发酵工程与设备综述论文.doc

发酵工程与设备 课 程 论 文题 目 纤维素酶的应用与研究进展 班 别 生技1-1班 学号 10114040152 姓 名 廖文光 成 绩 纤 维 素 酶 的 应 用 与 研 究进展摘要：现代社会面临着能源危机，世界各国都充分调动人力物力，大力发展和研究可再生能源。石油是一种不可再生能源，终有一天世界上的石油会耗尽，世界各国都大力发展研究一种石油代替品，以应对石油危机。巴西用粮食制造乙醇曾一度获得大多数国家的好评，但却遭到粮食保护主义的批评。纤维素酶的发现，解决了这一大难题。但其利用范围有限且产率不高。本文主要介绍了纤维素酶的特点、来源和作用机理，及在食品、发酵、饲料等方面的应用并对其发展前景做了展望。关键词：能源危机 纤维素酶 工业应用前言：在资源逐步枯竭和能源短缺的情况下,世界各国都在谋求有效地开发和利用生物质资源。其中利用各类植物纤维素制取燃料酒精等能源物质是解决原料来源和降低成本的主要途径之一。纤维素是地球上最丰富的可再生资源,是植物细胞壁的主要成分,占植物干重的35% 50%,由B-1 , 4葡萄糖苷链连接葡萄糖苷形成的线形聚合体,不溶于水,可被纤维素酶水解成葡萄糖。纤维素酶是糖苷水解酶的一种,是一组能降解纤维素的酶的总称。纤维素酶应用广泛,在微生物中广泛存在,但产酶效率低,热稳定性差,货价寿命短,从而一直限制着纤维素酶的推广应用。因此对高效、高热稳定性的纤维素酶的研究具有重要意义。1 纤维素酶的发现纤维素酶的来源主要有三方面: 植物、动物和微生物。纤维素酶广泛存在于植物中, 在植物发育的不同阶段发挥着水解细胞壁的作用, 如果实成熟、蒂柄脱落等过程。但在植物中提取纤维素酶比较困难, 且含量不高。现在主要研究从动物和微生物中提取。 食木性的节肢动物以及草食性动物之所以可以以植物为食物来源, 是因为其体内含有大量可以水解纤维素的共生菌的缘故, 它们对纤维素的消化主要是依靠其消化道内共生的微生物、原生动物完成的。这一理论最初由Cleveland 于 1924 年提出。他在研究白蚁时发现, 去除后肠中原生动物的白蚁不能存活。在此后很长一段时间，人们就用这一理论来解释高等动物为何能消化纤维素。Scrivener 等研究食木蟑螂时发现纤维素酶活性只在前肠和中肠中存在, 而在有大量原生动物存在的后肠中却未检测到纤维素酶的活力。将这种蟑螂用含有四环素(能抑制细菌和原生动物生长)的滤纸喂养, 12 周后仍未检测到其肠道内纤维素酶活性的下降, 并且在此期间, 其产生的 CO2和消耗的 O2之比介于 0.98 和 1.03 之间, 表明他们并没有动用体内储备的营养物质。由这一系列实验证明, 食木蟑螂很可能具有内源性的纤维素降解能力2。1963 年, Marshall 等在蜗牛无菌的肝胰腺中检测到了纤维素酶和几丁质酶活性, 而且还发现其消化液中纤维素酶和几丁质酶的活性与消化液中菌体的含量无关。1998 年, Smant 等3用分子生物学的方法, 从两种不同种属的植物寄生的线虫中得到了 4 个内切 - 1, 4- 葡聚糖酶(EG)的 cDNA; 同年, Watanabe 等4利用白蚁的内切 - 1, 4- 葡聚糖酶的抗血清对其 cDNA 文库进行免疫筛选, 并采用 cDNA 末端快速扩增法得到白蚁内切 - 1,4- 葡聚糖酶 cDNA。从而进一步证明了动物体内确实存在内源性的纤维素酶。2 纤维素酶的结构纤维素酶，英文名称：cellulase ，编号：EC 。微生物所产生的纤维素酶系是一个多组分酶系,通常将纤维素分为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和B-葡萄糖苷酶。一般来说,内切葡聚糖酶作用于纤维素分子内部的非结晶区或羧甲基纤维素,随机水解B-1, 4-糖苷键,将长链纤维分子截断,产生大量小分子纤维素。外切葡聚糖酶,作用于纤维素线状分子末端,水解B-1, 4-糖苷键,每次从纤维素链的非还原端切下一个纤维二糖分子,可以水解微晶纤维素。而B-葡萄糖苷酶水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖。3种酶协同作用,完成对纤维素的降解。3 纤维素酶的作用机理3-1纤维素降解理论提出研究人员对纤维素酶使纤维素转化为葡萄糖的过程提出了不同看法。1950 年 Reese 对纤维素酶的作用方式提出了著名的 C1- Cx 假说, 并得到大多数人的支持。C1-Cx 理论要点是 C1酶首先作用于结晶纤维素, 使其改变成可被 Cx 酶作用的形式, Cx 酶随机水解非结晶纤维素, 即可溶性纤维衍生物和葡萄糖的 - 1, 4- 寡聚糖, - 葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖 ( 如图所示)。结晶区 纤维素无定形纤维素 C1 Cx 外切葡聚糖酶 活性纤维素 纤维二糖 葡萄糖 内切葡聚糖酶 &-葡萄糖苷酶上述的 C1和 Cx 分阶段水解纤维素的理论在以后的实验中没得到证实。若先用 C1酶作用结晶纤维素, 然后将 Cx 酶与底物分开再加入 Cx 酶, 如此顺序作用并不能将结晶纤维素水解, 只有当 C1、Cx 以及 - 葡萄糖苷酶同时存在才能水解天然纤维素。对于纤维素酶的作用机理,目前尚不十分明了, 有待进一步研究。3-2 酶协同水解机制Reese认为C1作用是破坏结晶区结构为纤维素酶其它组分结合创造条件,而后其他学者所分离得到的类似Reese C1因子均被证实为CBH79。Wood10等分离鉴定了C1酶,认为C1酶是一种水解酶,它不易作用于羧甲基纤维素,而能作用于结晶纤维素,磷酸膨胀纤维素等,主要产物是纤维二糖,从而证明C1酶是一种B-1-4葡聚糖纤维二糖水解酶。天然纤维素水解成葡萄糖的过程中,必须依靠3种组分的协同作用才能完成,协同作用指微生物降解纤维素是由内切酶、外切酶和葡萄糖酶之间和内部的密切配合。然而针对内切酶与外切酶作用次序存在争议1114。3-3 氧化降解机制Sheng23认为,结晶纤维素分子难以进入纤维素酶的活性位点而并非酶的催化活力是结晶纤维素酶解的限制步骤,因此在结晶纤维素被纤维素酶降解前应存在纤维素结晶状态转变。纤维素结晶区的破坏是天然纤维素降解的关键限速步骤,由于纤维素结晶区由微纤维束间通过氢键结合,因此C1应该是非葡聚糖酶酶解氢键的性质因子9。研究者们对C1提出了种种推测,如C1可能作用于纤维素链间的氢键或者作用于纤维素中少数的B-1-4葡萄糖苷键,或者其它一些不规则键、薄弱键等。Liu24等认为C1组分可能不是一种普遍意义的酶,是一种与纤维素形成氢键比纤维素间氢键更强的蛋白。Griffin25已经从商品里氏木霉纤维素复合酶中分离一种使滤纸形成微纤维或短纤维的微纤维生成因子,并且发现在微纤维形成过程中几乎没有可溶性糖生成,该因子含有铁,对煮沸和冷冻干燥等处理相对稳定,因而它似乎不是一种酶。随着褐腐真菌与白腐真菌降解天然纤维素的研究发现,纤维素降解确实存在结晶区转换非水解作用因子。纤维素酶的应用1 果实和蔬菜加工在果实和蔬菜加工过程中为了使植物组织软化膨润, 一般采用加热蒸煮、酸碱处理等方法, 会造成果蔬的香味和维生素损失, 用纤维素酶进行果蔬处理可避免上述缺点, 同时可使植物组织软化膨松, 能提高可消化性并改良口感 。采用纤维素酶水解法对海藻粉进行前处理可以提高海藻脂质的抽提率6, 充分获取海藻中的脂质资源, 同时降低生产成本2 酒精生产酒精酿造所用原料中纤维含量较大, 使用纤维素酶后,可同时将淀粉和纤维素转化为糖, 原料利用率提高,再经酵母分解全部转化为酒精,发酵过滤性好, 发酵时间缩短, 出酒率提高 3%5%, 且酒体质量纯正, 淀粉和纤维素利用率高达 90%, 还可降低醪液的黏度(降低 24 倍)。利用纤维素酶进行酒精浓醪发酵, 前景也十分看好。此外, 用野生果实酿酒时, 加入纤维素酶后, 出酒率最高可达 29.5%。3制备低纤维饲料由真菌木霉和黑曲霉所产生的纤维素酶同时含有能将天然纤维素降解成易消化糖的多种酶组分, 且降解纤维素的能力很强。利用纤维素酶这种特性, 可将粗饲料制作成低纤维饲料。目前已在兔等家禽饲养中得到了试验应用, 但推广面还很小。酶制剂作为家畜饲料添加剂在国外已引起越来越多的关注。用于制作酶剂的酶有多种, 由于家禽家畜一般难消化利用纤维素和半纤维素, 因此, 纤维素酶在饲料酶制剂中应用最为普遍。使用饲料纤维素酶制剂, 可以促进动物的消化吸收, 大大提高动物对饲料的利用率。发展前景纤维素物质是年产量巨大的可再生资源,如何成功的开发这一资源,对人类的可持续发展具有非常重要的意义。在对环境和生态问题高度重视的今天,人们利用微生物降解纤维素来实现生物量的转化利用,同时如何成功利用纤维素酶始终是研究者的目标。鉴于目前纤维素酶存在的问题,今后对纤维素酶的研究会重点集中在以下几个方面:分离筛选纤维素酶高产菌株,充分利用生物学及分子生物学的方法对菌株进行改造,进一步提高菌株生产能力及酶的活性和稳定性。对纤维素酶的测定方法统一规范,包括规定标准菌株、标准测活方法、标准底物等。优化产纤维素酶菌株的发酵条件,改进发酵工艺,降低生产成本,使菌株生产能力得最大发挥,使发酵产物易于分离纯化。筛选极端条件下纤维素酶高产菌株,推广纤维素酶在极端条件下的应用,进一步挖掘纤维素酶的潜在市场。参考文献1 Watanabe H, Tokuda G.Animal ceHulases.Cell Mol Life Sci 2001 58 (9):11671178. 2 Smant G, Stokkemans J PYan Y T, et a1.Endogenous cellulases in animals: isolation of beta- 14- endoglucanase genesfrom two species of plantpar- asitic cyst nematodes.ProcNatl Acad Sci USA199895(9):490649l1.3Watanabe H, Noda H, Tokuda G, et a1.A cellulase gene of termite ori- gin.Nature, 1998, 394(6691): 330331.4 张华锋.纤维素酶研究进展.福建农业职业技术学院,福建福州350007 5 王希国,杨谦,燕红.纤维素酶催化水解和氧化机制的研究进展*，哈尔滨工业大学生命科学与工程系,黑龙江哈尔滨1500016REESE E G, SIU G H, LEVISIONH S. The biological degradation of soluble cellulose derivatives and its relationship to themechanism ofcellulose hydrolysis J. J Bacterio,l 1950, 59(9) : 485-497.7WOODWARD J, LIMAM, LEE N E. The role of cellulose concentration in the determing the degree of synergism in the hydrolysis ofmicro-crystalline cellulose J. Biochem J, 1988, 25: 598-899.8NIDETZKY B, STEINER S, HAYNM,etal. Cellulose hydrolysis by the cellulases fromTrichoderma reese: a newmodel for synergistic inter-actionJ. Biochem J, 1994, (298): 705-710.9王冬.丝状真菌纤维素酶合成调节及其降解纤维素机理的研究D.济