2023年纤维素酶的应用现状与前景.doc

纤维素酶的应用现状与前景 【】:本文阐述了纤维素酶的理化性质及其作用机理, 在此根底上重点讨论纤维素酶在食品业、农牧业、纺织业、造纸业等领域的应用, 对纤维素酶的来源及潜在应用价值作了展望。 【关键词】:纤维素酶; 固体发酵; 液体发酵；应用 The Application And Prospects of Cellulase [Abstract]: The physical and chemical properties of cellulase are elaborated in this thesis. On this basis, focusing on the Application of cellulose in the food industry, agriculture, textiles, paper, and other fields .In the same time looking in the future of The source and potential value of cellulase. [Keywords]: cellulase, Solid fermentation, Fermentation, Applications 纤维素类物质是地球上产量巨大而又未得到充分利用的可再生资源。纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称, 在食品、饲料、医药、纺织、洗涤剂和造纸等众多的工业领域有广泛的应用价值。从酶的作用特性出发可分成两大类: 碱性纤维素酶和酸性纤维素酶。纤维素酶的组成比拟复杂,通常所说的碱性纤维素酶是具有3～10 种或更多组分构成的多组分酶。根据其作用方式一般又可将纤维素酶分为3 类: 外切β- 1, 4-葡聚糖苷酶( 简称CBH) 、内切β- 1, 4- 葡聚糖苷酶( 简称EG)和β- 1, 4- 葡萄糖苷酶( 简称BG) 。在这3 种酶的协同作用下,纤维素最终被分解成葡萄糖。到目前为止, 还没有能够在碱性条件下分解天然纤维素的纤维素酶。碱性纤维素酶是一种单组分或多组分的酶, 只具有内切β- 1, 4- 葡聚糖苷酶( 又称CMC酶) 的活性, 有的还与中性CMC 酶组分共存[1- 3]。自从1906 年Seilliere 从蜗牛消化液中发现纤维素酶以来, 人们对纤维素酶做了大量的研究, 特别是80 年代以来, 由于分子生物学的开展及生物工程技术的兴起, 纤维素酶的研究出现了新的前景。 1 纤维素酶的作用机理 纤维素酶在提高纤维素、半纤维素分解的同时, 可促进植物细胞壁的溶解使更多的植物细胞内溶物溶解出来并能将不易消化的大分子多糖、蛋白质和脂类降解成小分子物质, 有利于动物胃肠道的消化吸收。同时, 纤维素酶制剂可激活内源酶的分泌, 补充内源酶的缺乏, 并对内源酶进行调整, 保证动物正常的消化吸收功能, 起到防病、促生长的作用, 消除抗营养因子,促进生物健康生长。半纤维素和果胶局部溶于水后会产生粘性溶液, 增加消化物的粘度, 对内源酶造成障碍, 而添加纤维素酶可降低粘度, 增加内源酶的扩散, 提高酶与养分接触面积, 促进饲料的良好消化。而纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物, 在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物, 从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素, 促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外, 还和其他酶共同作用提高奶牛对饲料营养物质的分解和消化。 2 纤维素酶的应用 2.1 食品方面 2.1.1 酿酒 在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒的出酒率及原料的利用率, 降低溶液的黏度, 缩短发酵时间, 而且酒的口感醇香, 杂醇油含量低。纤维素酶提高出酒率的原因可能有两方面: 一是原料中局部纤维素分解成葡萄糖供酵母使用; 另外, 由于纤维素酶对植物细胞壁的分解, 有利于淀粉的释放和被利用。将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中可增加麦粒溶解性, 加快发芽, 减少糖化液中单一葡萄糖含量, 改良过滤性能, 有利于酒精蒸馏。用纤维素酶预处理啤酒糟, 可提高啤酒糟蛋白酶解率10%以上[4]; 纤维素酶在清香型优质白酒中的应用, 出酒率可提高13%, 而且不影响酒的感官品质[5]; 在日本清酒生产中, 浸米时参加0.02%～0.1%的纤维素酶浸泡17h,米的溶解性好, 糖化发酵顺利, 酒渣少, 出酒率高[6]。 2.1.2 酱油酿造 在酱油的酿造过程中添加纤维素酶, 可使大豆类原料的细胞膜膨胀软化破坏, 使包藏在细胞中的蛋白质和碳水化合物释放, 这样既可提高酱油浓度, 改善酱油质量, 又可缩短生产周期, 提高生产率, 并且使其各项主要指标均提高3%。采用固体制曲、固态酒精发酵和固态醋酸发酵生产工艺对纤维素酶在食醋酿造方面的应用进行了系统研究, 结果说明纤维素酶添加量为10～50umol/min, 产酒精量比CK 提高7.5%～23.8%, 食醋产量提高0.25～1.36kg, 主料出品率提高5.1%～27.2%[7, 8]。 2.2 农牧业上的应用 2.2.1 纤维素酶在反刍动物中的应用 在瘤胃微生物区系结构正常的情况下, 添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度, 提高消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时, 高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构, 恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程[9, 10]。有试验说明在瘤胃正常状态下, 添加纤维素酶饲喂奶牛5 昼夜以后, 其粪便干物质和饲喂前相比, 减少了30%左右;1 周以后, 封闭牛舍氨气含量下降70%左右, 粗饲料采食量提高10%～20%, 粪便中蛋白质含量提高8%～10%, 尿液中尿素量下降58.9%。 2.2.2 纤维素酶在单胃动物中的应用 除肠道中的微生物可以降解局部纤维素外, 单胃动物不能分泌断裂β- 1,4 糖苷键的内源酶, 所以饲料中含有的纤维素对单胃动物而言几乎不具有营养价值。此外, 由于纤维素的交链、缠绕和粘附, 阻碍营养物质的消化和吸收并影响肠道微生物菌群的平衡。因此, 在单胃动物日粮中添加纤维素酶具有营养和保健的双重成效。 在日粮中添加纤维素酶饲喂肉鸡可使肉鸡饲料消耗量下降16.25%, 体重增加2.88%, 料肉比降低10.18%; 同时使用纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶喂以大麦饲料为根底的雏鸡, 结果使饲料消耗降低2.9%, 体重提高1.3%。对饲喂添加纤维素酶的肉鸡进行各阶段的体重分析, 结果试验鸡于2 周末、4 周末体重在各日粮间差异极显著, 说明酶制剂对肉鸡前期的生长作用显著;6 周末、8 周末试验鸡体重在各日粮间也呈增高趋势。说明添加外源酶制剂补充了内源酶的缺乏, 因而在肉鸡发育前期具有更显著的效果[11]。在蛋鸡常规饲料中添加0.1%复合纤维素酶, 试验组的产蛋率比对照组提高10.8%, 蛋重提高1.7%, 料蛋比下降14.6%[12]。用纤维素酶添加日粮饲喂蛋鸡, 对蛋形指数、蛋壳厚度未产生明显影响, 但添加0.1%和0.3%的纤维素酶降低了破蛋率[13]。用前期含草粉10%、后期含草粉15%的日粮添加纤维素酶喂肥育猪, 试验组比对照组日增重提高0.255kg,料肉比下降0.24, 每头每日增加效益0.95 元[14]。 2.3 纤维素酶在纺织上的应用 纤维素酶在染整上广泛应用, 特别在棉织物整理上, 经过纤维素酶整理后, 棉织物的手感和外观获得很大的改善。由于织物外表的绒毛被除去, 处理后织物更光洁, 颜色更鲜艳。根据处理的目的不同, 可进行生化抛光、柔软滑爽、改善光泽以及石磨水洗等加工。 2.3.1 减量处理 纤维素纤维织物用纤维素酶处理都伴随着纤维的减量或失重, 并引起许多性能变化。减量处理主要是改善织物的柔软度、弹性和悬垂性。减量加工大多数采用液体染色机和水洗机。假设织物被减量过大, 纤维的强度会受到损伤。棉织物的失重率一般控制在3%- 5%范围为好。 棉织物经过纤维素酶整理后, 手感和外观可以有很大的改善。因为织物外表的绒毛被去除, 处理后的织物更光洁、颜色更鲜艳。织物的硬挺度和刚性降低, 光滑度和悬垂性提高, 使织物获得更好的手感。因此在保证处理效果的同时, 防止织物强力过度损失就显得非常重要。2.3.2 水洗和石磨处理 纤维素酶还广泛应用于牛仔裤产品的洗涤加工, 以代替石洗加工工艺。最早应用在靛蓝牛仔服装的洗涤整理上, 以获得与石磨相同的染料脱色、洗白等褪色防旧效果。这种加工的原理是, 首先将牛仔服装上的浆料充分去除, 再充分发挥纤维素酶对牛仔服装外表的剥蚀作用。纤维素酶仅对牛仔服装外表局部水解, 造成纤维在洗涤时发生脱落, 在纤维素酶处理时, 牛仔服装在转鼓中不断发生摩擦, 加速服装外表纤维的脱落, 并使吸附在纤维外表的靛蓝等染料一起去除, 产生石磨洗涤的效果, 并具有独特的外观和柔软的手感。 纤维素酶用于牛仔服装水洗石磨加工, 加工后的服装雪花点多、立体感强、色光好。与传统的石磨工艺相比, 酶洗工艺条件温和, 耗能降低, 减少了服装和设备的磨损, 水洗效率高; 与传统的化学助剂整理工艺相比, 酶洗工艺大大减少了污水排放, 有利于环境保护。 2.4 造纸业上的应用 近几年, 旧纸的循环利用越来越多, 酶法处理造纸纤维是一个普遍感兴趣的话题。尤其在旧纸脱墨中的使用, 及其对纸纤维的影响等方面已有广泛的研究。传统的脱墨方法是漂洗和浮选, 需使用NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、H2O2 等化学药品, 且要在40℃, pH10 以上的条件下进行。在这样条件下, 易使纸的网状结构崩溃, 纤维溶胀, 纸和墨之间粘接力下降。用纤维素酶和半纤维素酶结合处理, 可促进脱墨过程, 并且能在低pH 值的纸浆中进行脱墨。现在采用的透印版印刷法, 所使用的油墨中含有的干性油和干性树脂, 能与纸张形成广泛的交联网络, 因而传统方法较难将这种墨脱去。帕拉萨德等用纤维素酶和半纤维素酶共处理, 已能将这种油墨脱下, 并使纸纤维的洁白度、自由度和强度均有所提高, 同时也节约了在传统方法中使用的化学原料。但在用纤维素酶脱墨时要严格控制酶剂量和作用时间。 葡萄糖作为纤维素酶解的终产物, 仍保存纤维素所有的化学能, 不仅广泛用作食品和医药, 还可以作为许多发酵产品的发酵原料。乙醇的微生物发酵是很重要的方向之一, 因为它能局部缓解当今日益严重的能源危机。城市垃圾富含纤维素材料, 因此废料处理中产生纤维素酶微生物的奉献是不可低估的, 近年正在开发以纤维素为添加剂的可分解塑料, 也正是充分利用这类微生物的一个方面。从天然界寻找或通过基因工程手段构建高活性菌株一直是同行们努力的方向。天然纤维素的降解需要三种纤维素酶的协同作用, 加之天然纤维素常伴以木质素和果胶, 所以需获得高产完整活性的工程菌首先需要有高效且稳定的表达系统, 显然难度很大。但随着蛋白质化学及基因分子遗传学方法的日臻完善, 相信在不久的将来, 人类将能够利用纤维素直接发酵生产有用的产品, 造福人类。 参考文献: [1] 洪泂,黄秀梨.纤维素酶的应用[J].生物学通报,1997,12:18- 19. [2] 李素芬,霍贵成.纤维素酶的分子结构组成及功能[J].中国饲料,1997(13):12- 14. [3] 司笑丁.纤维素酶在酒精工业中的探讨.酿酒科技,2023,6:61- 62 [4] 邱雁临.纤维素酶的研究和应用前景[J].粮食与饲料工业,2023,8:30- 31. [5] 尚维,刘群.纤维素酶在清香型优质白酒中应用初探[J].酿酒科技,1996,2:20- 21. [6] 邱雁临.纤维素酶对啤酒糟蛋白酶解率的影响[J].粮油加工与食品机械,2023,9:39- 40 [7] 杨玉华,刘德海,王子光.纤维素酶在食醋酿造中的应用[J].河南农业大学报,1999,4:398- 399. [8]