國家食物與營養(yǎng)咨詢委員會

    作者：劉  穎，  林親錄 （湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，長沙  410128）

    摘要：纖維素酶是一種高活性生物催化劑，具有廣泛應用價值。本文簡要介紹了纖維素酶，通過對纖維素酶的研究的了解，從其制取和應用方面進行了綜述。

    眾所周知，纖維素占植物干重的35%～50%，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。對人類而言，它同時又是自然界中數(shù)量最大的可再生性物質(zhì)，它的降解是自然界碳素循環(huán)的中心環(huán)節(jié)。纖維素的利用與轉(zhuǎn)化對于解決目前世界能源危機、糧食短缺、環(huán)境污染等問題具有十分重要的意義。自從1906年在蝸牛消化道發(fā)現(xiàn)纖維素酶以來，纖維素的微生物降解問題就得到了足夠的關注。纖維素被徹底分解而又無污染的一條有效途徑，便是利用纖維素酶的水解作用。纖維素酶（cellulase）是指能水解纖維素β-1，4葡萄糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶總稱，它不是單一酶，而是起協(xié)同作用多組分酶系。纖維素酶由葡聚糖內(nèi)切酶（EC3.2.1.4，也稱Cx酶）、葡聚糖外切酶（EC3.2.1.91，也稱C1酶）、β-葡萄糖苷酶（EC2.1.21，也稱CB酶或纖維二糖酶）三個主要成分組成的誘導型復合酶系。C1酶和Cx酶主要溶解纖維素，CB酶主要將纖維二糖、纖維三糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖，當三個主要成分的活性比例適當時，就能協(xié)同作用完成對纖維素降解。其酶催化效率高，比一般酶高106～107倍；酶的催化反應具高度專一性，酶對其作用底物有嚴格選擇性，催化反應條件溫和，酶催化活力可被調(diào)節(jié)控制，無毒性。
    1  纖維素酶的制取
    1.1  制取纖維素酶的菌種和方法
    纖維素酶來源非常廣泛，昆蟲、微生物（細菌、放線菌、真菌等）都能產(chǎn)生纖維素酶，通過微生物發(fā)酵方法是大規(guī)模制備纖維素酶的有效途徑。不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，對纖維素的酶解能力也不大相同。由于放線菌的纖維素酶產(chǎn)量極低，研究很少。細菌的產(chǎn)量也不高，主要是葡聚糖內(nèi)切酶，且大多數(shù)對結(jié)晶纖維素沒有活性，所產(chǎn)生酶是胞內(nèi)酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到細胞外，增加提取純化難度，在工業(yè)上很少應用。而絲狀真菌具有產(chǎn)酶諸多優(yōu)點：產(chǎn)生纖維素酶為胞外酶，便于酶的分離和提?。划a(chǎn)酶效率高，且產(chǎn)生纖維素酶的酶系結(jié)構較為合理；同時可產(chǎn)生許多半纖維素酶、果膠酶、淀粉酶等。從纖維素酶工業(yè)化制備及其應用角度看，研究和采用絲狀真菌產(chǎn)酶具有更大意義。從目前研究進展來看，里氏木霉同時具有較為穩(wěn)定性狀、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)纖維素酶的能力和較好“抗代謝阻遏”能力，被認為是最具有工業(yè)應用價值菌株。
    1.1.1  產(chǎn)酶菌株選育及誘變育種
    利用物理、化學誘變劑單獨或復合處理微生物孢子或細胞是選育纖維素酶高產(chǎn)菌種的有效方法。張苓花等采用康寧木霉W-925、J-931，經(jīng)過濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15W、30cm、2min）復合誘變得到產(chǎn)酶活性高的菌種，該菌種糖化力達到2975，濾紙酶活達到531，比出發(fā)菌株分別提高100%和81%。中科院微生物研究所董志揚等用康寧木霉通過γ射線照射和亞硝基胍交替處理，誘變出一株纖維素酶高產(chǎn)菌株T801，與出發(fā)菌株相比，其產(chǎn)酶能力提高1.77倍。青島海洋大學管斌等通過利用紫外線、亞硝基胍等對里氏木霉進行誘變處理，采用低劑量、反復多次復合誘變處理方法，用“以2-脫氧葡萄糖作為降解產(chǎn)物阻遏物”高效篩選方法，選育得到一株抗分解代謝阻遏的突變株，使纖維素酶活力提高三倍。
    1.1.2   DNA體外重組技術
    以得到纖維素酶過量生產(chǎn)為主要目的而進行纖維素酶基因克隆研究，在20世紀80年代十分活躍，在國外已有約80個組分的基因被克隆，但表達、分泌均很弱。因此已逐漸轉(zhuǎn)向應用基因工程方法組建有新特性的纖維素酶分子。
    1.2  纖維素酶的制取工藝
    方法有兩種：即固體發(fā)酵和液體發(fā)酵。生產(chǎn)原料有麩皮、秸稈粉、廢紙、玉米粉和無機鹽等。
    1.2.1  固體發(fā)酵法
    固體發(fā)酵法是以玉米、稻草等植物秸桿為主要原料，通過接種微生物進行發(fā)酵工藝，具有投資少、工藝簡單、產(chǎn)品價格低廉優(yōu)點。但固體發(fā)酵法存在著根本缺陷，其生產(chǎn)纖維素酶很難提取、精制。目前國內(nèi)絕大部分纖維素酶生產(chǎn)廠家采用該技術生產(chǎn)纖維素酶時，只能通過直接干燥粉碎得到固體配制劑或用水浸泡后壓濾得到液體配制劑，這樣所得產(chǎn)品外觀粗糙，質(zhì)量不穩(wěn)定，雜質(zhì)含量高。國內(nèi)外生產(chǎn)廠家采用固體發(fā)酵法時，對木霉纖維素酶的研究較多，而木霉一方面毒性嫌疑大，使之應用受到限制；另一方面普遍存在著β-葡萄糖苷酶活力偏低的缺陷，致使纖維二糖積累，影響了酶解效率。故有人采用在木霉纖維素酶中添加曲霉的β-葡萄糖苷酶，提高了纖維素酶的降解能力。鑒于固體發(fā)酵的缺憾，隨著液體發(fā)酵配制劑工藝發(fā)展及菌種性能提高，采用液體發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶勢在必行。
    1.2.2  液體發(fā)酵法
    液體發(fā)酵生產(chǎn)工藝過程是將玉米秸稈粉碎至20目以下進行滅菌處理，然后送發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，同時接入纖維素酶菌種，發(fā)酵時間約為70h，溫度控制低于60℃。從發(fā)酵罐底部通入凈化后無菌空氣對物料進行氣流攪拌，發(fā)酵完物料經(jīng)壓濾機壓濾、超濾濃縮和噴霧干燥后得到纖維素酶產(chǎn)品。液體發(fā)酵雖有發(fā)酵動力消耗大、設備要求高等缺點，但液體發(fā)酵原料利用率高、生產(chǎn)條件易控制、產(chǎn)量高、工人勞動強度小、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點又使該方法成為發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶必然趨勢。
    2  纖維素酶的應用
    2.1  在食品工業(yè)中的應用
    纖維素酶在食品工業(yè)應用極為廣泛。如將纖維素酶應用于豆腐生產(chǎn)工藝中，結(jié)果表明，在大豆浸漬時添加0.5%～5.0%纖維素酶，可提高4.00%～11.01%豆腐出品率，且所產(chǎn)豆腐色質(zhì)和風味無明顯變化，同時不改變原有生產(chǎn)工藝路線，其經(jīng)濟效益比較明顯。用纖維素酶處理茶葉制備速溶茶，可有效提高速溶茶提取率，具有一定穩(wěn)定性，制成速溶茶不僅保持茶葉天然的色、香、味和營養(yǎng)成分，且無不溶性渣滓，飲用方便。纖維素酶應用于果蔬榨汁、花粉飲料有利于細胞內(nèi)物質(zhì)滲出、增加出汁率約10%、減少壓榨壓力、促進汁液榨取和澄清作用。纖維素酶處理植物可使細胞壁發(fā)生不同程度改變，如軟化、膨脹和崩潰等，從而可提高細胞內(nèi)含物提取率，用于處理大豆，不僅可促使其脫皮、增加從豆類中提取優(yōu)質(zhì)水溶性蛋白質(zhì)得率，且還可回收豆渣中蛋白質(zhì)和油脂。纖維素酶用于淀粉制造，可縮短時間，增加得率；還有報道稱，用纖維素酶結(jié)合現(xiàn)代工程技術可改善煙草品質(zhì)。白酒釀造所用原料中纖維含量較大，使用纖維素酶后，可同時將淀粉和纖維素轉(zhuǎn)化為糖，再經(jīng)酵母分解全部轉(zhuǎn)化為酒精，提高3%～5%出酒率，且酒體質(zhì)量純正，淀粉和纖維利用率高達90%。纖維素酶用于固態(tài)無鹽醬油發(fā)酵，能將包裹蛋白質(zhì)的纖維素分解，使蛋白質(zhì)呈裸露狀態(tài)，便于蛋白酶分解蛋白質(zhì)，提高醬油得率，加快發(fā)酵速度，改善醬油風味和質(zhì)量，配制劑用量僅為0.0125%，醬油中還原糖增加10.7%，色度提高4.2%，全氮和原料利用率分別比不加纖維素酶提高8.6%和8.1%。在食醋釀造過程中，將纖維素酶與糖化酶混合使用，可明顯提高原料利用率和出品率；應用于啤酒工業(yè)麥芽生產(chǎn)上，可增加麥粒溶解性、加快發(fā)芽、減少糖化液中β-葡萄糖含量，改進過濾性能。
    2.2  在飼料工業(yè)中的應用
    畜禽飼料中含有大量的纖維素，除某些反芻動物具有分解纖維素能力外，大部分畜禽不具此能力。纖維素酶是畜牧業(yè)中的一種新型飼料添加劑，能夠分解結(jié)構復雜的纖維素，生成易消化物質(zhì)葡萄糖，摧毀細胞壁釋放內(nèi)容物，便于動物消化吸收。能夠為畜禽體內(nèi)增加和補充各種消化酶，強化消化系統(tǒng)的酶解功能，增進食欲，促進生長發(fā)育。為了提高飼料的消化率，在配合飼料中添加極少量纖維素酶（一般在0.1%～0.3%）即可收到顯著效果。當用纖維素酶制劑作用裸麥、大麥、玉米時，可使糖的總氮量明顯增加。在青貯飼料中加纖維素酶使纖維素分解促進乳酸發(fā)酵，這樣處理后的青貯飼料，比對照柔軟，曲香味明顯提高，酸度和還原物質(zhì)隨纖維素減少而增加。另外加纖維素后，由于纖維素被消化，乳酸發(fā)酵提高，貯存性能也提高。在飼料中添加纖維素酶后，喂幼雞、仔豬及一般虛弱動物時，喂養(yǎng)效果明顯，喂蛋雞可提高產(chǎn)卵量，喂乳牛時，不僅可以使體重增加，而且提高產(chǎn)乳量。
    2.3  在水產(chǎn)業(yè)中的應用
    魚蝦類不具備分泌纖維素分解酶的能力，不能直接利用粗纖維，但是魚蝦類飼料中含有適量的粗纖維是維持消化道正常功能所必需的。適量的纖維素能促進腸道蠕動，刺激消化酶的分泌，擴大食物團與消化酶的接觸面。研究表明，飼料中纖維素還有降低血清膽固醇的作用。而纖維素成分過多，食糜通過消化道速度加快、消化時間縮短、導致蛋白質(zhì)和多種礦物質(zhì)元素吸收利用率下降，排泄物增多，進而會污染水質(zhì)，破壞魚類生長環(huán)境，導致魚類生長速度和飼料效率下降。魚蝦類消化道中的微生物能分泌一定的纖維素酶，將魚類攝入飼料中的粗纖維中的半纖維素、纖維素分解成纖維二糖、三糖等短鏈低聚糖并最終以葡萄糖的形式為魚類消化道吸收、利用。吸收后的單糖在肝臟及其他組織進一步氧化分解，并釋放出能量，或被用于合成糖原、體脂、氨基酸，或參與合成其他生物活性物質(zhì)。
    2.4  在洗滌劑工業(yè)中的應用
    近年來，堿性纖維素酶在洗滌劑上應用改變傳統(tǒng)去污機制。酸性纖維素酶對木質(zhì)素作用是一個糖化過程，在多種組分協(xié)同作用下能得到更多最終產(chǎn)物葡萄糖；而堿性纖維素酶是一種組分的內(nèi)切葡萄糖苷酶，主要與棉纖維中僅占10%左右非結(jié)晶區(qū)纖維素分子起作用，堿性纖維素酶可選擇性吸附在棉纖維非結(jié)晶區(qū)，使棉纖維膨松，水合纖維素分解，膠狀污垢脫落。沈雪亮等從廢紙漿中選育一株芽抱桿菌，該菌產(chǎn)羧甲基纖維素酶能力很強，顯示重要工業(yè)應用價值，具有良好應用前景。
    2.5  在麻棉混紡織物后整理中的應用
    天然纖維如棉、麻等紡織品具有較強的吸濕、透氣性，倍受消毒者青睞。但棉、麻及其混紡布料上存在細毛，與皮膚接觸時會產(chǎn)生刺癢感，因此近幾年來，利用纖維素酶進行生物整理越來越受到紡織界的重視。利用纖維素酶進行酶處理，能使麻、棉表面剝離和縱向復合細胞間層侵蝕，使纖維梢絲束化或脫落，能極大地降低對皮膚的刺癢，提高棉麻織物的服用性能及產(chǎn)品的檔次。
    2.6  其它方面
    纖維素酶在造紙、地質(zhì)鉆井、草藥提取等方面均有很大應用潛力。用纖維素酶適當處理紙漿，能增加微細纖維生成量和提高保水度，有可能促進某些紙張抗張力提高。此外，纖維素酶還應用于醫(yī)藥行業(yè)制消化劑等。
    3  展望
    纖維素是自然界中十分豐富的資源，纖維素酶具有高效性和安全性，我國對纖維素酶的主要研究方向是用于食品和釀造領域。自20世紀80年代以來，纖維素酶菌種產(chǎn)酶能力和生產(chǎn)技術水平都有較大提高，90年代后建成一些纖維素酶生產(chǎn)廠。