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纤维素酶的概述 小组成员 牛浩李为珺褚洪官王龙伟 01 纤维素酶的简介 纤维素酶 指由生物产生的一种多组分的混合蛋白质 在适当的条件下 能使不溶性纤维素材料水解成可溶性糖的生物催化剂的总称 纤维素酶的结构 两个具有独立活性的结构域 具有催化功能的结构域 Catalyticdomain CD 具有结合纤维素功能的结构域 Cellulosebindingdomain CBD 两者之间由一段高度糖基化的linker相连 整个分子呈楔形 纤维素酶来源及分类 按照纤维素降解微生物和纤维素酶系之间的关系 可将纤维素酶系分为三类 一是对天然纤维素的降解能力比较弱 但可大量合成分泌到胞外的纤维素降解酶系 酶的组分是游离的 如常见的木霉 青霉的纤维素酶系 二是对天然纤维素降解能力强 但分泌到胞外的纤维素酶系活力较低 如担子菌类等 三是对天然纤维素分解能力强 但基本无纤维素酶分泌到胞外 如厌氧细菌的纤维素酶系 来源 真菌 mainly 木霉属 曲霉属和青霉属 如绿色木霉菌 康宁木霉菌 黑曲霉 绳状青霉 变幻青霉等 细菌 好氧菌 如纤维单胞菌属 纤维弧菌属 噬胞菌属厌氧菌 厌氧性的芽孢梭菌属 产琥珀酸拟杆菌 牛黄瘤胃球菌 白色瘤胃球菌 溶纤维丁酸弧菌等超古菌 激烈火球菌等 放线菌 好氧放线菌 生二素链霉菌高温单孢菌属 弯曲高温单孢菌及假诺卡氏菌属等植物 动物及原生动物 蜗牛 蟑螂等 纤维素酶对纤维素的作用机理 纤维素酶水解纤维素是 1 4 内切葡聚糖 纤维二糖水解 酶 EG Endo Glucanase 1 4 外切葡聚糖 纤维二糖水解 酶 CBH Cellobiohydrolase 和 葡萄糖苷酶 BG Glucosidase 协同作用下进行的 首先 EG酶随机水解切断无定型区的纤维素分子链 使结晶纤维素出现更多的纤维素分子基端 为CBH酶水解纤维素创造条件 CBH酶的水解产物纤维二糖则由BG酶水解成葡萄糖 因而纤维素酶水解纤维素的过程可以简单表示为 EGCBHBG 目前的研究表明 EG酶实际上至少包括EG EG EG 和EGV四种 CBH至少包括CBH 和CBH 两种 02 纤维素酶的应用 在食品行业的应用 纤维素酶在食品工业上的应用更为广泛 如用于豆腐生产中 能提高出品率10 用于制备速溶茶 可有效提高速溶茶的提取率 用于果蔬榨汁 能大大提高出汁率 用于大豆的提取 可提高优质蛋白得率 还可回收豆渣中的蛋白和油脂 用于淀粉的制造 能缩短制造时间 提高淀粉的出品率 用于烟草生产 改善烟草品质 用于酒的酿造 提高出酒率3 5 用于酱油的发酵 能提高酱油得率 改善酱油的风味和品质等 在造纸行业的应用 一 纤维素酶法废纸脱墨 酶处理法是采用酶进攻油墨或纤维表面 纤维素酶则改变纤维表面或油墨离子附近的连接键 从而使油墨分离 经洗涤或浮选法脱除 优点 降低能耗 减轻环境污染 脱墨率高 二 纤维素酶法处理改善纸浆性能 酶处理改善纸浆性能包括降低机械浆磨浆能耗 提高化学浆的打浆性能和改善纸浆纤维性质 酶处理还可改善磨浆性能 纸浆在磨浆之前 用纤维素酶进行预处理 可以改进磨浆效果和滤水性能 三 纤维素酶法处理改善纤维成纸性能 纤维素酶处理硫酸盐浆能够提高成纸的抗张指数 纤维素酶还能够提高薄页纸的柔软性 纤维素酶处理纸浆 还可改善纤维压缩性 使纸页微孔性下降 密度提高 透明度提高 在造纸行业的应用 四 抑制导管脱落 纤维素酶能够提高阔叶木导管的柔韧性 酶法处理能够使导管脱落程度降低 同时 纸浆的滤水性 平滑度和抗张强度都得到了提高 纤维素酶抑制导管脱落是由于减缓了前期结晶态纤维聚集的原因 五 纤维素酶法预处理的硫酸盐浆 纤维素酶法进行预处理可以降低纸浆的硬度 或在相同的硬度下 降低化学药品的用量和能源消耗 一项研究表明 常规硫酸盐蒸煮在加入药液以前采用粗纤维素酶片真空预浸渍木片45 能够降低所得浆的卡伯值 2 三七总皂苷提高24 3 银杏叶中提取黄酮提高56 1 金银花绿原酸提高26 中药破壁提取 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 在医药行业的应用 在纺织行业的应用 1 减量处理减量处理主要是改善织物的柔软 弹性和悬垂性 棉织物经过纤维素酶整理后 手感和外观可以有很大的改善 织物的硬挺度和刚性降低 光滑度和悬垂性提高 能使织物获得更好的手感 2 生物抛光处理生物抛光有如下优点 织物表面更光洁无茸毛 织物表面显得更加均匀 减少起毛起球的趋向 增加悬垂性并具滑爽手感 处理的织物更具有环保意义 经过生物抛光处理的织物还有诸多优点 穿着洗涤不易起球 染色鲜艳 保色保新时间长 尤其对印花织物效果更好 3 水洗和石磨处理与传统的石磨工艺相比 酶洗工艺条件温和 耗能降低 减少了服装和设备的磨损 水洗效率高 与传统的化学助剂整理工艺相比 酶洗工艺大大减少了污水排放 有利于环境保护 纤维素酶石磨水洗的牛仔裤 在洗涤剂行业的应用 目前在加酶洗衣粉中使用的共有4种 蛋白酶 脂肪酶 淀粉酶 纤维素酶 它们有着对污垢的特殊去污能力 并且具有在洗衣粉配方中所占成本较少而洗涤效果提高很大的特性 在饲料行业的应用 纤维素是自然界中十分丰富的资源 可通过用纤维素酶来有效利用农副产品的脚料秸秆和糠类来作为饲料 进而提高畜禽的生产性能 提高饲料的消化率和利用率 改善饲料的营养价值 提高经济效益 故而纤维素酶具有广阔的发展前景 03 纤维素酶的制备工艺 固体发酵生产纤维素酶 固体发酵法又称麸曲培养法 主要原料一般是麸皮 米糠等 农作物秸秆 甘薯渣 玉米粉 豆粕 压扁谷粒等通常也可以作为主要原料或辅助原料 固态发酵生产纤维素酶工艺流程图如1所示 首先对发酵原料灭菌 然后将菌种接入到与适当的水充分混合的培养基中 选择适宜的温度和湿度进行发酵 最后用缓冲溶液 或无菌水 抽提纤维素酶 即可得到粗酶液 优点 发酵条件接近于自然状态下的真菌生长习性 产酶量一般比液体发酵法高出2 3倍 产生的酶系更全 有利于降解天然纤维素 固体纤维素酶曲可直接用于纤维素糖化 次级代谢产物对菌体的分裂增值影响较小 能耗低 发酵过程需要通入少量低压无菌的空气 不需搅拌 固体发酵对水活度要求较低 发酵过程中可一定程度上避免外源性污染 所用原料比较简单 后处理设备少 生产成本低 液体深层发酵生产纤维素酶 液体发酵法 SP 是指将微生物接种到液体培养基中进行培养的方法 液体发酵法分为液体表层发酵法和液体深层发酵法 纤维素酶液态发酵通常是将秸秆粉 玉米芯 麸皮等原材料经粉碎等预处理后进行高压蒸汽灭菌 然后送至发酵罐内 同时接入纤维素酶菌种 从罐底部通入无菌空气进行物料的气流搅拌 发酵过程控制适宜的温度 pH值等发酵条件 其工艺流程如图2所示 优点 自动化程度高 包容性及发酵容量大等 缺点 动力消耗大 设备要求高 生产成本高等 西方发达国家己逐步用该技术取代固体发酵技术来生产各种抗生素及酶制剂 目前国内外大都在探索液体发酵生产纤维素酶 固 液交替新型发酵工艺 固定化细胞技术 混菌发酵 其他发酵工艺 技术 目前在纤维素酶生产中使用的生物床及固定化细胞等技术 就是有效地将固体发酵与液体发酵相融合的典范 综合两者的优点 更适于规模化生产 技术 具有减少对细胞的剪切伤害 提高产物的制备效率 提高产品收率 方便产物回收 同时可降低产物的生产成本 实现连续化生产等优点 技术 操作简单 且可以提高发酵效率甚至形成新产品 从而取得与复杂DNA体外重组技术类似的效果 进行混菌发酵时 由于不同菌种产生的纤维素酶系不同 除了可以对酶的各组分进行补充优化 混菌发酵还能减弱一些发酵过程中的抑制作用 04 展望 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 还可以较好地解决纤维素的生物