纤维素降解菌研究进展

佟硕秋，王 嫱，林宗梅，陶 怡，吴拥军

(贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

目前，全球性的食品能源危机威胁着人类的发展，纤维素作为理想的未被利用的可再生生物资源，吸引了众多科研人员对纤维素降解进行研究[1]。我国作为一个传统农业大国，农作物秸秆每年的存量在10亿t左右，因纤维素作为植物细胞壁的主要组成成分，结构复杂，不易降解，因此利用率极低[2]。纤维素原料转化生产方式主要有物理法、化学法和生物学方法。物理法和化学法由于生产工艺复杂，成本较高且有一定的环境污染，在实际应用中有所限制。自然界中存在众多高产纤维素酶的真菌与细菌，因此使用生物法降解纤维素是当前利用纤维素资源的研究热点。

1 纤维素的结构及性质

纤维素是一种由葡萄糖组成的天然多聚糖，在自然界中分布最广泛，不溶于H2O及常见的酸碱，常温下较稳定。特定条件下，可与H2O反应，氧桥断裂并结合水分子，变成葡萄糖。棉花是最纯纤维素来源，纤维素含量在95%以上。纤维素作为植物细胞壁的主要结构之一，与果胶和木质素的结合方式，对植物源食品的品质有较大影响。

图1 纤维素结构

纤维素的分子式为 (C6H10O5)n，其结构主要由微晶体与非晶区组成(图1)，不同植物结晶的程度不同，如苎麻的结晶度在70%左右，粘胶纤维低于40%。纤维素中的氢键排列有序，呈带状结构，有较强刚性。晶体结构程度越高，越难被微生物降解。非晶体区结构相对松散，易被微生物降解。

2 纤维素酶种类及作用机制

纤维素酶是一类存在于微生物及动物体内的，能将纤维素降解为单糖或寡糖的复杂蛋白质。目前，用于生产的主要取自真菌和细菌。葛青[4]等诱导出一株高产纤维素酶木酶，酶活达4.57 U/mL。王琪[5]筛选出一株黑曲霉 Aspergillusniger- 6MA1，发酵条件优化后酶活可升至47.8 U/mL。

根据作用方式的不同，纤维素酶主要有内切葡萄糖苷酶(C1酶)、外切葡萄糖苷酶(Cx 酶)与 β-葡糖苷酶3类。C1酶首先作用于纤维素链的结晶结构，融解纤维素衍生物或者膨胀部分降解的纤维素，Cx 酶继续分解 β-1,4-糖苷键，每次酶切下一个纤维二糖单位，β-葡糖苷酶最终将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖，但该酶的专一性较差[6]。

3 纤维素降解菌

纤维素降解菌主要有真菌、细菌、放线菌。目前，已分离筛选出大量纤维素降解菌，但能应用到工业降解纤维素的极少[7]。高产纤维素降解酶的真菌多为耐酸菌，在酸性条件下分泌的纤维素酶较多，且为胞外酶，容易从培养液中分离纯化酶液，但在碱性条件、缺氧条件及高温条件下，酶活力下降明显甚至失去活性。目前，用于工业化生产的纤维素降解真菌主要有白腐真菌、担子菌、里氏木霉等。其中，因里氏木霉能同时分泌3种不同纤维素酶且活力较高，所以对该真菌的研究最多，分泌纤维素降解酶机制了解最为完整。

相较真菌不耐碱的缺陷，研究人员发现在低氧条件、中性条件及碱性条件下，部分乳酸杆菌与芽孢杆菌等能正常分泌高活性纤维素酶[8]。何颂捷[9]等从白酒酒糟中分离出的贝莱斯芽孢杆菌与解淀粉芽孢杆菌，其分泌的高活性纤维素酶具有较高降解酒糟纤维素的能力。目前，已发现多种厌氧细菌、耐碱细菌能产生纤维素酶，这两者在生物降解时纤维素酶系统的降解机制与好氧真菌存在差异。在不同温度、含氧量及 pH 等情

况下，微生物分泌纤维素酶的能力不同，证实了自然环境中纤维素酶的广泛可得性。

真菌分泌的纤维素酶一般为胞外酶，易于纯化收集，产酶量大且酶系相较细菌更为全面，但对环境依赖性强，适应性较差，只适合酸性条件下的工业应用。细菌分泌的纤维素酶一般为胞内酶，较少产胞外酶，提纯费用高，但在中性和碱性纤维素酶的工业生产，应用较多，因此商用价值较高[10]。

因工业生产对特殊条件的要求，产纤维素酶的微生物要能在极端条件(强酸、强碱、高温等)下正常繁殖。张扬[11]从南极菲尔德斯半岛分离出4株产木质纤维素酶细菌，鉴定为节杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属。党佳佳[12]等利用刚果红水解圈初筛，盐度梯度驯化，从辽河河口区芦苇湿地分离出一株高产酶的耐盐纤维素降解菌LHK-T3，鉴定属于贪噬菌属。

4 酶活测定及应用现状

目前酶活测定方法有单酶活和总酶活测定2种。测定纤维素降解酶的酶活最常用的方法是 DNS(3,5-二硝基水杨酸)测定法，是以纤维素酶水解纤维素产生的还原糖量作为酶活标准，DNS来进行测定。DNS 法易受多种因素(反应条件、滤纸裁剪、试剂存放的时间)影响，测定微量结果时不精确。总纤维素酶的酶活测定常用滤纸片降解法，但受滤纸片材质影响，不同厂家生产的滤纸片的结晶度与淀粉含量不同，单位时间降解所生成的单糖量存在差异。C1酶活测定可用羧甲基纤维素钠糖化法，但不同生产来源的 CMC-Na 测定同一样品时，酶活结果也有较小差异。Cx 酶活测定采用对硝基酚纤维二糖和微晶纤维素，测定方法复杂，成本高。β-葡萄糖苷酶的活力测定主要有分光光度法及荧光法，一般选用纤维二糖作为底物[13]。测定高活性纤维素酶的酶活一般用滤纸片崩解法，通过测定纤维素酶酶解滤纸产物中葡萄糖的含量，计算酶活。消解滤纸片的速度越快，证明酶活力越高[14]。

微生物产生的纤维素酶将纤维素降解成还原糖，还原糖可作为生产乙醇、丙酮的原料，纯化后甚至能作为食物、药物等。随着研究工作者分离出越来越多的可用于工业生产的高产纤维素酶微生物，其应用范围也越来越广，涉及纺织业、饲料加工业、造纸工业、洗涤剂工业及能源工业等。在饲料工业上，纤维素酶按一定比例添加到动物饲料中，可在牲畜食用前对饲料中纤维素先行部分降解，能促进牲畜的消化与吸收，同时增加其体内的纤维素酶含量。纺织工业方面，纤维素酶可降解衣物表面细小纤维，使其表面光滑。洗涤工业方面，在洗涤剂中加入高活性纤维素酶，可增加洗涤剂的活性和稳定性，提高去污能力[15]。

5 纤维素降解菌的未来趋势

纤维素作为可再生、储量大，但利用不充分的潜在资源，必定是未来研究开发的重点。自然界中存在大量高产纤维素酶微生物，生物降解纤维素又具有环保、高效、经济等特点，因此分离筛选野生纤维素酶高产菌，并对其降解机制研究一定是重中之重。同时通过分子手段构建高产纤维素酶工程菌也会作为未来研发的一大趋势。