果胶酶生产及工业应用进展

李力群， 孙志康， 郝捷， 季嫱， 李选文， 吴晗， 吴娜， 郑超， 杨婧

内蒙古昆明卷烟有限责任公司，呼和浩特 010020

在自然界中，微生物代谢类型多样，几乎所有的有机物均能被微生物降解与转化，因此可以利用微生物生产一系列酶，应用于基础研究和工业化生产。果胶酶是指一类能协同分解果胶类物质的复合酶系，其最早是从橘子皮中被提取出来的，也是最早被开发且应用广泛的商品酶，主要包括原果胶酶、果胶脂酶、果胶解聚酶和果胶裂解酶4大类［1］。果胶酶是世界四大酶制剂之一，工业应用价值极高，其在食品发酵工业、纺织工业麻类脱胶、造纸工业生物制浆、烟草工业、动物饲料以及环境保护等领域均有广泛应用［2］。目前果胶酶来源途径较多，包括动物、植物、微生物等，其中微生物因具有果胶酶产量和效率高、产酶种类多等特点而被广泛应用于生产中，且曲霉、青霉、毛霉、根霉属为代表的真菌产出的酶活力较高［3］。本文重点概述了果胶酶的来源、产果胶酶菌株选育、发酵工艺和应用，以期为果胶酶的工业生产和应用提供理论参考。

1 果胶酶来源

果胶酶可来源于细菌、真菌（霉菌和酵母）、昆虫等（表1），其中微生物因其广泛的生物多样性、较快的生长速度和较短的生产周期成为果胶酶生物催化剂的最佳来源［17］。商业化果胶酶最广泛的来源是丝状真菌，特别是黑曲霉，其拥有一个完整的果胶酶编码基因家族，并可表达几种不同的果胶酶同工酶［18］。截至目前，已有30多个不同种属的细菌和真菌被确定可用于生产工业相关的果胶酶，且通常酸性果胶酶主要由真菌产生，而碱性果胶酶主要由细菌产生［19］。分析总结果胶酶的来源可更好地为果胶酶工业生产提供理论指导，提高果胶酶的工业生产效率。

表1 果胶酶主要微生物来源Table 1 Main microbial sources of pectinase

1.1 细菌果胶酶

细菌是工业果胶酶的有效生产者，其中芽孢杆菌属和欧文氏菌属因具有发酵产酶操作简单、环保等特点，已成为生产果胶酶效果最好的菌属，因此它们在微生物发酵产果胶酶中应用非常广泛。Zhou等［20］从我国的碱湖中分离得到了1株产碱性果胶裂解酶的嗜碱克劳氏芽孢杆菌，这种碱性果胶酶对苎麻具有较高的脱胶效率，且在温度70℃和pH10.5条件下表现出最高的产率和活性。Ahlawat等［21］使用枯草芽孢杆菌生产果胶酶，所产酶展现出广泛的pH适应性和热稳定性，在pH9.5和温度70℃的条件下对纸浆的处理效果达到最佳，纸张的白度和亮度分别增加了4.3%和14.8%。以上研究表明，大多数工业过程是在极端温度和pH环境中进行的，因此，充分利用这些产果胶酶细菌的温度和pH广适性进行果胶酶生产，是未来重点的研究方向。

1.2 霉菌果胶酶

霉菌作为一种安全而又有效的果胶酶生产资源，常用于工业生产中，能够带来良好的经济效益。塔宾曲霉（Aspergillus tubingensis）作为一种从曲霉菌属中突变而来的果胶酶生产菌株，可在较短的发酵时间内具有很高的产酶活性［7］。霉菌中的许多极端微生物也在各个工业中得到了广泛的应用，如一种嗜热侧孢霉产生的耐热聚半乳糖醛酸酶在55℃下具有最高活性，且在65℃下维持4 h还能保留50%的活性，因此适用于果汁加工过程中果浆的处理［22］。Khatri等［23］分离出 1株能够产生碱性果胶酶的黑曲霉菌株，其最适pH为8.5，在植物纤维脱胶、废水处理等过程中得到了广泛应用。以上研究表明，用于工业生产的产果胶酶霉菌菌株不仅需要良好的耐热性，还需要广泛的pH适应性。

1.3 酵母果胶酶

果胶酶的许多有效生产者也来源于酵母，如酿酒酵母等，它们广泛应用于水果加工和香蕉纤维提取等工业。Oskay等［24］分离的马克斯克鲁维酵母在以农业废弃物为底物的深层发酵条件下，耐热果胶酶产量明显增加，在乙醇产生的过程中起着重要作用，常被应用于葡萄酒酿造。从柑橘果皮中分离出来的异常威克汉姆酵母也可用于生产果胶酶，并在食品工业的果汁生产中有广泛的应用［15］。以上研究表明，在食品加工过程，尤其是果汁榨取与葡萄酒酿造过程中，充分利用产果胶酶酵母菌株可以解决果汁混浊、葡萄酒产率低等问题，并可减少食品添加剂的使用量，值得在食品工业中大力推广。

1.4 昆虫果胶酶

昆虫中的果胶酶最早发现于桃蚜的唾液中，它的作用是分解植物细胞间的果胶中间层以帮助口针的穿刺［25］，此外，Adams等［26］在一些叶蝉和球蚜科昆虫中发现含有果胶酶。Habrylo等［27］从鞘翅目昆虫的基因组中获得了两个昆虫果胶酶基因——Sl-PME和Sl-EPG，并在毕赤酵母中过表达后，发现它们能够高效地产果胶酶。以上研究表明，一些昆虫中存在果胶酶的原因是其能够对细胞壁进行降解，解体寄主植物细胞间的紧密连接，使口针的推进变得更加容易，从而帮助昆虫取食植物韧皮部筛管汁液，这一发现也使得昆虫果胶酶在果胶酶生产中成为新的来源。

2 产果胶酶菌株选育

目前，果胶酶生产一般是通过微生物的发酵获得商品化的果胶酶，但是大部分天然菌株存在产率和酶活力普遍偏低的问题。为了满足工业化生产的需求，充分利用微生物对基因操纵较强的敏感性，通过物理、化学和基因工程等手段对产果胶酶菌株进行选育以获得果胶酶大量表达的组成型菌株，已经成为目前产果胶酶菌株育种工作中的研究热点。

2.1 物理和化学诱变

自然菌株所产的果胶酶活力较低，因此为获得满足工业生产的高效果胶酶菌株，需对自然菌株进行诱变，目前主要通过物理和化学等方法对目标菌株的基因组进行修改，产生突变型，从而筛选到正向突变菌株以满足工业生产需要。常用的物理诱变方法有紫外线、放射性射线、快中子轰击等，如对黑曲霉菌株使用紫外线照射可使主要调控果胶酶产生的基因突变，用于果胶酶的组成型生产［17］。常用的化学诱变试剂有甲基硫酸乙酯、硫酸二乙酯、亚硝酸、亚硝基胍等。Yin等［28］使用紫外线照射和硫酸二乙酯对尖孢镰刀菌进行突变后发现，果胶酶产率比野生型菌株提高了73.6%，且遗传稳定性可达到10代。Huang等［7］从葡萄园土壤中分离了1株产果胶酶的塔宾曲霉菌株Rn14-88A，经紫外线和亚硝基胍单独处理后，果胶酶活性分别提高了9.99%和6.36%，且当同时使用紫外线和亚硝基胍对出发菌株诱变后，果胶酶活性提高了161.44%。

物理和化学方法对自然菌株进行诱变，均可产生很好的诱变效果，因此在今后的产果胶酶菌株选育过程中，可考虑同时运用物理和化学方法对产果胶酶菌株进行诱变。

2.2 基因工程改造

许多基因重组的转基因微生物菌株为果胶酶的规模化工业生产提供了新的方法。Teixeira等［29］将特异的果胶酶基因克隆到pAN52pgg2载体上，对灰青霉菌株进行转化后发现，果胶裂解酶和聚半乳糖醛酸酶产率分别增加了266倍和27倍，通过在转录水平上对嗜冷的放线菌菌株进行基因改造，获得了在15℃下仍具有活性的重组聚半乳糖醛酸酶，可用于工业澄清过程。CRISPR/Cas9基因编辑工具作为新兴的分子生物学手段也逐渐应用于果胶酶的研究中。Ge等［30］使用NLSH2BCas9核酸酶对引起火龙果腐烂的木贼镰刀菌基因组中的果胶酶基因进行敲除后，菌落生长速率和产孢率均明显下降，且火龙果腐败的病变直径和果皮损伤率也有所降低。在黑曲霉中，GaaR基因是果胶裂解酶的转录激活子，Alazi等［31］通过使用CRISPR/Cas9碱基替换的方法对GaaR基因进行了定点编辑，将第361位的色氨酸转变为精氨酸，导致了GaaR基因的组成型表达，从而使黑曲霉不再依赖于诱导剂即可生产出果胶裂解酶。

以上研究表明，对微生物基因组进行改造的方法大致可以总结为两类：一类是将外源基因整合到微生物原有的基因组上；另一类是对微生物原有基因通过碱基敲除、替换和插入等手段干扰基因的表达。基因工程手段改造微生物产果胶酶菌株具有高效、准确等优点，值得进一步深入研究。

3 果胶酶发酵工艺研究现状

发酵产果胶酶的原理是将果胶类物质添加到微生物培养基中，通过对微生物产生诱导作用，使其成功合成果胶酶。果胶酶的生产除了要有优良的菌种以外，还需要有成熟的发酵方法和适宜的发酵基质。目前已有多种从各种微生物中成功生产果胶酶的方法，如液体深层发酵、固态发酵和固定化细胞发酵等。另外，相关实验已经验证了一些发酵基质在果胶酶生产中的适用性。通过概括果胶酶发酵工艺研究现状，可以为果胶酶工业生产的发酵条件优化提供新的思路。

3.1 果胶酶发酵方法

3.1.1 液体深层发酵 液体深层发酵是指在液体发酵过程中从发酵罐底部通入无菌空气，并通过搅拌作用提高空气与发酵液的接触面积，从而提高发酵效率和产量的方法，是一种自动化、连续化、产物纯度高的生产工艺，但其最终生产出来的果胶酶活力却偏低，按照操作方式，可分为分批发酵法、补料分批发酵法及连续发酵法等。液体深层发酵中果胶酶的产生是通过在培养基中添加不同的富含果胶物质的碳源和氮源诱导的，如多聚半乳糖醛酸钠、苎麻纤维、桔皮、麦麸、稻壳等［32-34］。Madu 等［35］从木薯废渣中分离出来了一种高效产果胶酶的地衣芽孢杆菌，其以甘蔗渣为碳源，酵母浸粉和酪蛋白为氮源，在40℃下液体深层发酵36 h，果胶酶产量达到最高。Beg等［36］发现氨基酸及其类似物，如DL-正亮氨酸、L-亮氨酸、DL-异亮氨酸、L-赖氨酸盐或DL-B-苯丙氨酸等添加到液体发酵培养基中可以诱导链霉菌QG-11-3产生产量比普通培养基高2.78倍的果胶酶，而DL-正亮氨酸、L-亮氨酸、DL-异亮氨酸协同诱导果胶酶产量最高可以达到普通培养基的5.62倍。由此可见，在液体深层发酵过程中，果胶酶诱导剂的使用尤为重要，今后液体深层发酵的优化过程中，在发酵基质中筛选高效的诱导剂是重要的研究方向。

3.1.2 固态发酵 固态发酵是指微生物在基本没有游离水的固态基质上进行发酵的方式，与液体深层发酵相比，固态发酵的优点有：发酵过程无需严格控制无菌条件；回收纯化过程及废弃物处理操作更容易；培养基质简单廉价，农产品加工过程中的残留物，如麦麸、米糠、甘蔗渣、玉米芯和苹果渣，可以作为固体发酵的最佳基质［37］；水分活度低，基质水不溶性高，微生物易生长，酶系丰富且酶活力高等。曲霉属真菌作为主要的产果胶酶菌株，通过固态发酵生产果胶酶已经被广泛应用于工业生产中［38-39］，另外，一些细菌如芽孢杆菌也可以通过固态发酵生产果胶酶，Kapoor等［34］使用芽孢杆菌属MG-cp-2菌株在固态发酵中以廉价的农产品残渣（苎麻纤维和麦麸等）作为主要固态发酵基质，获得了高产的碱性聚半乳糖醛酸酶。

对工业生产上主要采用的液体深层发酵和固态发酵相关特性的比较详见表2，结果发现，在固态发酵中利用细菌生产果胶酶的难度较大，综合成产成本、能耗要求、生产效率等因素考虑，推测固态发酵技术由于发酵过程产生更少的机械剪切力，可能更适用于丝状真菌的发酵。

表2 液体深层发酵和固态发酵的相关特征比较[2,17,40-42]Table 2 Comparison of relevant characteristics between submerged fermentation and solid state fermentation[2,17,40-42]

3.1.3 固定化细胞发酵 固定化细胞发酵结合了固态发酵菌体密度高和液态发酵可控性强的优点，用物理或化学的方法将微生物细胞固载于一定的空间区域内，将整个固定化体系放置于液体环境中进行发酵，并实现细胞的回收再利用［43］。根据细胞表面特性及固定化原理的不同，常用的固定化方法有吸附法、包埋法、共价法和交联法等［44］。Kapoor等［34］使用聚氨酯泡沫颗粒作为惰性载体材料研究了芽孢杆菌属MG-cp-2菌株的固定化细胞发酵，在较短的发酵时间内，使用聚氨酯泡沫颗粒作为固定载体进行固定化细胞发酵，与液体深层发酵相比，聚半乳糖醛酸酶的产量提高了1.5倍。Ejaz等［45］通过优化各种发酵工艺参数，将白地霉AA15菌株固定于玉米芯基质上，在第3个发酵循环过程中仍保留了第1轮发酵的70%果胶酶产量。

在实际应用中，固定化细胞发酵技术具有保护细胞免受损伤、实现细胞重复利用的优势，因此被广泛应用于微生物废水处理、海洋油污处理、生物柴油制取和微生物工业发酵等领域。但在目前的果胶酶生产中，固定化细胞发酵技术的工业化应用仍较少，主要原因为生产成本高和操作流程复杂。因此今后果胶酶固定化细胞发酵生产研究中，应着重优化工艺流程，降低生产成本。

3.2 常见的果胶酶发酵基质

3.2.1 麦麸 麦麸是在小麦碾磨过程中获得的，占总粒重的14%～19%，由于其营养特性，它们在果胶酶固态发酵过程中可作为有效的发酵基质［46］。Blandino等［47］将泡盛曲霉接种到以麦麸为主要碳源的培养基中，通过液体深层发酵获得了聚半乳糖醛酸酶，经过对发酵培养基的优化，发现用含水率为60%的麦麸生产出的聚半乳糖醛酸酶产量可以达到7.7±2.4 U·g-1。Jahan等［48］利用包含麦麸、橘子皮等农业废弃物作为果胶酶发酵的混合培养基质，在优化的固态发酵条件下可以得到较高产量的果胶酶（1 118 U·mg-1）。

3.2.2 水果中的果胶 在果胶酶发酵过程中用作发酵基质的各种农业废弃物中，果皮因富含大量的果胶，是保证果胶酶产量的最佳碳源，其中苹果皮、葡萄皮、芒果皮和橘子皮等食品加工废弃物在果胶酶发酵工艺研究中起着至关重要的作用。Kuvvet等［49］用响应面法优化条件，以苹果皮为唯一碳源，对枯草芽孢杆菌和短小芽孢杆菌进行共培养，使果胶酶的产量提高了约11.25 IU·mL-1。Adeleke等［11］优化了黄曲霉菌株以橘子皮为主要碳源的发酵条件，在pH 5.5、温度40℃、0.25%硫酸铵的最佳固态发酵条件下，得到了最高果胶酶产量（12.12 U·mL-1）。Arévalo-villena等［14］以葡萄皮为主要碳源，研究了啤酒酵母菌株CECT 11783的最佳液体深层发酵条件——在葡萄皮21 g·L-1、蛋白胨 15 g·L-1、温度 28 ℃、搅拌速度150 r·min-1的发酵条件下，得到最大果胶酶产量（52.68 U·g-1）。

3.2.3 烟草废水 在烟草工业中，会排放大量的含有果胶的烟草废水，一般情况下生产1 t卷烟至少会产生60 t烟草废水［50］。烟草废水中存在的蛋白质、可溶性果胶和糖可以作为果胶酶生产的低成本诱导剂［51］。一些产果胶酶的丝状真菌，如米曲霉和米根霉，能够在降解尼古丁的同时利用烟草废水中的可溶性果胶产生果胶酶。Zheng等［52］使用固定化的米根霉从烟草废水中生产出了高活性的聚半乳糖醛酸酶，与传统的摇瓶生产相比，固定化细胞发酵生产的酶活性提高了2.8倍，生产时间缩短至24 h，此外，固定化的米根霉能够在放大的生物反应器中通过重复分批发酵，连续7个循环生产高活性酶。

3.2.4 椰子壳 椰子壳约占椰子总重量的50%，含有脂肪、碳水化合物、纤维和蛋白质等物质，因此可作为果胶酶生产的优质发酵基质。Uzuner等［53］以椰子壳水解液为碳源，用枯草芽孢杆菌菌株生产果胶酶，与采用酵母提取物作为碳源的对照组相比，聚半乳糖醛酸酶活性提高了2.7倍。

以上研究表明，不仅发酵方式影响果胶酶的生产，发酵基质的选择对果胶酶的生产也起着至关重要的作用。今后的生产操作过程中，在优化果胶酶发酵工艺的同时，也应选择合适的发酵基质，才能获得最佳的果胶酶产量。

4 果胶酶的工业应用

果胶酶是生物技术领域商业化最成功的酶之一，在全球工业酶市场约占25%的份额，处于领先地位［17］。近几十年来，果胶酶已被广泛用于一些传统的工业过程，如植物纤维加工、咖啡与茶发酵、油脂提取以及处理含有果胶物质的工业废水。随着对果胶酶催化机理及果胶降解微生物的进一步了解，果胶酶已经被应用于一些其他新兴领域中，如诱导植物抗病的绿色食品生产等。下文主要从食品工业、纺织工业、造纸工业、烟草工业、环境保护和其他工业几个方面概括介绍了果胶酶的一些传统和新兴的工业应用。

4.1 食品工业

4.1.1 果汁与葡萄酒 果胶酶有助于从水果中榨取、澄清果汁以及在葡萄酒酿造过程中改善酒的品质［54］。果胶酶不仅可以通过水解水果细胞壁中的可溶性果胶来提高压榨出汁率，还可以水解果汁中的果胶状物质以降低果汁的黏度，因此，在果汁加工领域有非常广泛的应用［55］。另外，果胶酶还可以通过水解果胶使果汁中的悬浮物凝聚沉淀，达到澄清果汁的效果［56］。Arévalo-villena等［14］在葡萄酒酿造过程中发现由酿酒酵母CECT 11783菌株直接利用葡萄皮作为碳源产生的果胶酶可以提高葡萄酒的产率，并且可使葡萄果浆中的多酚类物质溶出，增加果香物质，进而改善葡萄酒的品质。

4.1.2 油脂提取 菜籽油、花生油、葵花籽油、棕榈油和橄榄油等是通过物理压榨得到的，由果胶酶配制的植物细胞壁降解酶制剂已经用于橄榄油的提取，其主要添加在橄榄的压榨过程中，以便更容易地分离出橄榄油［57］。一些在植物中提取的香精油，如柑橘精油可以通过使用果胶酶破坏柑橘皮中果胶的乳化特性，从而提高产率［58］。

4.1.3 咖啡与茶的发酵 果胶酶在咖啡与茶的发酵中起着重要作用。在咖啡发酵过程中利用果胶酶不仅可以去除果胶质含量较多的果肉状表层，还可以将咖啡豆的黏性表皮有效去除；在速溶茶粉的制作过程中通过利用果胶酶破坏茶叶中的果胶物质来防止在冲泡过程中起泡［59］，并且用于茶叶发酵的果胶酶可使茶黄素和茶红素等营养物质含量增多。

4.1.4 诱导植物抗病的绿色食品生产 果胶酶可以作为一种参与诱导植物自身防御系统的辅助手段来控制农业中的植物病原体。植物细胞壁的聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白与病原性真菌产生的内切果胶酶结合，控制内切果胶酶的活性，降低其对寄主组织的破坏性，从而防止果蔬农产品的腐败［1］。从克劳式芽孢杆菌中提取的果胶裂解酶在黄瓜幼苗中已被证实能够激发植物的抗病能力，从而作为微生物防治剂，减少农药在农业中的用量［60］，因此果胶酶有望被开发为一类无公害的微生物防治农药。

4.2 纺织工业

4.2.1 棉纤维的生物精炼 棉纤维的生物精炼在织物漂白、染色等工序之前，是指去除非纤维素的有害杂质，提高织物湿润性的加工过程［61］。与传统的碱法精炼相比，酶法精炼的生物需氧量和化学需氧量均较低，污水排放更少，因此更加环保［62］。在棉纺加工中应用枯草芽孢杆菌果胶酶进行生物精炼可以带来良好的经济效益［63］，短小芽孢杆菌BK2发酵出的果胶裂解酶应用于棉纤维生物精炼中，在不破坏纤维素的情况下，达到了100%的精炼效率，织物的手感也更加柔软［64］。与传统精炼技术相比，果胶酶精练技术不仅可以满足生产需求，而且成本更低，应在今后的加工过程中大力推广。

4.2.2 植物韧皮纤维脱胶 韧皮纤维是在植物韧皮部生长出的纤维，如苎麻、亚麻和黄麻等，这种纤维除了含有纤维素外还含有大量果胶质，在纺织之前去除这些果胶质的过程称为脱胶，俗称沤麻［65］。传统的化学脱胶处理对环境污染大，能耗高，并且会破坏植物纤维，造成织物品质下降。利用果胶酶生物脱胶不仅可以有效去除纤维上附着的果胶类物质，还不损伤麻类纤维［66］。来源于嗜碱芽孢杆菌的果胶裂解酶可以用于麻类纤维的脱胶，与化学法相比，用此酶脱胶产生的麻浆质量更好，产量更高［3］。与纤维素酶等其他酶制剂相比，使用碱性果胶酶对亚麻进行酶法沤麻后，可获得无结构损伤且韧性更好的亚麻纤维［67］。

4.3 造纸工业

随着生物酶切技术的发展，造纸工业越来越依赖于微生物及其酶的应用以达到降低成本、保护环境的目的。在制浆过程中，溶解性的胶体物质会从原料中释放出来，这些胶体物质主要是溶解性的果胶或聚半乳糖醛酸（阴离子多糖），在造纸过程中严重影响过滤，需要添加大量的阳离子聚合物来消除其危害［1］。在造纸过程中，果胶酶可以被用来降解果胶和聚半乳糖醛酸，从而降低阳离子聚合物的消耗量，提高纸浆的质量［68］。Hiteshi等［69］将壳聚糖微珠固定化细胞发酵生产的聚半乳糖醛酸酶应用于纸浆聚半乳糖醛酸的降解中，大大降低了聚半乳糖醛酸的浓度。热磨机械纸浆通常是使用过氧化物进行漂白的，但这种方法会产生有毒的碱性废水。Beg等［36］研究发现，采用从链霉菌QG-11-3中提取的碱性果胶酶对桉木硫酸盐浆进行漂白可以得到优于过氧化物的漂白效果，产生的工业废水更少，并且用此方法处理最终得到的纸张具有更好的不透明度和印刷适性。

4.4 烟草工业

对于烟草制品来说，果胶类物质是一种不利于品吸评价的化学成分。果胶质在燃吸过程中可产生甲醇、甲醛、甲酸等成分，不仅会增强烟气刺激性，而且不利于吸烟的安全性。由于烟草中所含的果胶质是吸湿性物质，不仅影响烟叶的燃烧性，而且较高的果胶质含量还会导致卷烟焦油量升高［70-71］。因此，如果能使烟草中的部分果胶质酶分解成一系列较小分子量的碳水化合物，则可以有效改善烟草制品的吸味品质。邓国宾等［72］利用从优质烟叶中分离的产果胶酶黄曲霉DPE-005菌株发酵产生的酶液来降解上部烤烟中的果胶质，以提高上部烟叶的品质和使用价值。阎克玉等［71］向烟叶中施加一定量的纤维素酶和果胶酶复合酶制剂进行处理，结果发现，5%～10%的细胞壁物质降解为水溶性糖，烟气刺激性和枯焦性减轻，烟叶质量明显提升。烟梗除了细胞壁成分更多外，其他化合物种类基本与烟叶一致。Zhang等［73］成功地从雪茄茄衣中分离出1株特基拉芽孢杆菌CAS-MEI-2-33，其可利用烟梗做底物生产果胶酶，不仅有助于解决烟梗的浪费，提高利用率，而且还增加了果胶酶的来源。

4.5 环境保护

含有果胶的工业废水处理分为多个步骤，但存在处理成本高、时间长以及使用化学药品造成环境污染等诸多问题，而使用来自细菌中的果胶酶可以选择性地去除废水中的果胶，是一种经济环保的处理方法。用碱性果胶酶和嗜碱果胶分解微生物预处理蔬菜食品加工行业的果胶废水，有助于去除果胶物质，并使其适合通过活性污泥处理进行分解［74］。一种从土壤分离出的嗜碱芽孢杆菌GIR 621生产出的胞外果胶裂解酶（在pH为10.0时活性最强）可有效去除工业废水中的果胶物质，减少了化学药品的使用，降低了废水处理的成本，并且更加环保［75］。

4.6 其他工业

4.6.1 饲料添加剂 20世纪80年代初，人们开始深入研究各种酶在动物和家禽饲料中的应用。通常在饲料中添加的酶制剂是含有葡聚糖酶、木聚糖酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶和淀粉酶的多酶混合物。通过添加酶制剂水解饲料中的粗纤维与植物果胶，降低粘度，释放被纤维与果胶包裹的营养物质，增加家畜对营养物质的吸收，并减少粪便量［61］。通过对家禽进行的研究表明，饲料生物酶添加剂能够显著改善应激条件下的免疫炎症反应，从而降低家禽的死亡率，提高家禽的体质量、饲料转化率和骨强度。Petersen等［76］研究了含有果胶酶、β-葡聚糖酶和多种半纤维素酶的酶制剂，测试了其改善由高粱、大豆和油菜籽组成的植物蛋白饲料在家禽体内消化率的功效，结果发现添加生物酶显著提高了家禽体质量和饲料转化率。

4.6.2 洗涤剂 在洗涤领域中，如果底物被食品污垢所污染，要想将这些食品污垢彻底去除，具有一定的难度。果胶污渍和淀粉污渍类似，也是亲水污垢，依靠水洗能够去除大部分的污渍，但仍然会留下一些痕迹，加入果胶酶能够显著改善去渍效果，其改善效果与果胶酶的浓度相关，浓度越高，效果越明显［77］。此外水果与蔬菜汁形成的干涸污渍，去除难度非常大，研究表明将碱性果胶酶添加到洗涤剂中，可以有效增强洗涤剂的去污能力，将食品污垢从底物上彻底去除［78］。

5 展望

自然界中的一些极端微生物由于具有广泛的温度和pH适应性，可作为果胶酶的特殊来源，且工业应用类别较广泛。在果胶酶大规模工业生产中，由于液体深层发酵过程中产生的机械剪切力会对真菌在发酵基质中的生长产生不良影响，并综合考虑生产成本等因素，认为固态发酵更适合真菌发酵产果胶酶的生产。目前，与许多其他工业酶一样，果胶酶也面临着酶活性、稳定性、野生菌株产量、工业生产率等均较低的问题，即使当前许多研究已表明物理化学诱变和基因工程改造技术可以改善这些问题，但是这些方法也存在以下缺点：物理化学对菌株的诱变是不定向的，后期对目的菌株的筛选难度较大；而通过基因工程改造菌株虽然效率更高，但是利用CRISPR/Cas9对产果胶酶菌株进行编辑的过程中可能存在脱靶效应，造成菌株其他生长性能的下降，另外，我国对转基因政策具有很强的敏感性，限制了一些高效转基因菌株果胶酶的生产应用。今后的果胶酶研究中，应重点研究更为高效安全的菌种改良方法，提高酶稳定性和安全性；同时改进下游发酵工艺，从而生产出具有较高活性的果胶酶，提高工业生产效益。