜牧业：新鲜饲料利用厌氧微生物发酵能长期保存原料营养,制成了青贮饲料,在这期间加入纤维素酶能补充营养,提高利用率。李静[10]等通过添加乳酸菌和纤维素酶共同作用于稻草,不仅为稻草的青贮利用提供了可能,更能够提高稻草青贮品质。在反刍动物中,纤维素酶也得到很大应用,李晓东[11]等利用复合酶制剂对羊羔进行试验,在低能日粮中添加酶制剂能够显著改善多种营养物质的消化吸收。纤维素酶存在的问题而且纤维素酶菌种易退化，退化后其产酶力明显降低，其原因可能有三个方面：①经诱变筛选的菌种发生回复突变。②自然负突变。③菌种长时间低温斜面保藏，会在分生孢子上长出次生菌丝，而次生菌丝所形成的分生孢子生命力弱，这可能是菌种退化的主要原因。当然这已经有效的把控了。纤维素酶的发现至今有百年的历史，虽然在食品，畜禽生产以及酒精工业等方面有了运用实例，但因受成本制约，仍无法大规模在这些工业流程中使用。未来展望我国是一个饲料资源十分紧张的国家，土地少、人口多，人畜争粮的矛盾十分突出。要保持我国饲料工业和畜牧业的持续发展，必须解决好饲料问题，否则将严重制约其发展。纤维素是自然界中十分丰富的资源，是800-1200个葡萄糖分子聚合而成。因此，可通过微生物发酵充分利用农副产品下脚料、秸秆、糠生产纤维素酶添加剂，用于提高畜禽生产性能，提高饲料利用率，改善饲料的营养价值，降低饲料成本和提高经济效益，具有广阔的开发前景，今后应进一步加强纤维素酶研究和开发工作。参考文献[1]张隽.纤维素酶的研究现状与前景[J].科技视界，2014:145-146.[2]黄国钞，苏雅瑜，李雪晨，等.纤维素酶的应用现状[J].农家科技，2015(8):329.[3]高伦江，董全，唐春红.纤维素酶的研究进展及前景展望[J].江苏食品与发酵，2007(4):14-17.[4]孙占威.纤维素酶解方式及反应器研究[D].北京，北京化工大学，2006．[5]吕佳华.纤维素酶对纤维素纤维的作用[D].上海，东华大学，2003．[6]Y—HPercivalZhang，MichaelEHimmel，JonathanRMielenz．Outlookforcdlulaseimprove—ment：Screeningandselectionstrategies．BioteehnologyAdvancesVolume24，issue5，Septem—ber-October2006，Pages452—481．[7]顾方媛，陈朝银，石家骥，等.纤维素酶的研究进展与发展趋势[J].微生物学杂志，2008，28(1):83-87.[8]阎训友，刘志敏，史振霞，等.纤维素酶在食品工业中的应用进展[J].食品工业科技，2004，25(10):140-142.[9]傅金泉.日本应用酶制剂生产清酒的概况[J].酿酒科技，1995，4:57-60.[10]李静,高兰阳,沈益新.乳酸菌和纤维素酶对稻草青贮品质的影响[J].中国农业大学学报,2008,31(4):86~90[11]李晓东,罗海玲,徐永锋等.添加纤维素复合酶制剂对羔羊日粮营养物质消化的影响[J].中国草动物,2007,27(4):28~29