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1、纤维素酶的研究进展与发展趋势 摘要 介绍了国内外纤维素酶的探讨进展,并简要阐述了纤维素酶探讨的发展趋势。 关键词 纤维素酶 探讨 进展 趋势 纤维素是植物细胞壁的主要成分,广泛存在于自然界,是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。随着世界人口的增长,为解决日益加剧的食品和能源危机,纤维素资源的利用引起了世界各国的极大关注和高度重视。纤维素酶能够有效地分解自然纤维素,是解决能源危机,食品和饲料惊慌及环境污染等问题的重要途径之一。 1 纤维素酶的探讨 在自然界中,绝大多数的纤维素是由微生物通过分泌纤维素酶来进行降解的。早在l850年,Mifscherlich己经视察到微生物分解纤维素现象。但纤维素酶的
2、探讨则是从1906年Seilliere在蜗牛消化液中发觉了分解自然纤维素的酶,以后才渐渐起先的。1912年Pringsheim从耐热性纤维素细菌中分别出纤维素酶。1933年Grassman辨别出了一种真菌纤维素酶的两个组分。1954年,美国陆军Natick试验室起先探讨军用纤维素材料微生物降解的防护问题,后来发觉纤维素经微生物降解后,可产生经济、丰富的生产原料,并且有望解决自然界不断产生的固体废物问题,于是纤维素酶得到了广泛的关注。 50年头,纤维素酶工作转向纤维素酶本身的性质、作用方式、培育条件、测定方法等探讨。l958年,美国华盛顿高校Fry等人用酶水解非淀粉多糖,从那时起,纤维素酶的探讨
3、在世界很多国家快速推广,特殊在产纤维素酶的微生物选育、培育条件、纤维素酶的性质、纤维素酶的分别、提纯和协同作用方面的探讨进展较快。6073年头,Nisizawahe Woo等人对绿色木霉和黑曲霉的纤维素酶做了大量的探讨,将纤维素酶分成不同组分,并进行了鉴定。7380年头起先利用诱变等育种手段对产纤维素酶的微生物进行了改造,提高其产酶活性。80年头以后,人们起先利用遗传工程从分子生物学水平对纤维素酶生产菌株进行诱变育种,并对纤维素酶蛋白质的氨基酸序列及其分别纯化等方面进行了深化细致的探讨。目前,对纤维素的酶法转化探讨最多的是美国、丹麦、俄罗斯、日本和芬兰,并且获得了一些优良的纤维素酶生产菌,并以
4、纤维素制糖为主要目标,分别建立了中试工厂。 2 纤维素酶的水解机制 关于纤维素酶水解的机制至今仍无完全统一的相识,目前普遍接受的理论主要为协同理论。该理论认为,纤维素的酶水解过程是由C1酶、Cx酶、-葡萄糖苷酶系统作用的结果,水解过程为:先是Cx酶作用于纤维素分子非结晶区内部的-1, 4糖苷键,形成短链的-寡聚糖;C1酶作用于-寡聚糖分子的非还原末端,以二糖为单位进行切割产生纤维二糖;接着,部分降解的纤维素进一步由C1酶和Cx酶协同作用,分解生成纤维二糖、纤维三糖等低聚糖;最终由-葡萄糖苷酶作用分解为葡萄糖。纤维二糖对CBH和EG有剧烈抑制作用,-葡萄糖苷酶BG将纤维二糖和纤维三糖水解为葡萄糖
5、,从反应混合物中除去抑制。 3 纤维素酶探讨的发展趋势 进入21世纪,纤维素酶的探讨也进入了一个全新的时代,其发展趋势表现为采纳现代生物技术,构建高产基因工程菌株,从而使纤维素酶的工业化生产和大规模应用得到突破性进展。 物理诱变育种。紫外线诱变育种是国内外广泛采纳的提高菌种性能的育种方法,已经应用此方法选育到许多优良突变株。它具有损伤轻、突变频率高、突变谱宽、突变性状稳定等突出的优点,因此可望通过此项新的育种技术获得期望的诱变菌株。 采纳原生质融合技术。里氏木霉能大量合成外切葡聚糖纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)。但是纤维二糖酶(CB)活力低,而黑曲霉的CB活力高。为了充分开发利
6、用里氏木霉和黑曲霉这两个远源属种间的互补优势性状,可将里氏木霉和黑曲霉进行原生质融合,筛选到的融合子获得了两属的优点。但是,对原生质融合使微生物获得新性状的机制的探讨至今还很少,融合子的遗传稳定性还并不太志向。 基因工程育种。由于以分子克隆为基础的基因重组技术的快速发展日趋成熟,国内外的探讨者已起先应用重组DNA技术对纤维素酶产生菌进行改造或创建新的纤维素酶产生菌。与前两种育种技术相比,基因工程育种具有很好的定向性,为构建高效纤维素分解菌开拓了新途径,最有可能使纤维素的分解利用问题得到突破性解决。纤维素酶基因克隆的探讨始于20世纪73年头,现已从20多种细菌及数种真菌中克隆到酶基因并对它们进行
7、了测序。大部分的EG基因都以羧甲基纤维素为底物,利用刚果红平板法筛选;而GL基因一般通过产色物质如对硝基苯葡萄糖苷为底物,在平板上干脆筛选。另外,反刍动物瘤胃微生物对纤维素的转化率也比较高。利用DNA重组技术将这些瘤胃微生物的纤维素酶基因在合适的受体中表达的探讨也取得了较大的进展。 发酵条件的优化。发酵条件的优化对提高纤维素的利用率,纤维素酶发挥作用的效能也是特别重要的,在整个生产中不容忽视。发酵条件的优化主要包括培育基成分的改进、接种量、培育时间、环境pH值范围、通气量以及对全部设备的特别的要求,菌丝细胞固定化的探讨等。固定化菌丝细胞的养分生长非常微弱。这样,一方面作为次生代谢产物的纤维素酶
8、可以接着产生,同时,糖化过程形成的还原糖能够得以积累。事实上,这是酶的合成与原料的糖化耦合进行的过程。多孔性聚酯泡沫和薄纸都曾被用做固定化菌丝细胞的材料。 参考文献 1 高洁等.纤维素科学.科学出版社,11016:3041. 2 孟雷,陈冠军,王怡等.纤维素酶的多型性.纤维素科学与技术,2002, 10(2): 4755. 3 汪天虹,刘纯强.黄单孢菌-葡萄糖苷酶在大肠杆菌中的克隆和表达.遗传,11011,13(3): 1418. 4 艾高灿.曲霉与木霉纤维素酶基因组的属间遗传表达相容性. 微生物学报,19101,38(3): 186192. 5 夏黎明.应用固定化里氏木霉糖化玉米纤维素的探讨.微生物学报,19101,38(2): 114119. 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页