09王琪 纤维素酶

《09王琪 纤维素酶》由会员分享，可在线阅读，更多相关《09王琪 纤维素酶（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、纤维素酶的研究与应用王琪20090801115（徐州工程学院 食品生物工程学院 徐州 221000）摘要：纤维素在自然界中广泛存在，所以针对纤维素进行了研究。首先介绍了纤维素酶的分类以及它的来源，然后综述其作用机制，与纤维素酶在反刍动物饲料中、中药成分提取中、食品工业中以及酿造工业中的应用，最后对其作用作了展望。关键词：纤维素酶；反刍动物饲料；中药；食品工业；酿造纤维素在植物体中的含量最多，约占植物干重的1/2，是自然界数量最大的可再生自然资源，由2000-10000个葡萄糖分子组成的长链大分子。纤维素是自然界中十分丰富的资源，如麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。地球上每年光合作

2、用可产生大于100亿t的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素1。纤维素的聚合度(DP)非常大，约为2000-150002。目前很多学者针对纤维素展开了一系列的研究，目的在于使纤维素能够被人们合理化地利用，为人类社会的可持续发展做贡献。而纤维素的充分利用与纤维素酶的作用息息相关，只有清楚地了解了纤维素酶的作用，才能使纤维素应用于实际所用。1 纤维素酶的分类和来源1.1 纤维素酶的种类纤维素酶包括多种水解酶，纤维素酶是指能降解纤维素的一类酶的总称。是由多种水解酶组成的复杂酶系，主要来自于真菌和细菌。根据纤维素酶的不同功能，可分为三大类:内切纤维素酶、外切纤维素酶和-葡萄糖苷酶。还有分解纤维素

3、的其他酶类，如木聚糖酶(Xylase)和果胶酶。1.1.1 葡聚糖内切酶葡聚糖内切酶又称为C1酶，这类酶作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。葡聚糖内切酶相对分子质量介于23-146ku，如真菌的异构酶EGI为54ku，EGIII约为49.8ku，而纤维粘菌EG有两种菌的内切酶相对分子质量只有6.3ku。1.1.2 葡聚糖外切酶这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解1,4-D糖苷键，每次切下1个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶3(Cell ob io-hydrolase，CBH)，外切酶的相对分子质量介于38-18k

4、u，如木酶的CBH有2种异构酶，CBHI相对分子质量约为66ku，CBHII约为53ku。1.1.3 -葡萄糖苷酶这类酶一般将纤维二糖和短链的纤维寡糖水解生成葡萄糖分子，一般不直接作用于纤维素分子，-葡萄糖苷酶相对分子质量约为76ku。内切酶首先切割纤维素链使暴露出末端，然后外切酶连续切割纤维二糖单位，而-葡萄糖苷酶通过水解纤维二糖或纤维糊精完成协同反应全过程4。1.2 纤维素酶的来源纤维素酶按其来源主要有微生物来源5，动物性来源和生物工程来源。1.2.1 微生物来源能分泌产生纤维素酶的微生物主要有霉菌、担子菌等真菌、也包括少量细菌、放线菌，人们研究的纤维素酶主要来自丝状真菌，如绿色木霉、李氏

5、木霉、根霉、青霉等、其中木霉应用最为广泛。丝状真菌能产生大量的纤维素酶(20 gL-1)，其中尤以木酶属的产量最高6。真菌产生的纤维素酶三类酶都有、能分泌到菌体外、但相互间发生强烈的协同作用不聚集形成多酶复合体。而细菌分泌的纤维素酶量少低于(0.1 gL-1)，而且产生的酶会吸附于细胞壁上难以分离、故很少用细菌作纤维素酶的产生菌种7。1.2.2 动物性来源反刍动物依靠瘤胃微生物消化饲料中的纤维物质因此可以利用瘤胃液获得纤维素酶的粗酶制剂。在瘤胃微生态体系中，主要的纤维分解菌有产琉拍酸拟杆菌、黄化瘤胃球菌、和白色瘤胃球菌，溶纤维丁酸弧菌也可产生纤维素酶8。1.2.3 生物工程来源生物技术的发展，

6、使饲用纤维素酶有了新的来源。迄今，人们已从四十多种细菌和数种真菌中克隆纤维素酶基因，其中一些纤维素酶基因已在大肠杆菌和酵母在得到表达9。3 纤维素酶的作用机制3.1 提高营养物质的消化吸收 纤维素酶除可以分解纤维素、半纤维素之外，还可以促进植物细胞壁的溶解，使更多的植物细胞内容物溶解出来，并能将不易消化的大分子多糖、蛋白质和脂类降解成小分子物质，有利于动物胃肠道的消化吸收。3.2 补充内源酶的不足 纤维素酶可以激活内源酶的分泌，补充内源酶的不足，并对内源酶进行调整，保证动物正常的消化吸收功能，起到防病、促生长的作用。3.3 消除抗营养因子的影响 半纤维素和果胶等部分溶于水后会产生黏性溶液，增加

7、消化物的黏稠度，对内源酶造成障碍，而添加纤维素酶可降低黏稠度，增加内源酶的扩散，提高酶与养分的接触面积，促进饲料消化，从而促进动物健康生长。3.4 纤维素酶系的协同作用 纤维素酶制剂是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物，在这种多酶复合体系中，一种酶的产物可以成为另一种酶的底物，从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。即纤维素酶除直接降解纤维素、促进其分解为易被动物消化吸收的低分子化合物外，还和其它酶共同作用，提高奶牛对饲料营养物质的分解和消化。4 应用4.1 纤维素酶在反刍动物饲料中的应用 纤维素酶在饲料加工业中的应用也很广泛。纤维素酶和纤维素酶生产菌能转化粗饲料如麦秆、麦

8、糠、稻草和玉米芯等，把其中一部分转化为糖、菌体蛋白和脂肪等，降低饲料中的粗纤维含量，提高粗饲料营养价值，扩大饲料来源，并且具有补充动物内源酶、促进养分的消化吸收、消除抗营养因子几方面的效用。在反刍动物和单胃动物的饲料中加入纤维素酶有利于动物对饲料的消化和吸收。在配合饲料中加入少量的纤维素酶(0.1%-0.3%)就可提高饲料的消化率。有试验表明在瘤胃正常状态下，添加纤维素酶饲喂奶牛5昼夜以后，其粪便干物质和饲喂前相比，减少了30%左右；1周以后，封闭牛舍氨气含量下降70%左右，粗饲料采食量提高10%-20%，粪便中蛋白质提高8%-10%，尿中尿素下降58.9%10。纤维素物质的预处理，如谷物的去

9、壳、青贮饲料加工等过程中使用纤维素酶，可使处理后的饲料更加柔软，曲香味明显提高，酸度和还原物质随纤维素减少而增加，提高了饲料加工效率，改善了饲料品质。此外，在饲料中添加纤维素酶还可补充动物内源性纤维素酶的不足，促进内源酶的分泌，减轻甚至消除饲料抗营养因子的影响，维持小肠绒毛完整，促进营养物质吸收等。4.2 在中药成分提取中的应用 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11。4

10、.3 在食品工业中的应用 纤维素酶在食品中的应用非常广泛，它可使植物组织软化膨松，能提高可消化性和口感。万日余等研究纤维素酶在草莓汁生产中的应用，出汁率提高了9.2%，草莓汁中糖分增加2%，而且压榨时间缩短了5min12。 纤维素酶可以改变植物性农产品细胞壁的通透性，提高细胞内含物的提取率。在大豆浸渍时添加0.5%-5.0%纤维素酶，可提高4.00%-11.01%豆腐出品率，且所产豆腐色质和风味无明显变化。纤维素酶处理可促进大豆蜕皮，提高从大豆或豆饼中提取水溶性蛋白质的提取率； 纤维素酶通过对纤维素物质的降解还可提高果汁的提取效率和可溶性固形物的含量，更为合理地利用果皮碎屑。如通过纤维素法提取

11、苹果渣中可溶性膳食纤维，提取率达到142%13。 利用纤维素酶对茶叶预处理制备速溶茶，可有效提高速溶茶提取率，具有一定稳定性的同时，还可以降低固定化产酶温度，缩短抽提时间，并保持茶叶天然的色、香、味和营养成分。此外，纤维素酶在海藻生产、牛奶加工等方面也有很大的应用价值。4.4 酿造工业在酒精发酵中，添加的纤维素酶能够分解细胞壁释放淀粉，将部分纤维素转化为糖，再经酵母分解全部转化为酒精，可以显著提高酒精产量和原料利用率，降低发酵溶液粘度，缩短发酵时间，使生产的酒精口感醇香，降低杂醇油含量。在啤酒生产中，用纤维素酶处理啤酒糟可使蛋白酶解率提高10%以上；在清香型优质白酒生产中，纤维素酶可使出酒率提

12、高13%，且不影响酒的品质；在日本清酒生产中，0.02%-0.1%的纤维素酶处理浸米可使糖发酵更加顺利，提高出酒率14。在酱油酿造过程中添加纤维素酶一方面使降解产生的葡萄糖可以发生一系列反应加深酱油的色泽，减少酱色用量；另一方面可使豆类原料的细胞膜膨胀软化，进而改变其通透性，使细胞中的蛋白质和碳水化合物充分释放，既提高了酱油浓度又缩短了生产周期，还可提高酱油中的氨基酸、全氮、无盐固形物等物质的含量。如以米曲霉3042为菌种制曲，在酱油酿造入池时，加入0.0125%纤维素酶，酱油中的还原糖含量增加了10.7%，色度提高了4.2%，全氮和粮食利用率分别比不加纤维素酶提高8.6%和8.1%15。5

13、展望 目前，纤维素酶的研究已引起国内外学术界的广泛关注，涉及领域不仅包括饲料行业，还有食品、纺织、生物能源开发等行业。因此，纤维素酶作为一种高效、安全的生物催化剂，它的应用前景是非常广阔的。但是，饲料行业中纤维素酶仍然存在菌种产量低、成本高，易失活，添加量和添加方式不明确等一系列问题。今后必须对上述问题进行进一步研究和探讨，加速纤维素酶的生产和推广应用，保证其应用效果，纤维素酶具有非常广阔的应用前景，但由于纤维素酶的生产技术水平低下，设备落后，生产成本高，再加上其生物活性低等使得纤维素酶的应用具有局限性。今后若能加强这方面的研究,使之尽早进入工业化生产，不仅可以提高纤维素酶的产量和质量，还可以

14、较好地解决纤维素的生物转化问题，创造出更好的经济效益和社会效益。随着科学技术的发展,人们将会对纤维素酶的机理有更为深刻的认识，在纤维素酶的制备、提取、分离、纯化等方面创造出更加先进的技术，使秸秆纤维素的利用达到一个新高度，为人们的生活提供更加健康、环保和便捷的条件。参考文献：1 LESCH INE S B. Cellulose degradation in anaerobic environments J. An- Nu Rev M icrob io l, 1995, 49:399-426.2 张景强, 林鹿, 孙勇等. 纤维素结构与解结晶的研究进展J. 林产化学与工业, 2008, 28(

15、6):109-114.3 黄立本, 诸葛健. 近年来纤维素酶研究的进展J. 科学通报, 1976, 21(2):53-60.4 黄立本, 诸葛健. 近年来纤维素酶研究的进展J. 科学通报, 1976, 21(2):53-60.5 崔艳红, 孟庆辉, 王艳荣. 饲用纤维索酶的研究进展J. 安徽农业科学, 2006, 34(15):3705-3707.6 川博. 反刍家畜营养学最新动向J. 乳业科学与技术, 2001, 55(2):279-283.7 郭松林. 纤维素酶及其在畜禽生产中的应用J. 中国饲料, 2001(9):23-24.8 吴显民, 穆小民. 纤维素酶分子生物学研究进展及趋向J.

16、生物工程进展, 2000, 14(4)：25-28.9 李祥, 刘亚力, 苏纯阳等. 酶制剂在饲料配方设计中的应用技术J. 中国饲料, 2002(3):24-27.10 赵长友, 李明金. 饲用复合酶喂育肥牛试验. 辽宁畜牧兽医, 2000, 4:9-10.11 肖安菊. 松花粉掺伪鉴别J. 黄石理工学院学报, 2010, 26(2):41-42.12 徐国钧, 徐珞珊, 牛燕珍. 中药金银花的鉴定研究J. 南京药学院学报, 1979, 14(1): 82-87.13 乐胜锋, 徐春明, 曹雪丽. 纤维素酶法提取苹果渣可溶性膳食纤维. 食品研究与开发, 2010, 31(4):82-85.14 傅金泉. 日本应用酶制剂生产清酒的概况. 酿酒科技, 1995(4):57-60.15 王建华, 张智, 刘复军等. 纤维素酶在酱油酿造上的应用研究. 中国调味品, 1997, (8):15-19.