微生物来源纤维素酶的工业应用进展

美合热阿依·木台力甫，凯迪日耶·玉苏普，王继莲

（喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 844006）

1 纤维素酶来源

纤维素是自然界最广泛存在的糖类物质。由于石化燃料资源的日益缺乏，挖掘一种新的再生生物能源已经成为一个热点话题[1]。纤维素酶是降解与糖化纤维素唯一高效催化酶，是一组催化水解木质纤维素从而生成单糖的酶系总称[2]。纤维素酶的来源较为广泛，Seilliere从蜗牛消化液中发现了纤维素酶至今也有百余年的历史。截至目前，在反刍动物瘤胃、肠道、植物和昆虫体内都有发现纤维素酶的报道[3-4]，包括微生物沉积物和滤食性动物、微巨噬藻食性动物、杂食动物、草食性落叶和木材食性动物的无脊椎动物中也有报道[4]。由于这些酶资源稀少、成本较高、提取工艺难等条件的约束很少用到工业应用上。微生物来源纤维素酶成本较低，而且提取工艺相对简单。因此，近期商业化纤维素酶基本由微生物所生产，再以利用基因工程的方法可提高纤维素酶的提取量。

1.1 环境微生物来源

目前，重点研究能产生纤维素降解酶的微生物包括真菌、细菌、放线菌。产纤维素酶的微生物种类繁多，产酶时有多种微生物相互作用，其中大部分难以培养，已分离到的有200多种。主要来源于堆肥、动物瘤胃、厌氧污泥和土壤的微生物菌群[5]。由于真菌和细菌可以产生能够广泛降解微晶纤维素的高活性胞外酶，而且部分真菌和细菌能同时产生能够降解微晶纤维素所需的全部3种纤维素酶[6]。维素酶系根据其性质和功能主要可以分为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶三大类，其酶系组分对纤维素结构的协同降解作用（见图1）[7-8]。细菌在降解木质纤维素方面应用潜力较大，具有繁殖周期短、结构简单、抗逆性强和耐酸碱等优点[8]。好氧菌中降解纤维素能力较好的有噬纤维菌（Cytophaga）[9]、假单胞菌（Pseudomonas）[10]、热酸菌（AcidThermus）[11]和芽孢杆菌（Bacillus）[12]，厌氧菌中降解纤维素能力较强的有梭菌（Clostridium）[13]、醋弧菌（Acetivibrio）[14]等。目前，已投入商品化的纤维素酶主要由木霉（Trichoderma spp.）和黑曲霉（Aspergillus niger）2个属的菌株发酵产生[15]。

纤维素被纤维素酶组分协同水解见图1。

图1 纤维素被纤维素酶组分协同水解

1.2 工程菌产纤维素酶

利用基因工程的方法对纤维素酶基因进行改造或者转化，从而可以达到改善微生物产生纤维素酶的条件，得到高产量纤维素酶的目的。Camila Abreu B Silva Rabelo等人[16]利用分子生物学的研究方法对副梭菌纤维素酶基因进行处理，使其蔗糖发酵过程剩余原料能更好地利用，从而生物转化中生产更多的氢气和有机酸。里氏木霉是纤维素酶商业化中的重要工程菌，其2个超纤维素降解突变体通过比较基因组学，敲出和融合其利于里氏木霉NG14生长的基因片段，能让里氏木霉快速上涨相比对照可提高其产酶率70%以上，秸秆木质素粗酶处理后葡萄糖产量增加11.9%[17]。

2 纤维素酶在工业上应用现状

2.1 食品工业上的应用

纤维素酶作为降解植物细胞壁中纤维素的主要催化剂，在果蔬加工、食品发酵、茶叶加工、粮油的生产及植物色素提取等方面有显著的应用价值。因为酒类酿造的主要原料为高粱、玉米等木质素含量较高的作物，在发酵过程中加入10～50μmol/min的纤维素酶，可提高酒精产量7.5%～23.8%[18～19]。桑葚浓缩汁的提取工艺中若加入2.6%的纤维素酶进行酶解，可提高汁液提取率至81%以上，汁液当中的维C和花青素含量也随之升高[20]。田艳等人[21]利用纤维素酶做辅助超声乙醇来提取火龙果色素，可以很好地提高色素的提取率，也可以缩短提取时间。朱秀清等人[22]的研究中纤维素酶结合其他蛋白酶，使冷榨大豆油的得率提高至70.6%，比没有复合酶处理出油率提高了2.1%。最新研究得出，在大叶种红茶发酵过程中加入一定比例的纤维素酶做辅酶可以显著提高大叶种红茶的品质，还能不同程度地提高茶叶中的氨基酸、茶黄素、茶多酚等成分[23]。纤维素酶在食品科技研究中多以复合酶形式利用，在食品工业上逐渐成为重要的工程酶。

2.2 饲料工业上的应用

纤维素酶作为可以有效无害的降解植物细胞壁及木质素的生物降解剂，在动物饲料的贮存、制备中广泛应用。添加纤维素酶或产纤维素酶的菌株制剂可以提高青贮饲料的营养价值，与乳酸菌混合添加还能延长储存时间，防止其变质，缩短青贮时间[24-25]。在最新报道中也有把纤维素酶和植物乳杆菌作为苋菜和稻草混合青贮发酵的添加使用，能显著抑制饲料的氧化腐败，提高营养物质，延长贮存时间[26]。青贮饲料、黄贮饲料的原料基本均为玉米、小麦秸秆材料，其主要成分是木质纤维素。秸秆传统方法进行青贮发酵，其保存时间，发酵品质都不会很理想，而且木质素本身在牲畜体内分解率不高，基本靠肠道和瘤胃中的能分解纤维素的微生物来分解，因此传统饲料在动物体内吸收率不是很理想。加入纤维素酶在发酵过程中可分解木质素，给其他可降低pH值的微生物提供单糖，增加适口性及饲料的肠道吸收率[27]。

2.3 医药领域的应用

纤维素酶可降解植物细胞壁，这固然在中药活性成分的提取中起重要作用。中药是中华民族的珍贵文化遗产，也是世界公认的药物类型。但是，不管是珍贵中医药材的有效成分提取还是中药的产量化过程中所用的化学物理方法相对来说成本较高，而且也有可能会破坏其药效。酶解法来提取中药中的活性成分不仅安全，而且也能提高其活性成分的提取率[28]。此外，纤维素酶还能抑制某些致病菌，如移植手术中常见的铜绿假单胞菌等致病菌生物膜的形成，可有效防止医用植入后的感染[29]。最新报道还提到，若将纤维素酶制剂与用于靶向治疗的慢性缓释药物包埋层聚合物羟丙基甲基纤维素（HPMC）联合用，能有效控制药物释放量，并能够缩短释放延迟期[30]。

2.4 能源环境工程上的应用

化石燃料的短缺及目前燃料造成的环境问题越来越严重，寻找新型再生能源、环保型能源燃料已迫在眉睫。张名佳[17]利用基因工程方法改造的副梭菌纤维素酶使蔗糖发酵生物转化中生产更多的氢气和有机酸，既可以更好地处理蔗糖发酵后的残余原料纤维素，又能提高新能源的产生。异源表达的β-葡萄糖苷酶可以显著提高热纤梭菌利用菇渣的产氢量，添加10 U/g底物的β-葡萄糖苷酶时氢气产量提高37.1%[31-32]。类似于这种利用生物发酵的方法将废弃物变为再生能源的研究接连报道，如利用产纤维素酶的菌株来发酵木薯渣产氢，嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇产生中的重要作用等[33-34]。

纤维素酶在微生物降解、再生能源中具有重要作用，而用可再生氢和生物乙醇替代化石能源改善总体环境影响[35]。

3 结语

作为农业大国，纤维素在我国的产量较大，但利用率并不理想。产生的秸秆、纤维素废渣大多进行燃烧处理。这样不仅不能更好地利用，反而还会造成环境污染。纤维素酶作为生物催化剂，可将这一难题很好地解决，将木质纤维素降解为宝。若能很好地利用微生物发酵产酶等方法促进其生产，在食品、农业、医药及再生能源等方面的应用价值会很高。