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纖維素酶的概述 小組成員 牛浩李為珺褚洪官王龍偉 01 纖維素酶的簡介 纖維素酶 指由生物產(chǎn)生的一種多組分的混合蛋白質(zhì) 在適當(dāng)?shù)臈l件下 能使不溶性纖維素材料水解成可溶性糖的生物催化劑的總稱 纖維素酶的結(jié)構(gòu) 兩個具有獨立活性的結(jié)構(gòu)域 具有催化功能的結(jié)構(gòu)域 Catalyticdomain CD 具有結(jié)合纖維素功能的結(jié)構(gòu)域 Cellulosebindingdomain CBD 兩者之間由一段高度糖基化的linker相連 整個分子呈楔形 纖維素酶來源及分類 按照纖維素降解微生物和纖維素酶系之間的關(guān)系 可將纖維素酶系分為三類 一是對天然纖維素的降解能力比較弱 但可大量合成分泌到胞外的纖維素降解酶系 酶的組分是游離的 如常見的木霉 青霉的纖維素酶系 二是對天然纖維素降解能力強 但分泌到胞外的纖維素酶系活力較低 如擔(dān)子菌類等 三是對天然纖維素分解能力強 但基本無纖維素酶分泌到胞外 如厭氧細菌的纖維素酶系 來源 真菌 mainly 木霉屬 曲霉屬和青霉屬 如綠色木霉菌 康寧木霉菌 黑曲霉 繩狀青霉 變幻青霉等 細菌 好氧菌 如纖維單胞菌屬 纖維弧菌屬 噬胞菌屬厭氧菌 厭氧性的芽孢梭菌屬 產(chǎn)琥珀酸擬桿菌 牛黃瘤胃球菌 白色瘤胃球菌 溶纖維丁酸弧菌等超古菌 激烈火球菌等 放線菌 好氧放線菌 生二素鏈霉菌高溫單孢菌屬 彎曲高溫單孢菌及假諾卡氏菌屬等植物 動物及原生動物 蝸牛 蟑螂等 纖維素酶對纖維素的作用機理 纖維素酶水解纖維素是 1 4 內(nèi)切葡聚糖 纖維二糖水解 酶 EG Endo Glucanase 1 4 外切葡聚糖 纖維二糖水解 酶 CBH Cellobiohydrolase 和 葡萄糖苷酶 BG Glucosidase 協(xié)同作用下進行的 首先 EG酶隨機水解切斷無定型區(qū)的纖維素分子鏈 使結(jié)晶纖維素出現(xiàn)更多的纖維素分子基端 為CBH酶水解纖維素創(chuàng)造條件 CBH酶的水解產(chǎn)物纖維二糖則由BG酶水解成葡萄糖 因而纖維素酶水解纖維素的過程可以簡單表示為 EGCBHBG 目前的研究表明 EG酶實際上至少包括EG EG EG 和EGV四種 CBH至少包括CBH 和CBH 兩種 02 纖維素酶的應(yīng)用 在食品行業(yè)的應(yīng)用 纖維素酶在食品工業(yè)上的應(yīng)用更為廣泛 如用于豆腐生產(chǎn)中 能提高出品率10 用于制備速溶茶 可有效提高速溶茶的提取率 用于果蔬榨汁 能大大提高出汁率 用于大豆的提取 可提高優(yōu)質(zhì)蛋白得率 還可回收豆渣中的蛋白和油脂 用于淀粉的制造 能縮短制造時間 提高淀粉的出品率 用于煙草生產(chǎn) 改善煙草品質(zhì) 用于酒的釀造 提高出酒率3 5 用于醬油的發(fā)酵 能提高醬油得率 改善醬油的風(fēng)味和品質(zhì)等 在造紙行業(yè)的應(yīng)用 一 纖維素酶法廢紙脫墨 酶處理法是采用酶進攻油墨或纖維表面 纖維素酶則改變纖維表面或油墨離子附近的連接鍵 從而使油墨分離 經(jīng)洗滌或浮選法脫除 優(yōu)點 降低能耗 減輕環(huán)境污染 脫墨率高 二 纖維素酶法處理改善紙漿性能 酶處理改善紙漿性能包括降低機械漿磨漿能耗 提高化學(xué)漿的打漿性能和改善紙漿纖維性質(zhì) 酶處理還可改善磨漿性能 紙漿在磨漿之前 用纖維素酶進行預(yù)處理 可以改進磨漿效果和濾水性能 三 纖維素酶法處理改善纖維成紙性能 纖維素酶處理硫酸鹽漿能夠提高成紙的抗張指數(shù) 纖維素酶還能夠提高薄頁紙的柔軟性 纖維素酶處理紙漿 還可改善纖維壓縮性 使紙頁微孔性下降 密度提高 透明度提高 在造紙行業(yè)的應(yīng)用 四 抑制導(dǎo)管脫落 纖維素酶能夠提高闊葉木導(dǎo)管的柔韌性 酶法處理能夠使導(dǎo)管脫落程度降低 同時 紙漿的濾水性 平滑度和抗張強度都得到了提高 纖維素酶抑制導(dǎo)管脫落是由于減緩了前期結(jié)晶態(tài)纖維聚集的原因 五 纖維素酶法預(yù)處理的硫酸鹽漿 纖維素酶法進行預(yù)處理可以降低紙漿的硬度 或在相同的硬度下 降低化學(xué)藥品的用量和能源消耗 一項研究表明 常規(guī)硫酸鹽蒸煮在加入藥液以前采用粗纖維素酶片真空預(yù)浸漬木片45 能夠降低所得漿的卡伯值 2 三七總皂苷提高24 3 銀杏葉中提取黃酮提高56 1 金銀花綠原酸提高26 中藥破壁提取 雖然目前纖維素酶用于植物藥效成分提取的研究尚不多見 但得出的結(jié)果比較一致 即酶解預(yù)處理能明顯提高植物藥有效成分的提取率 在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用 在紡織行業(yè)的應(yīng)用 1 減量處理減量處理主要是改善織物的柔軟 彈性和懸垂性 棉織物經(jīng)過纖維素酶整理后 手感和外觀可以有很大的改善 織物的硬挺度和剛性降低 光滑度和懸垂性提高 能使織物獲得更好的手感 2 生物拋光處理生物拋光有如下優(yōu)點 織物表面更光潔無茸毛 織物表面顯得更加均勻 減少起毛起球的趨向 增加懸垂性并具滑爽手感 處理的織物更具有環(huán)保意義 經(jīng)過生物拋光處理的織物還有諸多優(yōu)點 穿著洗滌不易起球 染色鮮艷 保色保新時間長 尤其對印花織物效果更好 3 水洗和石磨處理與傳統(tǒng)的石磨工藝相比 酶洗工藝條件溫和 耗能降低 減少了服裝和設(shè)備的磨損 水洗效率高 與傳統(tǒng)的化學(xué)助劑整理工藝相比 酶洗工藝大大減少了污水排放 有利于環(huán)境保護 纖維素酶石磨水洗的牛仔褲 在洗滌劑行業(yè)的應(yīng)用 目前在加酶洗衣粉中使用的共有4種 蛋白酶 脂肪酶 淀粉酶 纖維素酶 它們有著對污垢的特殊去污能力 并且具有在洗衣粉配方中所占成本較少而洗滌效果提高很大的特性 在飼料行業(yè)的應(yīng)用 纖維素是自然界中十分豐富的資源 可通過用纖維素酶來有效利用農(nóng)副產(chǎn)品的腳料秸稈和糠類來作為飼料 進而提高畜禽的生產(chǎn)性能 提高飼料的消化率和利用率 改善飼料的營養(yǎng)價值 提高經(jīng)濟效益 故而纖維素酶具有廣闊的發(fā)展前景 03 纖維素酶的制備工藝 固體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶 固體發(fā)酵法又稱麩曲培養(yǎng)法 主要原料一般是麩皮 米糠等 農(nóng)作物秸稈 甘薯渣 玉米粉 豆粕 壓扁谷粒等通常也可以作為主要原料或輔助原料 固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶工藝流程圖如1所示 首先對發(fā)酵原料滅菌 然后將菌種接入到與適當(dāng)?shù)乃浞只旌系呐囵B(yǎng)基中 選擇適宜的溫度和濕度進行發(fā)酵 最后用緩沖溶液 或無菌水 抽提纖維素酶 即可得到粗酶液 優(yōu)點 發(fā)酵條件接近于自然狀態(tài)下的真菌生長習(xí)性 產(chǎn)酶量一般比液體發(fā)酵法高出2 3倍 產(chǎn)生的酶系更全 有利于降解天然纖維素 固體纖維素酶曲可直接用于纖維素糖化 次級代謝產(chǎn)物對菌體的分裂增值影響較小 能耗低 發(fā)酵過程需要通入少量低壓無菌的空氣 不需攪拌 固體發(fā)酵對水活度要求較低 發(fā)酵過程中可一定程度上避免外源性污染 所用原料比較簡單 后處理設(shè)備少 生產(chǎn)成本低 液體深層發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶 液體發(fā)酵法 SP 是指將微生物接種到液體培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)的方法 液體發(fā)酵法分為液體表層發(fā)酵法和液體深層發(fā)酵法 纖維素酶液態(tài)發(fā)酵通常是將秸稈粉 玉米芯 麩皮等原材料經(jīng)粉碎等預(yù)處理后進行高壓蒸汽滅菌 然后送至發(fā)酵罐內(nèi) 同時接入纖維素酶菌種 從罐底部通入無菌空氣進行物料的氣流攪拌 發(fā)酵過程控制適宜的溫度 pH值等發(fā)酵條件 其工藝流程如圖2所示 優(yōu)點 自動化程度高 包容性及發(fā)酵容量大等 缺點 動力消耗大 設(shè)備要求高 生產(chǎn)成本高等 西方發(fā)達國家己逐步用該技術(shù)取代固體發(fā)酵技術(shù)來生產(chǎn)各種抗生素及酶制劑 目前國內(nèi)外大都在探索液體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶 固 液交替新型發(fā)酵工藝 固定化細胞技術(shù) 混菌發(fā)酵 其他發(fā)酵工藝 技術(shù) 目前在纖維素酶生產(chǎn)中使用的生物床及固定化細胞等技術(shù) 就是有效地將固體發(fā)酵與液體發(fā)酵相融合的典范 綜合兩者的優(yōu)點 更適于規(guī)?；a(chǎn) 技術(shù) 具有減少對細胞的剪切傷害 提高產(chǎn)物的制備效率 提高產(chǎn)品收率 方便產(chǎn)物回收 同時可降低產(chǎn)物的生產(chǎn)成本 實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點 技術(shù) 操作簡單 且可以提高發(fā)酵效率甚至形成新產(chǎn)品 從而取得與復(fù)雜DNA體外重組技術(shù)類似的效果 進行混菌發(fā)酵時 由于不同菌種產(chǎn)生的纖維素酶系不同 除了可以對酶的各組分進行補充優(yōu)化 混菌發(fā)酵還能減弱一些發(fā)酵過程中的抑制作用 04 展望 纖維素酶具有非常廣闊的應(yīng)用前景 但由于纖維素酶的生產(chǎn)技術(shù)水平低下 設(shè)備落后 生產(chǎn)成本高 再加上其生物活性低等使得纖維素酶的應(yīng)用具有局限性 今后若能加強這方面的研究 使之盡早進入工業(yè)化生產(chǎn) 不僅可以提高纖維素酶的產(chǎn)量和質(zhì)量 還可以較好地解決纖維素的生物