纖維素酶的概述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　生物工程</b></p><p><b>　　纖維素酶的概述</b></p><p>　　【摘要】纖維素作為地球上分布廣，含量豐富的碳水化合物，它的降解是自然界碳素循環(huán)的中心環(huán)節(jié)。纖維素的利用和轉(zhuǎn)化對(duì)于解決目前世界能源

2、危機(jī)，糧食短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題具有十分重要的意義。本文就纖維素酶的應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的概述。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】纖維素酶；纖維素酶的實(shí)際應(yīng)用：應(yīng)用前景</p><p><b>　　纖維素的概況</b></p><p><b>　　纖維素酶的分類(lèi)</b></p><p>　　纖維素酶的組成比

3、較復(fù)雜,通常所說(shuō)的堿性纖維素酶是具有3～10 種或更多組分構(gòu)成的多組分酶。根據(jù)其作用方式一般又可將纖維素酶分為3 類(lèi): 外切β- 1, 4-葡聚糖苷酶( 簡(jiǎn)稱(chēng)CBH) 、內(nèi)切β- 1, 4- 葡聚糖苷酶( 簡(jiǎn)稱(chēng)EG)和β- 1, 4- 葡萄糖苷酶( 簡(jiǎn)稱(chēng)BG) [1] 。在這3 種酶的協(xié)同作用下,纖維素最終被分解成葡萄糖。到目前為止, 還沒(méi)有能夠在堿性條件下分解天然纖維素的纖維素酶。堿性纖維素酶是一種單組分或多組分的酶, 只具有內(nèi)切β-

4、 1, 4- 葡聚糖苷酶( 又稱(chēng)CMC酶) 的活性, 有的還與中性CMC 酶組分共存[2]。</p><p>　　1.3 纖維素酶的作用機(jī)理</p><p>　　纖維素酶在提高纖維素、半纖維素分解的同時(shí), 可促進(jìn)植物細(xì)胞壁的溶解使更多的植物細(xì)胞內(nèi)溶物溶解出來(lái)并能將不易消化的大分子多糖、蛋白質(zhì)和脂類(lèi)降解成小分子物質(zhì), 有利于動(dòng)物胃腸道的消化吸收[3]。同時(shí), 纖維素酶制劑可激活內(nèi)源酶的分泌

5、, 補(bǔ)充內(nèi)源酶的不足, 并對(duì)內(nèi)源酶進(jìn)行調(diào)整, 保證動(dòng)物正常的消化吸收功能, 起到防病、促生長(zhǎng)的作用, 消除抗?fàn)I養(yǎng)因子,促進(jìn)生物健康生長(zhǎng)。半纖維素和果膠部分溶于水后會(huì)產(chǎn)生粘性溶液, 增加消化物的粘度, 對(duì)內(nèi)源酶造成障礙, 而添加纖維素酶可降低粘度, 增加內(nèi)源酶的擴(kuò)散, 提高酶與養(yǎng)分接觸面積, 促進(jìn)飼料的良好消化。而纖維素酶制劑本身是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復(fù)合物, 在這種多酶復(fù)合體系中一種酶的產(chǎn)物可以成為另一種酶

6、的底物, 從而使消化道內(nèi)的消化作用得以順利進(jìn)行[4]。也就是說(shuō)纖維素酶除直接降解纖維素, 促進(jìn)其分解為易被動(dòng)物所消化吸收的低分子化合物外, 還和其他酶共同作用提高奶牛對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化[5]</p><p>　　2. 纖維素酶的一些歷史及研究成果</p><p>　　在吳琳,景曉輝,黃俊生[3]的產(chǎn)纖維素酶菌株的分離，篩選和酶活性測(cè)定中，他們利用“采樣—培養(yǎng)—分離單菌落—初篩—復(fù)

7、篩—測(cè)OD值”的方法篩選出分解纖維素能力較強(qiáng)的菌株。[結(jié)果]經(jīng)反復(fù)培養(yǎng)和劃線(xiàn)分離從80份樣品中初選出35株具有分解纖維素能力的菌株。其中10株由白轉(zhuǎn)綠,長(zhǎng)勢(shì)較好;6株深綠色,長(zhǎng)勢(shì)一般;4株綠色,長(zhǎng)勢(shì)較好。這20株都產(chǎn)孢子,被初步鑒定為綠色木霉。用剛果紅培養(yǎng)基進(jìn)行復(fù)篩選,得到9株透明圈較大的菌株。將這9株菌株再進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng),用DNS法進(jìn)行酶活測(cè)定得到2株酶活較強(qiáng)的菌株。這2株菌株被鑒定為棘孢木霉。通過(guò)濾紙崩解測(cè)試篩選出20株降解纖維素能力

8、較強(qiáng)的菌種。DNS法酶活測(cè)定結(jié)果表明采自甘蔗堆積處和甘蔗地的2個(gè)菌株的產(chǎn)酶活性最高。得到的結(jié)論采自甘蔗堆積處和甘蔗地的2個(gè)菌株可以作為降解纖維素的新菌種[7]。</p><p>　　在蘇貝，韓峰，于文功（中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院海洋藥物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東青島266003）海洋細(xì)菌Cellulophaga sp. QY201 產(chǎn)內(nèi)切纖維素酶發(fā)酵條件的研究中，研究人員采用的材料及方法：測(cè)酶活用羧甲基纖維素鈉（CMCNa

9、）購(gòu)自Fluka；酸水解干酪素購(gòu)自北京鼎國(guó)（Genview 分裝）；蛋白胨、酵母提取物購(gòu)自上海生工；其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。TB-12R-3F 振蕩搖床為日本Takasaki Scientific Instruments Co. 產(chǎn)品；J2-MC 冷凍離心機(jī)為Beckman 公司產(chǎn)品。唯一碳源基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成如下：（w/v）CMCNa 0.3 %, NaCl 3 %,（NH4）2SO4 0.2 %, Na2HPO4 0.15%, NaH2

10、PO4 0.1 %, 100 kPa 滅菌15 分鐘。粗酶液的制備：不同發(fā)酵條件下的發(fā)酵液經(jīng)10000 r/min 離心10 min 后，上清液即為粗酶液。纖維素酶活力測(cè)定：取0.9 mL 1 %（w/v）CMCNa 底物（0.02 mol/L pH 7.0 磷酸鹽緩沖液配制）加入0.1 mL 酶液，在50 ℃下溫育10 m</p><p>　　在孔凱,孟寧,馮琳,李師翁(蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州

11、730070)產(chǎn)纖維素酶細(xì)菌的分離鑒定及產(chǎn)酶特性研究里。他們利用剛果紅染色鑒定法用接種針將斜面單菌落轉(zhuǎn)移到復(fù)篩產(chǎn)酶培養(yǎng)基,25℃恒溫培養(yǎng)3 d,向培養(yǎng)皿中加入適量1 mg/mL的剛果紅溶液,染色1 h后,用1 mol/L的NaCl溶液洗脫.得到的結(jié)果是菌株的分離純化與篩選從取自青藏高原的一份牦牛糞材料中,經(jīng)稀釋涂布平板分離到能在以CMC為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的菌株6株,用剛果紅染色,產(chǎn)生透明圈直徑較大的菌株有一株,給該菌命名為T(mén)ibe

12、t-YD5000-3.Tibet-YD5000-3菌落為橙黃色,圓形邊緣整齊,菌落表面為低凸面.革蘭氏染色表明Tibet-YD5000-3為桿狀革蘭氏陰性菌.他們結(jié)論是纖維素是地球上最豐富而可再生的生物聚合物。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，已發(fā)現(xiàn)的具有降解纖維素能力的微生物有近200 種，分布在真菌、細(xì)菌和放線(xiàn)菌中?，F(xiàn)今分泌降解纖維素酶微生物的研究主要集中在陸生菌，且集中在絲狀真菌的研究上，對(duì)海洋菌的研究較少[8]。在很多平板降解圈直接分離法分離CMCa

13、se 菌株的方法中，以剛果紅法為最好。其它的方法有的</p><p>　　在王全，李術(shù)娜，李紅亞，雷白時(shí)，陳妍，張立靜，朱寶成（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定071001）的產(chǎn)芽孢纖維素降解細(xì)菌XN-13 菌株篩選及酶活力測(cè)定。他們?cè)囼?yàn)的時(shí)間與地點(diǎn)：試驗(yàn)于2008 年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院制藥工程系微生物研究室進(jìn)行。他們使用的實(shí)驗(yàn)材料：新鮮牛糞，取自河北農(nóng)大牧場(chǎng)健康奶牛直腸或糞便。他們配制的培養(yǎng)基：NA培

14、養(yǎng)基、NB培養(yǎng)基、CMC-Na 培養(yǎng)基、剛果紅纖維素鈉培養(yǎng)基見(jiàn)《微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》。生理生化鑒定培養(yǎng)基及試劑見(jiàn)《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》。研究人員使用的試劑是0.05 mol/L 醋酸-醋酸鈉緩沖液；3,5-二硝基水楊酸顯色液（DNS）；0.5%羧甲基纖維素鈉溶液；0.2 mg/ml纖維素酶；2 mol/L鹽酸溶液；72%硫酸溶液；中性洗滌液。他們使用的方法：（1）取新鮮牛糞10.0 g 于試管中，在水浴鍋內(nèi)80 ℃水浴10 min，殺死菌

15、體。（2）稱(chēng)取5.0 g 處理過(guò)的牛糞，于150 ml NB培養(yǎng)基中170 r/min，37 ℃培養(yǎng)48 h。將培養(yǎng)后的發(fā)酵液進(jìn)行梯度稀釋?zhuān)来蜗♂尀?0-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6。分別取稀</p><p>　　3 纖維素酶的應(yīng)用</p><p>　　3.1 纖維素沒(méi)在食品工業(yè)上的應(yīng)用</p><p>　　3.1.1 纖維素酶在釀酒

16、工業(yè)上的應(yīng)用</p><p>　　在進(jìn)行酒精發(fā)酵時(shí)添加纖維素酶可顯著提高酒精和白酒的出酒率及原料的利用率, 降低溶液的黏度, 縮短發(fā)酵時(shí)間, 而且酒的口感醇香, 雜醇油含量低[11]。纖維素酶提高出酒率的原因可能有兩方面: 一是原料中部分纖維素分解成葡萄糖供酵母使用; 另外, 由于纖維素酶對(duì)植物細(xì)胞壁的分解, 有利于淀粉的釋放和被利用。將纖維素酶應(yīng)用于啤酒工業(yè)的麥芽生產(chǎn)中可增加麥粒溶解性, 加快發(fā)芽, 減少糖化液

17、中單一葡萄糖含量, 改進(jìn)過(guò)濾性能, 有利于酒精蒸餾。用纖維素酶預(yù)處理啤酒糟, 可提高啤酒糟蛋白酶解率10%以上; 纖維素酶在清香型優(yōu)質(zhì)白酒中的應(yīng)用, 出酒率可提高13%, 而且不影響酒的感官品質(zhì); 在日本清酒生產(chǎn)中, 浸米時(shí)加入0.02%～0.1%的纖維素酶浸泡17 h,米的溶解性好, 糖化發(fā)酵順利, 酒渣少, 出酒率高[12]。</p><p>　　3.1.2 纖維素酶在醬油釀造中的應(yīng)用</p>

18、<p>　　在醬油的釀造過(guò)程中添加纖維素酶, 可使大豆類(lèi)原料的細(xì)胞膜膨脹軟化破壞, 使包藏在細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和碳水化合物釋放, 這樣既可提高醬油濃度, 改善醬油質(zhì)量, 又可縮短生產(chǎn)周期, 提高生產(chǎn)率, 并且使其各項(xiàng)主要指標(biāo)均提高3%。采用固體制曲、固態(tài)酒精發(fā)酵和固態(tài)[13]。</p><p>　　3.1.3 纖維素酶在醋酸發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用</p><p>　　醋酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝對(duì)纖維

19、素酶在食醋釀造方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 結(jié)果表明纖維素酶添加量為10～50 umol/min, 產(chǎn)酒精量比CK 提高7.5%～23.8%, 食醋產(chǎn)量提高0.25～1.36kg, 主料出品率提高5.1%～27.2%[14]。</p><p>　　3.2 纖維素酶在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用</p><p>　　3.2.1 纖維素酶在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　在瘤胃微生

20、物區(qū)系結(jié)構(gòu)正常的情況下,添加纖維素酶能以幾倍的效率提高粗纖維和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酵解強(qiáng)度,提高消化吸收水平。在瘤胃發(fā)生病理變化即微生物區(qū)系失去平衡進(jìn)入腐解過(guò)程時(shí),高活性纖維素酶能迅速調(diào)整微生物區(qū)系結(jié)構(gòu),恢復(fù)平衡關(guān)系和正常酵解、吸收、合成過(guò)程[15]。有試驗(yàn)表明在瘤胃正常狀態(tài)下,添加纖維素酶飼喂奶牛5晝夜以后,其糞便干物質(zhì)和飼喂前相比,減少了30 %左右;1周以后,封閉牛舍氨氣含量下降70 %左右,粗飼料采食量提高10 %-20 %,糞便中蛋

21、白質(zhì)提高8 %-10 %,尿中尿素下降58-9 %(趙長(zhǎng)友,1993)。有試驗(yàn)表明,在奶牛飼料中添加纖維素酶可在降低采食量的同時(shí),提高增重和產(chǎn)奶量,提高飼料報(bào)酬,而在產(chǎn)奶量增加的同時(shí)對(duì)乳脂率沒(méi)有明顯影響。纖維素酶在降低采食量的同時(shí)提高產(chǎn)奶量的主要原因是:反芻動(dòng)物的攝食量主要受血液內(nèi)的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度的調(diào)節(jié)。揮發(fā)性脂肪酸是纖維素的分解產(chǎn)物,外源性纖維素酶增加了瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸的生成量,而瘤胃對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的吸收較快,大量的揮發(fā)

22、性脂肪酸進(jìn)入血液,并隨其濃度的升高反饋性作用于食物調(diào)節(jié)中樞,導(dǎo)致采食量下降。一般認(rèn)為奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率呈負(fù)相</p><p>　　除腸道中的微生物可以降解部分纖維素外,單胃動(dòng)物不能分泌斷裂β-1,4糖苷鍵的內(nèi)源酶,所以飼料中含有的纖維素對(duì)單胃動(dòng)物而言幾乎不具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。此外,由于纖維素的交錯(cuò)、纏繞和粘附,阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收并影響腸道微生物菌群的平衡。因此在單胃動(dòng)物日糧中添加纖維素酶具有營(yíng)養(yǎng)和保健的雙重功效

23、[17]。</p><p>　　肉雞　在日糧中添加纖維素酶飼喂肉雞可使肉雞飼料消耗量下降16-25 %,體重增加2-88 %,料肉比降低10-18 %(尹清強(qiáng)等,1993)。Francesh等(1994)同時(shí)使用纖維素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶喂以大麥飼料為基礎(chǔ)的雛雞,結(jié)果使飼料消耗降低2-9 %,體重提高1-3 %。秦江明等(1996)對(duì)飼喂添加纖維素酶的肉雞進(jìn)行各階段的體重分析,結(jié)果試驗(yàn)雞于2周末、4周末體重在各

24、日糧間差異極顯著,說(shuō)明酶制劑對(duì)肉雞前期的生長(zhǎng)作用顯著;6周末、8周末試驗(yàn)雞體重在各日糧間也呈增高趨勢(shì)。說(shuō)明添加外源酶制劑補(bǔ)充了內(nèi)源酶的不足,因而在肉雞發(fā)育前期具有更顯著的效果[18]。</p><p>　　蛋雞　王懷凡等(1995)在蛋雞常規(guī)飼料中添加0·1 %復(fù)合纖維素酶,試驗(yàn)組的產(chǎn)蛋率比對(duì)照組提高10·8 %,蛋重提高1·7 %,料蛋比下降14·6 %。徐奇支等(199

25、8)用纖維素酶添加日糧飼喂蛋雞,對(duì)蛋形指數(shù)、蛋殼厚度未產(chǎn)生明顯影響,但添加0·1 %和0·5 %的纖維素酶降低了破蛋率。</p><p>　　豬　 王堯等(1995)用前期含草粉10 %、后期含草粉15 %的日糧添加纖維素酶喂肥育豬,試驗(yàn)組比對(duì)照組日增重提高0·255 kg,料肉比下降0·24,每頭每日增加效益0·95元[19]。</p><

26、p>　　3.3 纖維素酶在紡織上的應(yīng)用</p><p>　　纖維素酶在染整上廣泛應(yīng)用, 特別在棉織物整理上, 經(jīng)過(guò)纖維素酶整理后, 棉織物的手感和外觀獲得很大的改善。由于織物表面的絨毛被除去, 處理后織物更光潔, 顏色更鮮艷。根據(jù)處理的目的不同, 可進(jìn)行生化拋光、柔軟滑爽、改善光澤以及石磨水洗等加工[20]。纖維素纖維織物用纖維素酶處理都伴隨著纖維的減量或失重, 并引起許多性能變化。減量處理主要是改善織物的

27、柔軟度、彈性和懸垂性。減量加工大多數(shù)采用液體染色機(jī)和水洗機(jī)。棉織物經(jīng)過(guò)纖維素酶整理后, 手感和外觀可以有很大的改善。因?yàn)榭椢锉砻娴慕q毛被去除, 處理后的織物更光潔、顏色更鮮艷?？椢锏挠餐Χ群蛣傂越档? 光滑度和懸垂性提高, 使織物獲得更好的手感。因此在保證處理效果的同時(shí), 避免織物強(qiáng)力過(guò)度損失就顯得非常重要[21]。</p><p>　　4. 纖維素酶實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題</p><p>

28、;　　纖維素酶作為畜禽飼料添加劑,從作用機(jī)理和實(shí)際生產(chǎn)中看,均能說(shuō)明是個(gè)良好的添加劑[22]。但目前在應(yīng)用方面還存在一些問(wèn)題。如:1同種類(lèi)動(dòng)物不同發(fā)育階段的酶系變化,以及飼喂纖維素復(fù)合酶后對(duì)動(dòng)物消化酶系分泌的影響,需深入研究。2各種動(dòng)物的最佳添加量。3加工、貯存對(duì)酶活的影響,以及飼料中的其他物質(zhì)對(duì)纖維素酶的影響,都需深入研究。此外,添加纖維素酶后由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率提高,如何對(duì)原有配方進(jìn)行修訂也是值得研究的問(wèn)題[23]。</p&g

29、t;<p>　　5. 纖維素酶的發(fā)展前景</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì), 1995 年, 世界工業(yè)酶的銷(xiāo)售量大于10 億美元; 預(yù)計(jì)到2005 年, 銷(xiāo)量將達(dá)到17~20 億美元, 而1999年實(shí)際達(dá)到16 億美元。工業(yè)酶總供應(yīng)量的60% 來(lái)自于歐洲, 其余40% 來(lái)自于美國(guó)和日本, 而且大約75% 的工業(yè)酶是水解酶, 其中糖苷水解酶居第二位。目前纖維素酶的應(yīng)用還主要集中在微生物纖維素酶的應(yīng)用上[2

30、4]?，F(xiàn)在纖維素酶已被廣泛地應(yīng)用于食品、釀酒、飼料加工、紡織、洗衣、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中。隨著人們對(duì)纖維素酶研究工作的深入, 纖維素酶必將在食品、飼料、環(huán)境保護(hù)、能源和資源開(kāi)發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。如何加大對(duì)纖維素酶研究和開(kāi)發(fā)的科技投入和經(jīng)費(fèi)投入, 改變目前規(guī)模小、工藝設(shè)備落后、菌種酶活低、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)技術(shù)水平低下的現(xiàn)狀,盡快采用各種行之有效的高新技術(shù), 發(fā)展具有中國(guó)自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新酶種、新產(chǎn)品、新劑型, 滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求是當(dāng)務(wù)

31、之急。同時(shí), 動(dòng)物纖維素酶與微生物酶系有所不同,作為一個(gè)新的纖維素酶體系, 它的研究也具有重大的理論價(jià)值, 因此, 可能成為纖維素酶研究的熱點(diǎn)[25]。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 頓寶慶,吳薇,王旭靜等.一株高纖維素酶活力纖維素分解菌的分離與鑒定[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2008,10(1):113-117.</p

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