微生物來源纖維素酶的工業(yè)應用進展

美合熱阿依·木臺力甫，凱迪日耶·玉蘇普，王繼蓮

（喀什大學生命與地理科學學院，新疆喀什 844006）

1 纖維素酶來源

纖維素是自然界最廣泛存在的糖類物質(zhì)。由于石化燃料資源的日益缺乏，挖掘一種新的再生生物能源已經(jīng)成為一個熱點話題[1]。纖維素酶是降解與糖化纖維素唯一高效催化酶，是一組催化水解木質(zhì)纖維素從而生成單糖的酶系總稱[2]。纖維素酶的來源較為廣泛，Seilliere從蝸牛消化液中發(fā)現(xiàn)了纖維素酶至今也有百余年的歷史。截至目前，在反芻動物瘤胃、腸道、植物和昆蟲體內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)纖維素酶的報道[3-4]，包括微生物沉積物和濾食性動物、微巨噬藻食性動物、雜食動物、草食性落葉和木材食性動物的無脊椎動物中也有報道[4]。由于這些酶資源稀少、成本較高、提取工藝難等條件的約束很少用到工業(yè)應用上。微生物來源纖維素酶成本較低，而且提取工藝相對簡單。因此，近期商業(yè)化纖維素酶基本由微生物所生產(chǎn)，再以利用基因工程的方法可提高纖維素酶的提取量。

1.1 環(huán)境微生物來源

目前，重點研究能產(chǎn)生纖維素降解酶的微生物包括真菌、細菌、放線菌。產(chǎn)纖維素酶的微生物種類繁多，產(chǎn)酶時有多種微生物相互作用，其中大部分難以培養(yǎng)，已分離到的有200多種。主要來源于堆肥、動物瘤胃、厭氧污泥和土壤的微生物菌群[5]。由于真菌和細菌可以產(chǎn)生能夠廣泛降解微晶纖維素的高活性胞外酶，而且部分真菌和細菌能同時產(chǎn)生能夠降解微晶纖維素所需的全部3種纖維素酶[6]。維素酶系根據(jù)其性質(zhì)和功能主要可以分為內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶三大類，其酶系組分對纖維素結(jié)構(gòu)的協(xié)同降解作用（見圖1）[7-8]。細菌在降解木質(zhì)纖維素方面應用潛力較大，具有繁殖周期短、結(jié)構(gòu)簡單、抗逆性強和耐酸堿等優(yōu)點[8]。好氧菌中降解纖維素能力較好的有噬纖維菌（Cytophaga）[9]、假單胞菌（Pseudomonas）[10]、熱酸菌（AcidThermus）[11]和芽孢桿菌（Bacillus）[12]，厭氧菌中降解纖維素能力較強的有梭菌（Clostridium）[13]、醋弧菌（Acetivibrio）[14]等。目前，已投入商品化的纖維素酶主要由木霉（Trichoderma spp.）和黑曲霉（Aspergillus niger）2個屬的菌株發(fā)酵產(chǎn)生[15]。

纖維素被纖維素酶組分協(xié)同水解見圖1。

圖1 纖維素被纖維素酶組分協(xié)同水解

1.2 工程菌產(chǎn)纖維素酶

利用基因工程的方法對纖維素酶基因進行改造或者轉(zhuǎn)化，從而可以達到改善微生物產(chǎn)生纖維素酶的條件，得到高產(chǎn)量纖維素酶的目的。Camila Abreu B Silva Rabelo等人[16]利用分子生物學的研究方法對副梭菌纖維素酶基因進行處理，使其蔗糖發(fā)酵過程剩余原料能更好地利用，從而生物轉(zhuǎn)化中生產(chǎn)更多的氫氣和有機酸。里氏木霉是纖維素酶商業(yè)化中的重要工程菌，其2個超纖維素降解突變體通過比較基因組學，敲出和融合其利于里氏木霉NG14生長的基因片段，能讓里氏木霉快速上漲相比對照可提高其產(chǎn)酶率70%以上，秸稈木質(zhì)素粗酶處理后葡萄糖產(chǎn)量增加11.9%[17]。

2 纖維素酶在工業(yè)上應用現(xiàn)狀

2.1 食品工業(yè)上的應用

纖維素酶作為降解植物細胞壁中纖維素的主要催化劑，在果蔬加工、食品發(fā)酵、茶葉加工、糧油的生產(chǎn)及植物色素提取等方面有顯著的應用價值。因為酒類釀造的主要原料為高粱、玉米等木質(zhì)素含量較高的作物，在發(fā)酵過程中加入10～50μmol/min的纖維素酶，可提高酒精產(chǎn)量7.5%～23.8%[18～19]。桑葚濃縮汁的提取工藝中若加入2.6%的纖維素酶進行酶解，可提高汁液提取率至81%以上，汁液當中的維C和花青素含量也隨之升高[20]。田艷等人[21]利用纖維素酶做輔助超聲乙醇來提取火龍果色素，可以很好地提高色素的提取率，也可以縮短提取時間。朱秀清等人[22]的研究中纖維素酶結(jié)合其他蛋白酶，使冷榨大豆油的得率提高至70.6%，比沒有復合酶處理出油率提高了2.1%。最新研究得出，在大葉種紅茶發(fā)酵過程中加入一定比例的纖維素酶做輔酶可以顯著提高大葉種紅茶的品質(zhì)，還能不同程度地提高茶葉中的氨基酸、茶黃素、茶多酚等成分[23]。纖維素酶在食品科技研究中多以復合酶形式利用，在食品工業(yè)上逐漸成為重要的工程酶。

2.2 飼料工業(yè)上的應用

纖維素酶作為可以有效無害的降解植物細胞壁及木質(zhì)素的生物降解劑，在動物飼料的貯存、制備中廣泛應用。添加纖維素酶或產(chǎn)纖維素酶的菌株制劑可以提高青貯飼料的營養(yǎng)價值，與乳酸菌混合添加還能延長儲存時間，防止其變質(zhì)，縮短青貯時間[24-25]。在最新報道中也有把纖維素酶和植物乳桿菌作為莧菜和稻草混合青貯發(fā)酵的添加使用，能顯著抑制飼料的氧化腐敗，提高營養(yǎng)物質(zhì)，延長貯存時間[26]。青貯飼料、黃貯飼料的原料基本均為玉米、小麥秸稈材料，其主要成分是木質(zhì)纖維素。秸稈傳統(tǒng)方法進行青貯發(fā)酵，其保存時間，發(fā)酵品質(zhì)都不會很理想，而且木質(zhì)素本身在牲畜體內(nèi)分解率不高，基本靠腸道和瘤胃中的能分解纖維素的微生物來分解，因此傳統(tǒng)飼料在動物體內(nèi)吸收率不是很理想。加入纖維素酶在發(fā)酵過程中可分解木質(zhì)素，給其他可降低pH值的微生物提供單糖，增加適口性及飼料的腸道吸收率[27]。

2.3 醫(yī)藥領域的應用

纖維素酶可降解植物細胞壁，這固然在中藥活性成分的提取中起重要作用。中藥是中華民族的珍貴文化遺產(chǎn)，也是世界公認的藥物類型。但是，不管是珍貴中醫(yī)藥材的有效成分提取還是中藥的產(chǎn)量化過程中所用的化學物理方法相對來說成本較高，而且也有可能會破壞其藥效。酶解法來提取中藥中的活性成分不僅安全，而且也能提高其活性成分的提取率[28]。此外，纖維素酶還能抑制某些致病菌，如移植手術(shù)中常見的銅綠假單胞菌等致病菌生物膜的形成，可有效防止醫(yī)用植入后的感染[29]。最新報道還提到，若將纖維素酶制劑與用于靶向治療的慢性緩釋藥物包埋層聚合物羥丙基甲基纖維素（HPMC）聯(lián)合用，能有效控制藥物釋放量，并能夠縮短釋放延遲期[30]。

2.4 能源環(huán)境工程上的應用

化石燃料的短缺及目前燃料造成的環(huán)境問題越來越嚴重，尋找新型再生能源、環(huán)保型能源燃料已迫在眉睫。張名佳[17]利用基因工程方法改造的副梭菌纖維素酶使蔗糖發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化中生產(chǎn)更多的氫氣和有機酸，既可以更好地處理蔗糖發(fā)酵后的殘余原料纖維素，又能提高新能源的產(chǎn)生。異源表達的β-葡萄糖苷酶可以顯著提高熱纖梭菌利用菇渣的產(chǎn)氫量，添加10 U/g底物的β-葡萄糖苷酶時氫氣產(chǎn)量提高37.1%[31-32]。類似于這種利用生物發(fā)酵的方法將廢棄物變?yōu)樵偕茉吹难芯拷舆B報道，如利用產(chǎn)纖維素酶的菌株來發(fā)酵木薯渣產(chǎn)氫，嗜熱性木質(zhì)纖維素酶在纖維素乙醇產(chǎn)生中的重要作用等[33-34]。

纖維素酶在微生物降解、再生能源中具有重要作用，而用可再生氫和生物乙醇替代化石能源改善總體環(huán)境影響[35]。

3 結(jié)語

作為農(nóng)業(yè)大國，纖維素在我國的產(chǎn)量較大，但利用率并不理想。產(chǎn)生的秸稈、纖維素廢渣大多進行燃燒處理。這樣不僅不能更好地利用，反而還會造成環(huán)境污染。纖維素酶作為生物催化劑，可將這一難題很好地解決，將木質(zhì)纖維素降解為寶。若能很好地利用微生物發(fā)酵產(chǎn)酶等方法促進其生產(chǎn)，在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及再生能源等方面的應用價值會很高。