[科普中國]-纖維素酶

纖維素酶（β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶）是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單體酶，而是起協(xié)同作用的多組分酶系，是一種復(fù)合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、內(nèi)切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成，還有很高活力的木聚糖酶。作用于纖維素以及從纖維素衍生出來的產(chǎn)物。微生物纖維素酶在轉(zhuǎn)化不溶性纖維素成葡萄糖以及在果蔬汁中破壞細胞壁從而提高果汁得率等方面具有非常重要的意義。

基本資料**纖維素****酶（英文：cellulase）**是酶的一種，在分解纖維素時起生物催化作用。是可以將纖維素分解成寡糖或單糖的蛋白質(zhì)。

纖維素酶廣泛存在于自然界的生物體中。細菌、真菌、動物體內(nèi)等都能產(chǎn)生纖維素酶。一般用于生產(chǎn)的纖維素酶來自于真菌，比較典型的有木霉屬(Trichoderma)、曲霉屬（Aspergillus）和青霉屬(Penicillium）。

產(chǎn)生纖維素酶的菌種容易退化，導(dǎo)致產(chǎn)酶能力降低。

細菌產(chǎn)纖維素酶的產(chǎn)量較少，主要是葡聚糖內(nèi)切酶，大多數(shù)對結(jié)晶纖維素?zé)o降解活性，且所產(chǎn)生的酶多是胞內(nèi)酶或吸附在細胞壁上，不分泌到培養(yǎng)液中，增加了提取純化的難度，因此對細菌的研究較少。但由細菌所產(chǎn)生的纖維素酶一般最適pH 為中性至偏堿性。近20年來,隨著中性纖維素酶和堿性纖維素酶在棉織品水洗整理工藝及洗滌劑工業(yè)中的成功應(yīng)用,細菌纖維素酶制劑已顯示出良好的應(yīng)用前景。

纖維素酶在食品行業(yè)和環(huán)境行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。在進行酒精發(fā)酵時，纖維素酶的添加可以增加原料的利用率，并對酒質(zhì)有所提升。

由于纖維素酶難以提純，實際應(yīng)用時一般還含有半纖維素酶和其他相關(guān)的酶，如淀粉酶（amylase）、蛋白酶（Protease）等。

纖維素酶種類繁多，來源很廣。不同來源的纖維素酶其結(jié)構(gòu)和功能相差很大。由于真菌纖維素酶產(chǎn)量高、活性大，故在畜牧業(yè)和飼料工業(yè)中應(yīng)用的纖維素酶主要是真菌纖維素酶。

英文名稱 Cellulase

英文別名 Cellulase [USAN]; Ku-zyme; Kutrase; Cellulase, aspergillus niger; Cellulase, trichoderma viride; Fungal cellulase

EINECS 232-734-4

分類按組成與功能纖維素酶根據(jù)其催化反應(yīng)功能的不同可分為內(nèi)切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan glucanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase，EC3.2.1.4），來自真菌的簡稱EG，來自細菌的簡稱Cen、外切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase，EC.3.2.1.91），來自真菌的簡稱CBH，來自細菌的簡稱Cex) 和β-葡聚糖苷酶（β-1,4- glucosidase，EC.3.2.1.21）簡稱BG。內(nèi)切葡聚糖酶隨機切割纖維素多糖鏈內(nèi)部的無定型區(qū)，產(chǎn)生不同長度的寡糖和新鏈的末端。外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端，釋放葡萄糖或纖維二糖。β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖產(chǎn)生兩分子的葡萄糖。真菌纖維素酶產(chǎn)量高、活性大，在畜牧業(yè)和飼料工作中主要應(yīng)用真菌來源的纖維素酶。

按降解機理纖維素酶反應(yīng)和一般酶反應(yīng)不一樣，其最主要的區(qū)別在于纖維素酶是多組分酶系，且底物結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。由于底物的水不溶性，纖維素酶的吸附作用代替了酶與底物形成的ES復(fù)合物過程。纖維素酶先特異性地吸附在底物纖維素上，然后在幾種組分的協(xié)同作用下將纖維素分解成葡萄糖。

1950年，Reese等提出了C1-Cx假說，該假說認為必須以不同的酶協(xié)同作用，才能將纖維素徹底的水解為葡萄糖。協(xié)同作用一般認為是(C1酶)首先進攻纖維素的非結(jié)晶區(qū)，形成Cx所需的新的游離末端，然后由CX酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位，最后由β-葡聚糖苷酶將纖維二糖水解成二個葡萄糖。不過，纖維素酶的協(xié)同作用順序不是絕對的，隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必須同時存在才能水解天然纖維素。若先用C1酶作用結(jié)晶纖維素，然后除掉C1酶，再加入Cx酶，如此順序作用卻不能將結(jié)晶纖維素水解。1

影響纖維素酶作用的因素纖維素酶的最適pH一般在4.5~6.5。葡萄糖酸內(nèi)酯能有效的抑制纖維素酶，重金屬離子如銅和汞離子，也能抑制纖維素酶，但是半胱氨酸能消除它們的抑制作用，甚至進一步激活纖維素酶。植物組織中含有天然的纖維素酶抑制劑；它能保護植物免遭霉菌的腐爛作用，這些抑制劑是酚類化合物。如果植物組織中存在著高的氧化酶活力，那么它能將酚類化合物氧化成醌類化合物，后者能抑制纖維素酶1。

菌種選育菌種選育是纖維素酶生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，國內(nèi)外許多專家進行了大量研究，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維素酶產(chǎn)品，王家林等（1996）在吸收國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，先后引進了綠色木霉木10、綠色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15、黑曲霉XX-15A，在此基礎(chǔ)上，采用了紫外線、特定電磁波輻射、線性加速器，亞硝基胍等物理、化學(xué)的誘變方法，獲得了高產(chǎn)菌株NT15-H、NT15-H1、XT-15H、XT-15H1。其中木霉NT-15H固體培養(yǎng)活力經(jīng)輕工部食品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心南京站檢測表明，濾紙活力為3670u/g, C1-酶活力24460u/g，Cx-酶活力1800u/g，已達到國際先進水平。此菌種在工廠化生產(chǎn)中性能穩(wěn)定。張苓花等（1998）采用康氏木霉W-925，J-931，經(jīng)過濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15W、30cm、2min）復(fù)合誘變后，得到了產(chǎn)酶活性高的Wu-932菌種，該菌種CMC糖化力達到2975，濾紙?zhí)敲富钚詾?31，比出發(fā)菌W-925分別提高了100%和81%。化工部飼料添加劑技術(shù)服務(wù)中心王成書等（1997）采用該中心的里氏木霉A3先進行紫外線和亞硝基胍復(fù)合誘變后，將處理過的孢子接種于纖維雙層平板上，30℃培養(yǎng)5-8天，15℃放置7-10天，挑選透明圈直徑和菌落直徑比較大的單菌落進行三角瓶固態(tài)發(fā)酵再篩選，得到了產(chǎn)纖維素酶活力很高的里氏木霉91-3菌株。

纖維素酶菌種易退化，退化后其產(chǎn)酶力明顯降低，其原因可能有三個方面：

①經(jīng)誘變篩選的菌種發(fā)生回復(fù)突變。

②自然負突變。

③菌種長時間低溫斜面保藏，會在分生孢子上長出次生菌絲，而次生菌絲所形成的分生孢子生命力弱，這可能是菌種退化的主要原因。為了避免纖維素酶菌種退化，張苓花等（1998）報道，采用砂土管保藏菌種。即將過篩洗凈的砂子與土以3：2比例混合分裝在試管內(nèi)，用1kg/cm2壓力滅菌30分鐘共三次，將欲保存的斜面菌種制備成1000ml孢子懸浮液，每個砂土管注入0.5ml，搖勻，放入盛有無水CaCl2真空干燥器內(nèi)保存。經(jīng)測定，在所測的121天內(nèi)，酶的活性基本不變；酶活性下降50%的時間，由常規(guī)方法的60天延長至160天，明顯地減緩了菌種退化速度。

發(fā)酵工藝纖維素酶的生產(chǎn)工藝主要有兩種，即固體發(fā)酵和液體發(fā)酵，其工藝如下：

影響產(chǎn)酶量和活力的因素

影響纖維素酶產(chǎn)量和活力的因素很多，除菌種外，還有培養(yǎng)溫度、pH、水分、基質(zhì)、培養(yǎng)時間等。這些因素不是孤立的，而是相互聯(lián)系的。張中良等（1997）采用均勻設(shè)計Cl12(1210)，以綠色木霉（T.ViriclePers.expr）為菌種，研究了影響產(chǎn)纖維素酶的五大因素對產(chǎn)酶量和活力的作用，認為基質(zhì)粗纖維含量為40%、初始pH7.5、加水4倍、在26-31℃條件下培養(yǎng)45h可獲得最大產(chǎn)酶量26mg/g和CMC酶活力20mg/g·h。王成華等（1997）也研究了其誘變篩選的里氏木霉91-3的產(chǎn)酶條件，結(jié)果表明該菌種以7：3的秸稈粉和麥麩，另添加4%硫酸銨、0.4%磷酸二氫鉀、0.1%硫酸鎂為最佳培養(yǎng)基，28-32℃為適宜培養(yǎng)溫度，30℃為最佳溫度，4%為最佳接種量，96h到達發(fā)酵高峰。張苓花等（1998）研究了以康氏木霉W-925為出發(fā)菌，經(jīng)誘變后得到的Wu-932纖維素酶高產(chǎn)菌的最佳發(fā)酵條件。結(jié)果表明，以1：2的麥麩和稻草粉為培養(yǎng)基，5%的接種量，稻草粉碎平均長度3-5mm，初始pH4-5，溫度在28-35℃，發(fā)酵時間72h為最佳發(fā)酵條件。

污染菌的控制

飼用纖維素酶普遍存在一種俗稱的“白毛菌”污染。污染后輕者酶活性下降，重者發(fā)酵失敗。為此，研究控制發(fā)酵污染意義很大。張苓花等（1998）研究“白毛菌”的菌落特征、來源、生長和生理特征及控制方法，找到了一種與康氏木霉Wu-932呈共生關(guān)系，而與“白毛菌”呈競爭性抑制關(guān)系的熱帶假絲酵母菌J-931。利用此菌進行混合發(fā)酵，可有效地控制“白毛菌”的污染。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用纖維素酶在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用：

常見的畜禽飼料如谷物、豆類、麥類及加工副產(chǎn)品等都含有大量的纖維素。除了反芻動物借助瘤胃微生物可以利用一部分外，其它動物如豬、雞等單胃動物則不能利用纖維素。

以下是纖維素酶在牛、雞、豬日糧中的應(yīng)用：

牛日糧焦平林等（1996）用閹牛試驗，在日糧中按每頭每日添加纖維素酶40g，飼喂60天，結(jié)果表明加酶組日增重892.78g，對照組日增重746.8g，差異極顯著（P