纤维素酶在工业领域中的应用及研究进展

纤维素酶在工业领域中的应用及研究进展 作者 刘海洲 肖强 张媛媛 刘均洪 时间 2009 02 02 11 04 20 来源 生物技术世界 浏览次 数 954 次 浏览评论 纤维素酶广泛存在于自然界的生物体中 在食品 酿造行业 农副 产品深加工 饲料 医药 环境保护和化工等领域有着非常广阔的应用 前景和应用潜力 我国纤维素酶的生产及应用研究近年来取得了很大进 展 本文对纤维素酶在工业领域中的应用及研究进展进行了综述 纤维素是地球上最丰富的可再生的生物质资源 它占植物干重的 35 50 是地球上分布最广 含量最丰富的碳水化合物 它的降解 是自然界碳素循环的中心环节 自从 1906 年在蜗牛消化道发现纤维素 酶以来 纤维素的微生物降解问题就得到了足够的关注 2 纤维素被彻 底分解而又无污染的一条有效途径 便是利用纤维素酶的水解作用 自 从纤维素酶被人类认识和利用以来 它在许多行业都发挥着重要的作用 目前 利用纤维素酶水解纤维素 可以广泛应用于食品 饲料 酿 造 化工 纺织和环境保护等领域 应用一 果蔬加工 植物性农林产品和副产品是食品工业的主要原料 而在食品加工过 程中利用的主要是植物细胞的内含物 蛋白质 淀粉 油脂 芳香油 可活性生物碱 色素等 这些天然成分被植物细胞包裹或与细胞壁紧密 相连 植物细胞壁的主要成分是纤维素 半纤维素和果胶等 用纤维素酶 作适当处理可使细胞壁发生不同程度的改变 如软化 膨胀和崩溃等 从而可改变细胞壁的通透性 提高细胞内含物的提取率 同时可简化食 品加工工艺 改善食品的品质 4 例如 用纤维素酶处理可促进大豆脱 皮 增加从大豆或豆饼中提取水溶性蛋白质的得率 利用纤维素酶对纤 维素类物质的降解 可促进果汁的提取与澄清 能提高可溶性固形物的 含量 并可将果皮渣综合利用 目前已成功的将柑橘皮渣酶解制取全果 饮料 其中的粗纤维有 50 降解为短链低聚糖 即全果饮料中的膳食纤 维 具有一定的保健功能 在制备脱水蔬菜如胡萝卜 土豆等时 经适 当纤维素酶处理后再干燥脱水 可改进脱水蔬菜的烧煮性和复原性 也 可用于从豆渣中回收蛋白质或油脂 应用二 茶叶的加工 速溶茶饮用方便 无不溶渣滓 可以同其他饮料调用 深受国际市 场欢迎 我国茶叶产量大 制备速溶茶意义重大 茶叶主要由 4 种有效 成分组成 即由氨基酸 糖类及其两者形成的香味成分 由咖啡因 皂 角形成的苦味成分 由单宁形成的涩味成分以及微量的造香成分 这些 成分被以纤维素为主体的细胞壁包围在细胞内 而这些细胞又通过果胶 原联结成茶叶 6 因此 用纤维素酶及其它细胞壁裂解酶来抽提茶叶 然后将抽提液浓缩干燥即得可溶性茶 与热法浸提相比 该低温酶法抽 提既可提高收率 又可保持茶叶原有的色 香 味 目前 国内在这方 面进行了大量研究与开发 7 应用三 在酿酒中的应用 白酒酿造所用的原料中 纤维成分较多 尤其是采用固体发酵工艺 生产的白酒 其原料中纤维含量更大 填充料部分 传统工艺采用糖 化酶水解 只能将原料中的淀粉水解使其转化成糖 而大部分纤维质成 分则转化不了 被浪费掉 使用纤维素酶后 不仅可以分解植物细胞壁 释放淀粉 还能将部分纤维素转化为糖 再经酵母分解全部转化为酒精 提高出酒率 3 5 酒体质量纯正 淀粉和纤维利用率高达 90 应用四 酱油的酿造 纤维素酶在酿造酱油中的作用之一是把原料中的天然纤维素分解成 葡萄糖 被分解的葡萄糖在酱油酿制的发酵过程中 可进行麦拉德反应 加深酱油的色泽 减少酱色用量 同时还可成为有益微生物的碳源 如 酵母菌可利用葡萄糖发酵成酒精 由乳酸菌发酵成乳酸 作用之二是使 植物细胞壁的主要成分纤维素一步步地分解 最后被溶解破坏 使细胞 内藏的蛋白质和淀粉等充分游离释放出来 这样就可以缩短酿造时间 提高产率 同时还提高品质 使氨基酸还原糖含量增加 中国科学院成 都生物研究所 1975 年在四川省眉山酿造厂用纤维素酶单独制曲与米曲混合使用 使氨基酸态氮提高 37 5 还原糖提高 10 45 产量增加 52 83 应用五 功能性成分的提取 茶多糖具有降血糖 降血脂 降血压及减慢心率 耐缺氧等作用 在抗凝血 防血栓形成 保护血相和增强人体非特异性免疫功能等方面 也有明显的效果 食用菌多糖大分子具有抑制实验动物肿瘤生长的作用 能够恢复和提高机体的免疫活性 是一类无毒 无副作用的免疫活性物 质 番茄红素是一种类胡萝卜素 它具有清除自由基和较高的抗氧化的 能力 同时具有抗癌 防癌的作用 山楂叶中的黄酮类化合物是其主要 的有效成分 可促使血管扩张 冠状动脉血流量增加 对人体可以起到 降压 降血脂 增大心脏血流量等作用 还具有清除自由基的作用 还 有研究表明 黄酮类成分中牡荆素化合物具有良好的抗癌作用 这些功能性成分传统上多是采用水浸提或有机溶剂浸提 提取率低 生产成本过高 不能实现大规模生产 如果在浸提之前添加纤维素酶进 行处理 则可以破坏细胞壁 增加这些功能性成分的溶出而提高产率和 产品品质 11 应用六 饲料工业中的应用 纤维素酶和纤维素酶生产菌能转化粗饲料如麦秆 麦糠 稻草 玉 米芯等 把其中一部分转化为糖 菌体蛋白 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 主要具有以下几方面效果 1 补充动物内源酶 刺激内源酶分泌 在反当动物中虽有一定的纤维素微生物 但毕竟有限 而单胃动物如猪 鸡等体内由于缺乏内源性纤维素酶 不能消化纤维素 添加纤维素酶可 补充内源酶的不足 提高动物对粗纤维的利用率 同时还可以改善消化 道酶系组成 酶量及活性 2 破坏植物细胞壁 促进养分的消化吸收 纤维素酶 半纤维素酶和果胶酶协同作用可破坏植物的细胞壁 使细胞 内容物溶解出来 淀粉酶和蛋白酶进一步降解 提高养分的消化和非淀 粉多糖的利用率 3 消除抗营养因子 果胶 半纤维素 葡聚糖和戊 聚糖可部分溶于水中 产生粘性 增加动物胃肠道内容物粘液 对内源 酶而言是一种障碍 添加纤维素酶可去除这一障碍 增加内源酶的扩散 提高酶与养分的接触面积 促进饲料的良好消化 应用七 在洗涤剂工业中的应用 近年来 碱性纤维素酶在洗涤剂工业上的应用改变了传统的去污机 制 在洗涤剂工业上得到很高评价 被认为是洗涤剂工业上的一次革命 碱性纤维素酶与酸性纤维素酶对底物的作用不同 酸性纤维素酶对木质 纤维素的作用是一个糖化过程 在多种组分的协同作用下能得到更多的 最终产物葡萄糖 而碱性纤维素酶是一种非全组分的内切葡萄糖苷酶 主要与棉纤维中仅占 10 左右的非结晶区的纤维素分子起作用 棉纤维 吸水性好 但污垢侵入后与水分子结合形成胶状物而被封闭在纤维素分 子结构中 一般洗涤剂不易洗出 而碱性纤维素酶可选择性地吸附在棉 纤维的非结晶区 使棉纤维膨松 水合纤维素分解 胶状污垢脱落 同时这些由纤维绒毛所组成的非结晶区也是造成棉织物褪色 板结 的原因 因此加有纤维素酶的洗涤剂不仅去污 还能起到使棉织物颜色 鲜明和柔软效果 13 应用八 在纺织工业上的应用 纤维素纤维纺织品的酶处理叫生物整理 包括对棉麻及其混纺织物 的柔软整理和减量整理 纤维素酶整理的织物具有滑爽 布面清晰 悬 垂性好 吸湿性强等特点 并具有一定的 丝光 效果 染色的棉织物 经纤维素酶处理后 外观好 表面毛羽 毛棉结明显地被清除 织物结 构清晰 染色织物的色泽也明显地变亮和增深 织物的表面粗糙度以及 抗绕刚度明显降低 纤维素酶还可增强纤维的柔软度 用于增强黄麻的 漂白 能有效地控制表面纤维的水解程度 14 棉织物经纤维素酶处理后 去除了表面绒毛 织物变得光洁 均匀 富有光泽 手感柔软 织物在 质量如悬垂性提高 而且经多次洗涤依然无起球现象 纯大麻织物经纤 维素酶处理后 不仅手感柔软 丰满 飘逸挺括 滑爽不贴身 而且还 保持大麻夏布原有的风格 采用纤维素酶处理牛仔类棉织物 不仅能在 纤维表层进行可控的 刻蚀 使织物产生不均匀的褪色 具有穿旧感 而且对织物内部纤维的强力不会过度损伤 纤维素酶的使用一方面取代或降低了石头的用量 从而保护了机器 避免洗涤环境浮石尘屑的存在 另一方面 处理后织物手感更细腻 均 匀 柔软且没有缸批色差 因而纤维素酶有取代劳动布材料石磨工艺的 趋势 应用九 在环境保护和处理纤维素废料中的应用 在工业 农业和生活废料中 纤维素含量占相当大的比重 在造纸 食品工业中会产生大量的纤维废渣 这些废料经理化处理后易于酶解 利用纤维素酶处理这些废料可防治污染又可生产有用的工业产品 因此 利用纤维素酶水解秸秆 蔗渣等农业废料 生产葡萄糖 再通过发酵 可生产乙醇 甲醇等物质 而乙醇 甲醇除作为重要的化工原料外 还 可替代汽油与煤炭等矿物燃料 解决能源问题 16 应用十 在废纸脱墨中的应用 酶法脱墨 enzymatic deinking 是二十世纪九十年代发展起来的一种 新型脱墨方法 也是近年来脱墨化学研究的热点 与传统的化学法脱墨 相比 酶法脱墨具有明显优势 它可以降低能耗 减轻污染 脱墨率亦 高于化学脱墨 所得脱墨浆物理强度好 白度高 尘埃度低 残余油墨 量低 滤水性能好 实验室研究和工业化规模己证实酶法脱墨是一种效 果好 经济可行的废纸脱墨方法 目前 用于脱墨研究的酶制剂有脂肪 酶 果胶酶 淀粉酶 半纤维素酶 纤维素酶等 大多数使用纤维素酶 或半纤维素酶 其中纤维素酶主要是商品酶制剂 即含有多种纤维素酶 组分和半纤维素酶 也有使用纯的纤维素酶 如纯的内切酶 应用十一 在石油工业中的应用 地质钻井需要保持地下岩层 裂 隙 孔隙 的原始渗透性 要求 所用冲洗液不应对岩层有淤塞作用 或即使有淤塞作用也很容易消除 目前地质钻井中采用的方法较多 需要专用设备或工具 成本高 费工 费时 且不能彻底地消除粘土对岩层的淤塞 纤维素酶由于其独特的功 能近来也被运用到了地质工程中 新的洗井方法是首先采用能起到与泥 浆相似护壁作用的魔芋无粘土冲洗液钻井 然后 将预溶的纤维素酶注 人井内 经自然浸泡后 在静压力下使淤塞在井壁内冲洗液中的魔芋聚 糖催化为单糖 快速恢复岩层的透水性能 从而完成洗井 应用十二 在植物体细胞杂交育种上的运用 植物细胞除去细胞壁后的裸露细胞称为原生质体 它不仅具有活细 胞的特点 而且易于摄取外来的遗传物质 细胞器及病毒及细菌等微生 物 所以植物原生质体为研究高等植物遗传转化和育种提供了较好的材 料和实验系统 在早期为了得到体细胞杂交所需要的原生质体 多采用 机械方法 但其产量低 效果差 目前己成功地利用纤维素酶或者混合 使用果胶酶与纤维素酶从植物的根 子叶合叶肉中得到