年第期很食与
油脂
纤维素酶及应用现状
刘春芬贺稚非蒲海燕吴素蕊西南农业大学食品学院重庆
摘要纤维素酶是一种高活性生物催化剂具有广泛应用价值该文就纤维素酶的特性生产研究进展应用等作一简要综述表明纤维素酶具有广阔开发应用前景
关键词纤维素酶生物催化剂应用
中图分类号文献标识码文章编号
刁刊一
纤维素酶是指能水解纤维素一葡萄糖昔键使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶总称它不是单一酶而是起协同作用多组分酶系纤维素酶由葡聚糖内切酶也称酶葡聚糖外切酶
也称酶一葡萄糖昔酶也称酶或纤维二糖酶三个主要成分组成的诱导型复合酶系酶
和
酶主要溶解纤维素酶主要将纤维二糖纤维三糖转化为葡萄糖当三个主要成分的活性比例适当时就能协同作用完成对纤维素降解〔’兀〕其酶催化效率高比一
般酶高“一,倍酶的催化反应具高度专一性酶对其作用底物有严格选择性催化反应条件温和酶催化活力可被调节控制无毒性川纤维素酶制备工艺产酶菌及菌种选育纤维素酶来源非常广泛昆虫微生物细菌放线菌真菌等都能产生纤维素酶通过微生物发酵方法是大规模制备纤维素酶有效途径由于放线菌的纤维素酶产量极低研究很少细菌的产量也不高主要是葡聚糖内切酶且大多数对结晶纤维素没有活性所产生酶是胞内酶或吸附在菌壁上很少能分泌到细胞外增加提取纯化难度在工业上很少应用闭而丝状真菌具有产酶诸多优点产生纤维素酶为胞外酶便于酶的分离和提取产酶效率高且产生纤维素酶的酶系结构较为合理同时可产生许多半纤维素酶果胶酶淀粉酶等从纤维素酶工业化制备及其应用角度看研究和采用丝状真菌产酶具有更大意义从目前研究进展来看里氏木霉同时具有较为稳定性状优质高产纤维素酶的能力和较好抗代谢阻遏能力被认为是最具有工业应用价值菌株制备过程中优良菌株的选择是前提和关键之一是纤维素酶生产的基础性工作国内外专家对此进行大量研究青岛海洋大学管斌等闭通过利用紫外线亚硝基肌等对收稿日期一一里氏木霉进行诱变处理采用低剂量反复多次复合诱变处理方法用以脱氧葡萄糖作为降解产物阻遏物高效筛选方法选育得到一株抗分解代谢阻遏的突变株使纤维素酶活力提高三倍中科院微生物研究所董志扬等困用康宁木霉通过射线照射和亚硝基肌交替处理诱变出一株纤维素酶高产菌株与出发菌株相比其产酶能力提高倍张等花等〔’〕采用康宁木霉经过浓度为硫酸二乙醋和紫外线复合诱变得到产酶活性高的菌种该菌种糖化力达到,滤
纸酶活达到比出发菌株分别提高和生产方
式
纤维素酶的发酵工艺有两种即固体发酵和液体发酵
固体发酵
法
〔“〕
固体发酵法是以玉米等农作物秸秆为主要原料通过接种微生物进行发酵工艺具有投资少工艺简单产品价格低廉优点但固体发酵法存在着根本缺陷其生产纤维素酶很
难提取精制由于技术上困难目前国内绝大部分纤维素酶生产厂家均采用该技术生产纤维素酶采取直接干燥粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂这样得到产品外观粗糙质量不稳定杂质含量高因此随着液体发酵酶制剂工艺发展及菌种性能提高采用液体发酵法生产
纤维素酶势在必行液体发酵法液体发酵生产工艺过程是将玉米秸秆粉碎至目以下
进行灭菌处理然后送发酵罐内发酵同时接入纤维素酶菌
种发酵时间约为温度控制低于℃从发酵罐底部
通入净化后无菌空气对物料进行气流搅拌发酵完物料
经压
滤机压滤超滤浓缩和喷雾干燥后得到纤维素酶产品液体
发酵虽有发酵动力消耗大设备要求高等缺点但液体发酵
原料利用率高生产条件易控制产量高工人劳动强度小银食
与油脂
年第期
产品质量稳定可大规模生产等优点又使该方法成为发酵
生
产纤维素酶必然趋势
发酵条件对产酶和酶活力影响阁菌种对于产酶菌种一般必须符合以下条件一不是致病菌二是能够利用廉价原料发酵周期短产酶量高三是菌种不易变异退化不易感染噬菌体四是最好选用产生胞外酶菌种有利于酶的分离回收率高此外用于医药和食品上还要考虑安全问题纤维素酶菌种易退化川〔’“兀”〕退化后产酶力明显降低原因可能有三经诱变筛选菌种发生回复突变自然负突变菌种长时间低温斜面保藏会在分生抱子上长出次生菌丝次生菌丝所形成分生抱子生命力强温度发酵温度变化主要随微生物代谢反应发酵中通风搅拌速度变化而变化发酵初期合成反应吸收热量大于分解反应放出热量发酵液需升温当菌体繁殖旺盛时发酵液温度自行上升加上通风搅拌带来的热量这时发酵液必须降温以保持微生物生长繁殖和产酶所需温度值发酵过程中微生物不断分解和同化营养物质同时排出代谢产物由于这些产物都与值有直接关系因此发酵液值在不断变化要根据其变化进行控制通风童通风量多少应根据培养基中溶解氧而定一般在发酵初期菌体少相对通风量可以少些菌体生长旺盛时耗氧多通风量要大些产酶旺盛时需强烈通风搅拌对于纤维素酶液体深层发酵除需要通气外还需要搅拌以利于热交换营养物质与菌体均匀接触降低细胞周围的代谢产物从而有利于酶的生成同时也可打破空气气泡使发酵液形成湍流从而提高溶氧量增加空气利用泡沫发酵中往往产生较多泡沫其存在阻碍排除影响溶氧量生产上一般采用消泡剂主要是一些天然矿物油类醇类脂肪酸类酞类酞胺类醚类等我国常用聚氧丙烯甘油醚或泡敌聚环氧丙环氧乙烷甘油醚消泡湿度用固体培养法生产纤维素酶时一般前期湿度低些培养后期湿度大些有利于产酶除此之外主要营养源诱导剂表面活性剂等也影响纤维素酶产量因此摸索出一条适宜技术路线是今后研究的一个重点王成华等〔’〕研究经诱变选育里氏木霉一产酶条件结果表明该菌种以秸秆粉和麦粉添加硫酸馁磷酸二氢钾硫酸镁为最佳培养基条件℃一犯℃为适宜培养温度℃为最佳温度为最佳接种量达到发酵高峰纤维素酶研究技术进展产酶菌株选育及诱变育种利用物理化学诱变剂单独或复合处理微生物抱子或细胞是选育纤维素酶高产菌种的有效方法如上述中科院微
生物研究所董志扬等闹用康宁木霉通过射线和亚硝基肛交替处理诱变出一株纤维素酶高产菌株张等
花
等〔’“〕采用康宁木霉一经复合诱变得到产酶活性高菌种等
体外重组技术以得到纤维素酶过量生产为主要目的而进行纤维素酶基因克隆研究在世纪年代十分活跃在国外已有约个组分的基因被克隆但表达分泌均很弱由此已逐渐转向应用基因工程方法组建有新特性纤维素酶分子帅〕纤维素酶应用在畜牧业应用纤维素酶是畜牧业中一种新型饲料添加剂利用纤维素酶添加量一般在一能将饲料中一部分难于消化纤维素转化为糖和菌体蛋白改进动物饲料利用性能使畜禽最大限度利用饲料减少饲料消耗提高饲料利用价值减少畜禽消化道疾病发生〔’〕〔’〕同时可减少饲料用量降低养殖成本山〕在食品工业应用纤维素酶在食品工业应用极为广泛如将纤维素酶应用于豆腐生产工艺中结果表明在大豆
浸渍时添加
一纤维素酶可提高一豆腐出品
率且所产豆腐色质和风味无明显变化同时不改变原有生产工艺路线其经济效益比较明显用纤维素酶处理茶叶制备速溶茶可有效提高速溶茶提取率具有一定稳定性制成
速溶茶不仅保持茶叶天然的色香味和营养成分且无不溶
性渣滓饮用方便〕纤维素酶应用于果蔬榨汁花粉饮料有利于细胞内物质渗出增加出汁率约减少压榨压力促进汁液榨取和澄清作用纤维素酶处理植物可使细胞壁发生不同程度改变如软化膨胀和崩溃等从而可提高细
胞内含物提取率用于处理大豆不仅可促使其
脱皮增加从
豆类中提取优质水溶性蛋白质得率且还可回收豆渣中蛋白
质和油脂纤维素酶用于淀粉制造可缩短时间增加得率还有报道称〔’〕用纤维素酶结合现代工程技术可改善烟草
品质白酒酿造所用原料中纤维含量较大使用纤维素酶后可同时将淀粉和纤维素转化为糖再经酵母分解全部转化为酒精提高一出酒率且酒体质量纯正淀粉和纤维利用率高达〔’〕纤维素酶用于固态无盐酱油发酵能
将包裹蛋白质的纤维素分解使蛋白质呈裸露状态便于
蛋
白酶分解蛋白质提高酱油得率加快发酵速度改善酱油风味和质量酶制剂用量仅为酱油中还原糖增加色度提高全氮和原料利用率分别比不加纤维
素酶提高和〔’“〕在食醋酿造过程中将纤维素年第期
根套
与油脂
酶与糖化酶混合使用可明显提高原料利用率和出品率应用于啤酒工业麦芽生产上可增加麦粒溶解性加快发芽减
少糖化液中一葡萄糖含量改进过滤性能帅〕在洗涤剂工业应用近年来碱性纤维素酶在洗涤剂上应用改变传统去污机
制酸性纤维素酶对木质素作用是一个糖化过程在多种组分协同作用下能得到更多最终产物葡萄糖而碱性纤维素酶是一种组分的内切葡萄糖昔酶主要与棉纤维中仅占左右非结晶区纤维素分子起作用碱性纤维素酶可选择性吸附在棉纤维非结晶区使棉纤维膨松水合纤维素分解胶状污垢脱落沈雪亮等从废纸浆中选育一株芽抱杆菌该菌产梭甲基纤维素酶能力很强显示重要工业应用价值具有良好应用前景〔其它方面纤维素酶在纺织造纸地质钻井等方面均有很大应用潜力利用纤维素酶对纤维织物进行生物整理经纤维素酶整理的织物具有滑爽布面清晰悬垂性好吸湿性强等特
点并具有一定的丝光效果用纤维素酶适当处理纸浆能增加微细纤维生成量和提高保水度有可能促进某些纸张抗张力提高此外纤维素酶还应用于医药行业制消化剂等另外纤维素酶在草药提取方面也有一定应用
前景展望纤维素是自然界中十分丰富资源纤维素酶具有高效性
和安全性我国对纤维素酶的主要研究方向是用于食品和酿造领域勿〕自世纪年代以来纤维素酶菌种产酶能力和生产技术水平都有较大提高年代后建成一些纤维素酶生产厂但由于菌种选育和生产技术进展不大酶活力低成本高没有形成大规模生产鉴于目前存在的问题拟提出以下研究方向进一步加强纤维素酶作用机制研究
我国由于菌种选育进展不大酶活力低产酶成本
高没有形成大规模生产应加强菌种选育的基础研究工作以提高其产量和活性特别是要注意利用基因重组技术
选育出活性高产酶量大的菌种目前国内生产技术方法进展不大大多采用固体发
酵法成品纤维素酶的分离纯化极为困难外观粗糙质量不稳定杂质含量高所以研究液体发酵具有实际意义加强纤维素酶酶活检测方法研究虽现有纤维素酶酶活的检测方法很多但真正能适合工业化检测方法还没有给实际工作带来困难应尽快制订出统一检测方法供生
产中应用我国的农业副产品资源丰富使得利用这些农作物秸秆
等作为发酵底物进行纤维素酶发酵具有广阔的发展前景且可以充分利用资源
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