一、纖維素酶的作用機(jī)制
纖維素酶對(duì)纖維素的降解是一個(gè)多底物、多酶催化、多相的極為復(fù)雜的過(guò)程。一般首先要吸附到纖維素上，該過(guò)程與酶本身的性質(zhì)和底物的特性有關(guān)，其能力大小與酶的含糖量和疏水性有關(guān)聯(lián)，而吸附過(guò)程是否可逆需視具體酶的種類而定，例如里氏木霉的CBHU和EGUl對(duì)纖維素的吸附是可逆的，而CBHl則是不可逆的。
然而，由于纖維素酶及纖維素底物的多樣性和高度復(fù)雜性導(dǎo)致了纖維素降解過(guò)程機(jī)理研究的困難，因此，到目前為止，纖維素酶使纖維素水解成為葡萄糖過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)仍沒(méi)有完全研究清楚。目前關(guān)于纖維素降解機(jī)理的研究存在多種假說(shuō)，結(jié)論尚未完全統(tǒng)一，但普遍認(rèn)為纖維素的生物降解過(guò)程涉及到一組復(fù)合的纖維素酶，必須依靠功能不同但又互補(bǔ)的三種纖維素酶組分的協(xié)同作用才能完成。至于各組分的作用方式，作用順序和部位，以及協(xié)同作用的分子學(xué)機(jī)理等方面，許多學(xué)者扔持有不同的看法，但對(duì)于各組分問(wèn)存有很強(qiáng)的協(xié)同作用及部分單一組分酶的水解效果這兩方面有一定的共識(shí)。
Reese等曾闡明沒(méi)有一種纖維素酶產(chǎn)生菌能產(chǎn)生出分解棉花中的天然纖維素的酶，但發(fā)現(xiàn)有的菌株產(chǎn)生的酶能分解膨潤(rùn)的纖維素或纖維素誘導(dǎo)體等非晶體性纖維素，因而在1950年對(duì)纖維素酶的作用方式提出了著名的C1-Cx假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為由于天然纖維素的特異性而必須以不同的酶協(xié)同作用才能分解，并得到大多數(shù)人的支持。該假說(shuō)如下所示。
結(jié)晶纖維素→(C1)→無(wú)定形纖雛素→(Cx)→可溶性產(chǎn)物→(葡萄糖苷酶)→可溶性產(chǎn)物
其理論要點(diǎn)是：當(dāng)纖維素酶作用纖維素時(shí)，CI酶首先作用于結(jié)晶纖維素，使形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)的纖維素鏈開(kāi)裂，長(zhǎng)鏈分子的末端部分分離，從纖維素的非還原多聚體末端水解纖維二糖，將天然纖維素分解為直鏈纖維素，使其轉(zhuǎn)變成可被Cx酶作用的水合非結(jié)晶形式，從而使纖維素鏈易于水解，繼而由Cx酶隨機(jī)水解非結(jié)晶纖維素，即可溶性纖維素衍生物和葡萄糖的內(nèi)在β-1，4-糖苷鍵將直鏈纖維素內(nèi)部切斷，分解為纖維二糖和纖維寡糖，再由β葡萄糖苷酶將纖維二糖水解成葡萄糖。但該理論對(duì)Cl酶作用機(jī)制的解釋并不清楚，且CI酶和Cx酶分階段水解纖維素的理論在以后的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)得到證實(shí)。若先用C1酶作用結(jié)晶纖維素，然后將Cl酶與底物分開(kāi)再加入Cx酶，如此順序作用并不能將結(jié)晶纖維素水解，只有當(dāng)CI、Cx以及β-葡萄糖苷酶同時(shí)存在才能水解天然纖維素。
目前最容易被大多數(shù)學(xué)者所普遍接受的酶水解機(jī)理是協(xié)同理論。Wood在研究木霉和青霉的纖維素酶水解纖維素時(shí)，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)液中的兩種外切酶在液化微晶纖維素和棉纖維時(shí)具有協(xié)同作用；Faterstam發(fā)現(xiàn)兩種外切酶(CBH I和CBH II)具有協(xié)同作用：Kanda等還發(fā)現(xiàn)了只是對(duì)可溶性纖維素進(jìn)攻方式不同的兩種內(nèi)切葡聚糖酶在結(jié)晶纖維素的水解過(guò)程中具有協(xié)同作用。協(xié)同理論一般認(rèn)為：纖維素的生物降解是由EG、CBH和BG三個(gè)組分共同作用的結(jié)果，且各種酶組分之間的比例需要協(xié)調(diào)。一般來(lái)說(shuō)，協(xié)同作用與酶解底物的結(jié)晶度成正比，當(dāng)三種酶組分的活性比例與霉菌發(fā)酵濾液中各組分比相近時(shí)，協(xié)同作用最大，活性最高，且不同菌源的內(nèi)切與外切酶之問(wèn)也具有協(xié)同作用。
二、纖維素酶的應(yīng)用
纖維素酶是一種作為生物催化劑的復(fù)合酶，尤其是微生物纖維素酶，在紡織、食品、釀酒、造紙、飼料、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)需求量較大。
1.纖維素酶在紡織工業(yè)中的應(yīng)用
紡織業(yè)是我國(guó)纖維素酶需求量最大的行業(yè)之一。利用纖維素酶對(duì)纖維織物進(jìn)行酶降解的生物整理和表面改性，主要包括生物打磨(biostoning)和生物拋光(biopolishing)，以改善纖維織物的外觀及質(zhì)量，是我國(guó)近年來(lái)從國(guó)外引進(jìn)的新工藝，被認(rèn)為是生物工程技術(shù)與紡織工程技術(shù)的完美結(jié)合，其酶用量一般為0．5～3％。它作為一種高效、無(wú)污染、低能耗的新工藝，己經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，顯示出了極大的優(yōu)越性，在國(guó)外已進(jìn)入實(shí)用階段，并有大量專利發(fā)表。
纖維素酶可以增大纖維素的非結(jié)晶區(qū)，增強(qiáng)其柔軟度，使表面伸出的小纖維末端被除去，使纖維織物表面剝離和縱向復(fù)合細(xì)胞間層侵蝕，使纖維梢絲束化或脫落．因此，使織物表面變得光滑。紋理清晰，色澤明亮，蓬松，懸垂性好，吸濕性強(qiáng)，手感厚實(shí)柔軟，染料能均勻滲透，花紋精細(xì)。著色力大大提高，另外還可獲得水洗或石磨的效果，有效地提高了纖維織物的服用性能及產(chǎn)品的檔次。在牛仔布加工過(guò)程中，用酶水洗比浮石處理?yè)p傷要小，且不要額外的柔軟劑，有利于保護(hù)環(huán)境，使加工服裝的質(zhì)量?jī)?yōu)良。
2.纖維素酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用
纖維素酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用極為廣泛。日常食用的農(nóng)副產(chǎn)品通常是植物細(xì)胞的內(nèi)含物，如蛋白質(zhì)、淀粉、油脂及糖等，而纖維素是細(xì)胞壁的主要成分，因此，恰當(dāng)?shù)乩美w維素酶處理，能使細(xì)胞壁軟化、膨脹，進(jìn)而改變細(xì)胞壁的通透性，便于細(xì)胞內(nèi)含物的釋放及提取，簡(jiǎn)化食品的加工工藝，提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和消化率。纖維素酶用于淀粉制造，可縮短時(shí)間，增加得率；用于大豆處理，可促進(jìn)其蛻皮，增加從大豆和豆餅中提取優(yōu)質(zhì)水溶性蛋白質(zhì)和油脂的得率；用于胡蘿卜混汁制取，可制得色澤鮮艷、混濁穩(wěn)定性好、無(wú)不良胡蘿卜本味、具有一定營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的胡蘿卜混汁：用于柑桔果汁加工，可促進(jìn)汁液的提取和澄清：用于速溶茶制備，可提高得率，保持茶葉的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分；用于海藻粉前處理，可提高海藻脂質(zhì)的抽提率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本：用于醬油釀造，能分解包裹蛋白質(zhì)的纖維素，使蛋白質(zhì)裸露，便于被蛋白酶分解，可以提高氨基酸及還原糖的含量，提高醬油得率，加速發(fā)酵，改善醬油質(zhì)量和風(fēng)味；用于保鮮蔬菜加工，可加速脫水等；用于面制品制備，可提高其烘焙品質(zhì)、質(zhì)地及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，延長(zhǎng)其貨架壽命；用于柑橘皮渣制取全果飲料，可將一半以上的粗纖維降解為膳食纖維，后者具有很高的醫(yī)療保健價(jià)值。
3.纖維素酶在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用
由于纖維素酶能分解植物原料中的部分纖維素，主要產(chǎn)物葡萄糖能被酵母利用，破壞植物細(xì)胞壁能有利于淀粉的釋放和利用，所以將纖維素酶用于果酒、米酒、白酒、啤酒及葡萄酒等制造，可以同時(shí)將淀粉和纖維素轉(zhuǎn)化為糖，再經(jīng)酶母分解全部轉(zhuǎn)化為酒精，發(fā)酵過(guò)濾性好，溶液黏度低，縮短釀造周期，提高出酒率和原料利用率，而且酒的口感醇香，質(zhì)量純正，雜醇油含量低。另外，纖維素酶和釀酒酵母可同時(shí)使用，進(jìn)行同步糖化和發(fā)酵，此工藝的糖化速度比單行糖化快。其中，啤酒釀造包括大麥的發(fā)芽以及隨后麥芽汁的制備和發(fā)酵，纖維素酶可水解β-1，3-和β-1,4-聚糖，增加麥粒溶解性，加快大麥發(fā)芽，減少糖化液中單一葡萄糖含量，改進(jìn)過(guò)濾性能，利于酒精蒸餾；而葡萄酒則需要從葡萄里抽提出葡萄汁并且用酵母使葡萄汁進(jìn)行發(fā)酵，能顯著提高出灑率，增加葡萄酒的香味，且酒體質(zhì)量純正。當(dāng)前，重組型酵母產(chǎn)生的β-1，3和β-l，4-葡聚糖酶已被廣泛地應(yīng)用在釀造工業(yè)中。
4.纖維素酶在造紙工業(yè)中的應(yīng)用
幾年來(lái)，纖維索酶的研究和應(yīng)用在一定程度上解決了造紙工業(yè)而臨的原料短缺、能源緊張和污染嚴(yán)重等問(wèn)題，作為一種特殊的催化劑，纖維索酶在造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中已有不少實(shí)際應(yīng)用，如廢紙脫墨、纖維索的酶改性、酶促打漿、改善紙張性能、樹(shù)脂障礙控制、漂白、以及廢水處理等。酶法脫墨是一種新型的脫墨工藝，比常規(guī)堿法脫墨優(yōu)勢(shì)明顯。纖維素酶可以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，提高脫墨效率，能降低能耗、減輕環(huán)境污染，且可以通過(guò)改變酶的組成、用量、處理時(shí)間、pH值和添加一些助劑來(lái)控制油墨粒子的大小分布和形狀，從而有效地去除大粒徑的、扁平的和剛硬的油墨，其脫墨漿游離度高、濾水性能好、物理性能優(yōu)、白度高和殘余油墨量低，能改善非接觸印刷廢紙的脫墨性能。采用纖維素酶處理可以降低機(jī)械的磨漿能耗，提高化學(xué)漿的打漿性能，改善紙漿纖維性質(zhì)，縮短打漿時(shí)間，節(jié)省設(shè)備和動(dòng)力，并可實(shí)現(xiàn)打漿的連續(xù)化。采用纖維素酶適當(dāng)處理紙漿，能增加微細(xì)纖維的生成量，提高保水度，提高成紙的抗張指數(shù)、提高薄頁(yè)紙的柔軟性，改善纖維壓縮性，提高密度，能有效節(jié)約精煉過(guò)程中的能耗，提高手感硬度。
5.纖維素酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用
近年來(lái)，纖維素酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普及。纖維素酶作為一種飼料添加劑，是飼料用復(fù)合酶的主要成分之一，在國(guó)外商業(yè)化應(yīng)用己較成熟，國(guó)內(nèi)雖起步不久，但以每年10-20％的速度發(fā)展。將纖維素酶加入飼料中，可以提高飼料的檔次和利用率。由于畜禽飼料中含有大量的纖維素，除某些反芻動(dòng)物具有分解纖維素能力外，大部分畜禽不具備此能力。纖維素酶可以摧毀植物細(xì)胞壁，補(bǔ)充動(dòng)物內(nèi)源酶的不足，將粗飼料(如麥秸、麥糠、稻草、玉米芯等)中的一部分纖維素轉(zhuǎn)化為可被非反芻動(dòng)物利用的糖。消除抗?fàn)I養(yǎng)因子，增大腸道內(nèi)容物的流動(dòng)性，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)更好地被吸收利用，改善動(dòng)物胃中微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)動(dòng)物健康生長(zhǎng)等，此外還能減少畜禽排泄物中氮、磷的排泄量，保持水體和土壤免受污染，因而是一類高效、無(wú)毒副作用和環(huán)保型的“綠色”飼料。
目前國(guó)內(nèi)外利用纖維素酶主要有體外酶解法和體內(nèi)酵解法兩種。體外酶解法是把纖維素酶和粗料混勻，在一定溫度、濕度和pH條件下堆積和密封發(fā)酵一定時(shí)間，晾干后直接飼喂動(dòng)物：體內(nèi)酵解法是把纖維素酶以添加劑的形式加到精料中，拌勻后飼喂動(dòng)物，借助于動(dòng)物消化道的內(nèi)環(huán)境發(fā)揮作用。在實(shí)際應(yīng)用中，纖維素酶通常與其他酶(如半纖維素酶、果腔酶、爭(zhēng)葡聚糖酶等)共同作用，提高動(dòng)物對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化。
6.纖維素酶在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用
中草藥大部分是植物藥，其所含成分十分復(fù)雜，既有有效成分，又有無(wú)效成分和有毒成分。有效成分主要存在于細(xì)胞壁內(nèi)的酶或液泡中，為了提高中草藥的治療效果，就要盡最大限度提取有效成分，去除無(wú)效成分及有毒成分，但由于細(xì)胞壁的存在阻礙了這些有效成分的釋出，其提取一直制約我國(guó)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此必需采取適當(dāng)?shù)奶崛」に?，使?xì)胞壁破碎，從而使有效成分釋放出來(lái)。常用的提取方法(如煎煮法、回流法、浸漬法、滲漉法等)雖然能夠去除無(wú)效成分和有毒成分，保留有效成分，但工序較多，周期較長(zhǎng)，有效成分損失較大，且高溫會(huì)破壞生藥結(jié)構(gòu)，低溫不利于纖維素的破壞。而采用纖維素酶處理可以在常溫常壓下迅速有效地破壞植物細(xì)胞壁的致密結(jié)構(gòu)，有利于有效成分的提取。該方法既符合傳統(tǒng)的中醫(yī)理論，又能達(dá)到提高有效成分的收率和純度的目的，能取代高溫、高壓、水浸、酸堿處理等傳統(tǒng)工藝，降低設(shè)備投資，節(jié)約能源，利于環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益顯著。王瑞紅等利用纖維素酶解工藝提取金銀花綠原酸，結(jié)果顯著提高了金銀花提取物得率和綠原酸得率，最大可使綠原酸得率提高54．20％。馬桔云等在黃連提取工藝中發(fā)現(xiàn)，纖維素酶酶解工藝比不酶解工藝提取的黃連有效成分高出許多(p<O．01)。楊軍宣等用纖維素酶提取三七總皂甙，結(jié)果提取率提高了23.5%。但也有用纖維素酶提取中成藥成分不成功的例子，如韓頌等用纖維素酶法提取的甘草酸得率比不用纖維素酶低，原因可能是纖維素酶被部分甘草酸水解。因此，要進(jìn)一步拓寬纖維素酶在中草藥提取方面的應(yīng)用領(lǐng)域。還需要進(jìn)一步深入探討有效成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)、酶濃度、底物濃度、溫度、pH、抑制劑等對(duì)藥物提取的影響。此外，纖維素酶可作為消化劑與其他酶配合使用，制備幫助人體消化吸收纖維素的藥品，幫助腸胃消化，消除漲氣。
7.纖維素酶在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
纖維素酶應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)，將自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢纖維(如木屑、廢紙)，經(jīng)適當(dāng)?shù)那疤幚?如酸水解或堿水解)，再經(jīng)纖維素酶水解后產(chǎn)生的葡萄糖用來(lái)生產(chǎn)酒精，可以開(kāi)辟新能源和解決環(huán)境污染等問(wèn)題；應(yīng)用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)，既可減少環(huán)境污染，又可得到食用蛋白和動(dòng)物蛋白；應(yīng)用于遺傳學(xué)研究，特別足植物體細(xì)胞的雜交育種，能在溫和的條件下消化破碎植物細(xì)胞壁，釋放原生質(zhì)體，使植物和真茼原生質(zhì)體的制備變得簡(jiǎn)便，產(chǎn)量商，且能保持其新鮮的正常結(jié)構(gòu)和活力：應(yīng)用于家庭洗滌劑，特別足堿性纖維素酶，其內(nèi)切葡萄糖苷酶主要與棉纖維中僅占lO％左右非結(jié)晶區(qū)纖維素分子起作用，可選擇性吸附在棉纖維非結(jié)晶區(qū)，使棉纖維膨松，水合纖維素分解，膠狀污垢脫落。增加去污能力，從織物表面除去小的碎纖維，增加織物農(nóng)而的亮度和光澤；應(yīng)用于地質(zhì)鉆井，作為破膠劑比化學(xué)破膠液安全可靠：此外，還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、清潔劑配制、化工印染、化妝品生產(chǎn)、城市垃圾處理、糞便處理、廢水處理及其他研究開(kāi)發(fā)等方面。
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