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木质纤维素降解酶的应用及前景

0引言

木质纤维素是植物界中最为丰富的天然高分子化合物,是植物通过光合作用产生的主要干物质,主要包括纤维素、半纤维素和木质素。据估计,全世界绿色植物每年光合作用产生的干物质达l730亿t ,所合能量为2×1018kJ ,相当于全世界每年消耗能量的10倍[1]。木质纤维素的生物降解和解聚作用是一个高度复杂的过程,它涉及众多酶系的参与。为了更好地利用木质纤维素,愈来愈多的国内外学者开始关注木质纤维素酶

的研究与应用,文章就近年来木质纤维素酶的应用作以综述。

1木质纤维素的降解酶1.1纤维素的降解酶

纤维素的酶降解需要纤维素酶的参与,纤维素酶并不是一种简单的酶,而是由若干种相互关联的酶组成的一个复杂的酶系统,主要由3类组成:内切-β-1,4-葡聚糖酶(Endo-β-1,4-glucanase ),又被称为Cx 酶;外切葡聚糖酶(Exoglucanses ),又被称为C 1酶;β-葡萄糖

基金项目:国家自然科学基金“黑翅土白蚁纤维素酶编码基因的克隆与表达”(30571502)。

第一作者简介:邓天福,男,1976年生,山东临邑人,副教授,博士,研究方向:害虫综合治理。通信地址:453003河南新乡河南科技学院资源与环境学院,Tel :0373-*******,E-mail :dtianfu@http://www.wendangku.net/doc/e3f8203283c4bb4cf7ecd15d.html 。收稿日期:2010-03-08,修回日期:2010-04-16。

木质纤维素降解酶的应用及前景

邓天福1,程梦林2,莫建初3

(1河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003;2

绍兴出入境检验检疫局,浙江绍兴312000;

3

浙江大学城市昆虫学研究中心,杭州310029)

摘要:木质纤维素是地球上最为丰富的可再生资源,能将木质纤维素降解为葡萄糖的木质纤维素酶是一个复合酶系,它在养殖、食品、酿酒、纺织、洗涤、能源、造纸等工业中具有广泛的应用价值,如能够显著提高粗饲料的消化率和利用率,提高食品原料细胞内含物的提取率,缩短酿酒发酵时间、提高出酒率,提高纺织品纤维质量,增强去污能力,促进乙醇燃料的开发,提高纸浆质量等。本文综述了木质纤维素酶在工业方面的应用,并对其发展前景进行展望。关键词:木质纤维素酶;工业应用;前景中图分类号:Q556

文献标志码:A

论文编号:2010-0645

Application Progress and Develop Prospect of Lignocellulolytic Enzymes

Deng Tianfu 1,Cheng Menglin 2,Mo Jianchu 3

(1College of Resources and Environment,Henan Institute of Science and Technology ,Xinxiang Henan 453003;

2

Shaoxing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau ,Shaoxing Zhejiang 312000;

3

Urban Entomology Research Center,Zhejiang University ,Hangzhou 310029)

Abstract :Lignocellulose is the most abundant renewable resources on the earth;lignocellulolytic enzymes are multienzyme and can degrade lignocellulose to glucose.Lignocellulolytic enzymes are widely used in breeding,food,brewing,spinning,washing,energy,paper industry,such as increasing the rate of digestion and utilization of coarse fodder,improving the extraction rate of food materials,shortening the fermentation time and increasing the liquor ratio,improving the quality of textile fibers,enhancing decontamination capability,promoting the development of ethanol fuel and improving the pulp quality.This paper reviewed the application of lignocellulolytic enzymes in industry and did some expectation about the development of lignocellulolytic enzymes.Key words :lignocellulolytic enzymes;industry application;prospect

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Chinese Agricultural Science

木质纤维素降解酶的应用及前景

木质纤维素降解酶的应用及前景

Bulletin

苷酶(β-glucosidase ),又被称为BG 酶或CB 酶。目前普遍接受的观点是3种组分协同作用于木质素的降解,即首先由Cx 酶在纤维素聚合物的内部起作用,在纤维素的非结晶部位进行切割,产生新的末端,然后再由外切葡聚糖酶以纤维二糖为单位,从末端进行水解,最后由CB 酶将纤维二糖彻底水解为葡萄糖。1.2半纤维素的降解酶

半纤维素可以被降解为单糖和乙酸。主要降解酶是内切-β-1,4-木聚糖酶(Endo-β-1,4-xylanases )和β-1,4-木糖苷酶(β-1,4-xylosidase ),此外,半纤维素的降解还需要木聚糖酯酶、α-葡糖醛酸酶(α-glucuronidases )、α-L-阿拉伯呋喃糖酶(α-L-arabinofuranosidase )和乙酰酯酶(Acetylesterase )等辅助酶的作用。1.3木质素的降解酶

由于木质素的结构复杂、分子量高,加之不溶于水,所以,与纤维素、半纤维素的降解相比,木质素的降解比较难进行。降解木质素的酶主要有3类,即:木质素过氧化物酶(Lignin peroxidases ,Lip )、锰过氧化物酶(Mn peroxidases ,MnPs )和漆酶(Laccases ,Lac ),此外,还有一些辅助酶参与过氧化氢的产生,如乙二醛氧化酶(Glyoxal oxidase )和芳基醇氧化酶(Aryl alcohol oxidase ,AAO )等。2木质纤维素降解酶的应用2.1在养殖业中的应用

纤维素酶和半纤维素酶在动物饲料工业中有非常

广泛的应用。猪、鸡等单胃动物由于体内内源性纤维素酶不足或缺乏,导致纤维素消化利用率低,添加纤维素酶可补充内源酶的不足,促进饲料的良好消化,提高动物对粗纤维的利用率,同时还可以改善肠道环境,减少消化道疾病,促进动物健康生长。如在仔猪日粮中添加0.04%~0.06%的纤维素酶,不仅提高了增重速度和饲料报酬,同时使成活率提高3.1%,仔猪血液中免疫球蛋白的含量得到了提高,增强了仔猪的抗病力[2]。在稻谷基础饲粮中添加0.2%半纤维素酶,可使生长猪日增重提高8.78%,饲料转化率提高9.42%[3]。β-木聚糖酶和β-甘露聚糖酶应用于仔猪,能提高仔猪日增重,降低仔猪死亡率。在肉鸡饲料中加入纤维素酶和半纤维素酶,可提高肉鸡的增重和饲料利用率,减少饲料消耗,而死亡率下降。在肉鸡的小麦日粮中,添加β-木聚糖酶,可以抵消其抗营养作用,并且酶的添加量越高,生产性能的提高幅度越大。在蛋鸡日粮中添加β-甘露聚糖酶可以显著提高母鸡日产蛋率、平均蛋重和蛋壳强度[4]。

反刍动物的食物成分比以谷物为主的家禽和猪要

复杂,主要包括纤维素、半纤维素、木质素和胶质。所以纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶已经被用来预处理反刍动物的食物以提高其营养质量。在反刍动物饲料中添加适量的饲用纤维素酶、果胶酶、β-葡聚糖酶等饲用复合酶能够改善饲料的营养价值,促进瘤胃微生物对粗纤维的降解,提高反刍动物对饲料的利用效率,从而提高动物的生产性能[5-6]。王尚荣等[7]采用纤维素酶渣替代黄豆对西黄杂奶牛作饲喂对比试验,并对其产奶量及其奶品质进行观察。结果表明,试验组比对照组的日产牛奶量有显著提高,其乳蛋白和乳糖含量也有不同程度提高。在荷斯坦奶牛日粮中添加0.1%的纤维素酶和0.1%的半纤维素酶后,产奶量、牛奶乳脂率和蛋白率均显著高于对照组,半纤维素酶添加组与对照组的差异更是达到极显著水平[8]。

在中国,青贮饲料已成为奶牛日粮中不可缺少的常规组分。在青贮饲料调制过程中,加入适量的纤维素酶制剂可补充青贮饲料的营养物质不足,使其发酵充分,降低青贮饲料的pH ,形成适宜乳酸菌增殖的环境,抑制其他有害菌类的生长,有目的地调节青贮饲料中微生物活动和生长进程,保证青贮成功。除此之外,添加纤维素酶还能加快青贮速度,改善青贮饲料品质,提高青贮饲料利用率和奶牛生产性能[9-11]。2.2在食品工业中的应用

植物食品加工主要是利用植物细胞的内含物如蛋白质、油脂、淀粉、可溶性生物碱、色素等,而这些成分

被植物细胞壁包裹或紧密相连。用纤维素酶作适当处理可使植物细胞壁软化、膨胀或崩溃,从而提高细胞内含物的提取率,简化了食品加工工艺,改善食品品质。例如,用纤维素酶处理大豆,可以促使大豆脱皮,增加从大豆或豆饼中提取蛋白质和油脂的量[12];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,提高产率。另外,采用纤维素酶和黄曲菌混合制曲,可提高酱油的氨基酸、全氮、无盐固形物含量和产出率[13]。

由于纤维素酶粗酶制剂一般含有半纤维素酶和果胶酶,因此可用于水果、蔬菜加工。在水果果汁制作中加入纤维素酶可以使果皮软化,增加产出率,并且还原糖、总糖、总酸度和游离氨基酸等营养成分均有显著提高,而经过纤维素酶处理的澄清汁液在色泽、光密度等物理指标上无明显变化。在橘子罐头加工生产中,用纤维素酶处理可促进橘子脱囊衣;在果汁加工中可促进果汁提取和澄清;在制备脱水蔬菜时,经适当纤维素

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酶处理后再干燥脱水,可改进脱水蔬菜的烧煮性和复原性[14]。半纤维素酶可以分解咖啡中的半乳糖为低聚糖,大大降低咖啡的粘度,从而降低了速溶咖啡的生产成本;半纤维素酶可以水解谷物面粉中的木聚糖产生木寡糖从而大大改善了面包的质地结构和松软度[15]。

2.3在酿酒工业中的应用

在啤酒、白酒等的酿制过程中,生化酶起着很重要的作用。在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高出酒率和原料的利用率,同时可降低发酵液的粘度,缩短发酵时间,发酵过滤性也好,且酒体质量纯正[16]。在啤酒酿造中,大麦的麦芽制造主要依靠种子萌发,种子萌发开始于种子内α、β-淀粉酶和葡聚糖酶的活化以及种子内储藏物的水解。所有生化酶必须在最适合的条件下、并且要协同作用才能生产出高质量的麦芽。然而由于季节的变更、栽培作物的不同和不良的耕作方式,造成作物中内切-β-葡聚糖酶的活性很低,最后一些酿酒厂不得不用低质量的麦芽。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β-葡萄糖含量,改进过滤性能;另外,啤酒在储存过程中往往会出现沉淀和浑浊,用漆酶预先处理麦汁,除去其中的酚,就可以避免沉淀,提高啤酒的质量和透明度[17]。在白酒酿造过程中使用纤维素酶和半纤维素酶不仅可以使谷物的表皮变软,而且还易于净化和过滤及改良酒的品质和稳定性。同时在酿酒过程中加入纤维素酶能使原料中含有一定纤维素的谷类、薯类、麸皮、农副产品、野生植物等充分利用,增加可发酵性糖,提高出酒率[18]。

2.4在纺织业和洗涤业中的应用

由于纤维素酶可以改良有纤维质的纤维使其成为人们所期望的款式,并且可以提高纤维的质量,纤维素酶在纺织业和洗涤业中有广泛的应用。尽管被应用到纺织业和洗涤业只有十几年的历史,纤维素酶已经成为在纺织业和洗涤业中应用的第三大酶系。生物打磨和生物抛光是纤维素酶在纺织业中应用最广泛的两个方面[19]。

在生物打磨过程中,纤维素酶主要作用于棉纤维的表面,可以去除纱线表面的小纤维,因此可以使靛青分散。在纺织品生产中使用纤维素酶进行生物打磨可以减少洗衣过程中的磨损、提高生产效率、减少低质量产品的出现和减少环境的污染。生物抛光主要应用在纺织品湿处理阶段,纤维素酶主要作用于纺织品表面的微小纤维并且把它们磨光。在生物抛光过程中使用纤维素酶抛光解决了传统抛光方法中对纤维损伤大、水耗和能耗高、废水处理难等问题,而且可以使纺织品的外观平滑有光泽,整理效果更持久。半纤维素酶还可用于促进竹纤维[20]、苎麻纤维[21]等的脱胶等。

纤维素酶也被广泛应用在洗涤工业中,因为它能增强去污能力、从衣服表面去除小的纤丝和增加衣服的光亮程度。大多数棉纤维类衣物在重复的洗涤过程中容易变皱和蓬松,这可能是衣物表面的部分微纤维在洗涤过程中被移动而堆积在一起的原因,在洗涤过程中加入纤维素酶就可以把堆积在一起的微纤维分散开从而使衣物的表面变得光滑和平坦。同时,由于微纤维的分散,微纤维之间所携带的脏的微粒也可以同时被去除,这样就可以进一步增加衣服的亮度和柔软度。

2.5在能源工业中的应用

随着科学技术的发展和机械化程度的提高,燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。目前,乙醇已在很多国家被广泛应用于汽车燃料中取代部分石油,但是在混合燃料中所使用的大量乙醇都是由谷物发酵而产生的,这样成本较高,并且还会消耗掉大量的粮食。木质纤维素是地球上最丰富的而且是可再生的生物质,谷物秸秆、杂草、木屑、木桩和一些动物的固体粪便中都含有大量的木质纤维素,植物每年通过光合作用产生大量的木质纤维素,然而每年用于工业过程或燃烧的木质纤维素仅占所产生木质纤维素的极小比例。如果用高活性的木质纤维素酶将这些木质纤维素降解产生还原糖,再进一步发酵产生乙醇,不仅能够弥补石化燃料的不足,而且有助于保护生态环境,对解决人类的发展问题具有划时代的意义[22]。

2.6在造纸工业中的应用

木质纤维素酶在造纸业中也有着广泛的应用。董毅等[23]研究表明,用复合纤维素酶处理可以改善磨木浆的滤水性能和强度,并在一定程度上提高浆的白度。汤振江等[24]研究表明,用半纤维素酶和纤维素酶预处理马尾松未漂磨石磨木浆,在合适的预处理强度下,可以增强后续漆酶处理的作用,并明显改善纸浆可漂性能,使漂后纸浆具有更高的白度及更好的强度性能。采用木聚糖酶处理可以促进纸浆中残余木质素的降解和溶解性木质素的抽除,从而可以减少后续漂白化学剂的用量,并提高纸浆的白度,保持良好的纤维性能。半纤维素酶可用于废纸脱墨、酶法漂白和改善纸浆性能[25-26]。

3前景展望

把地球上最丰富的可再生资源——木质纤维素降解后加以利用多年来一直是人们研究的热点,寻找高

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催化活性、低成本的木质纤维素酶则是这个领域的研究难题之一。细菌和真菌中都存在有复杂的木质纤维素酶水解系统,虽然其水解微晶纤维素的能力非常强,但是由于其复合物的分子量十分巨大,并且单个组份又不具有水解微晶纤维素的能力,所以人们试图从其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前景的木质纤维素酶。白蚁作为一种重要的蚀木性害虫,在长期的进化过程中,形成了独特的木质纤维素降解机制。白蚁靠自身分泌的木质纤维素酶和体内外的共生微生物的帮助,可以高效地降解木质纤维素。目前,国内对白蚁及其共生微生物体内的木质纤维素酶已经进行了大量的研究,克隆了多个编码纤维素酶、漆酶的基因并成功进行了异源表达[27-30]。随着对木质纤维素酶研究的不断深入,以及生物化学、分子生物学、生物信息学以及基因工程等多种交叉学科的快速发展,不久的将来一定会获得适合工业生产的高比活力的木质纤维素酶。

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木质纤维素降解酶的应用及前景

木质纤维素降解酶的应用及前景

作者:邓天福, 程梦林, 莫建初, Deng Tianfu, Cheng Menglin, Mo Jianchu

作者单位:邓天福,Deng Tianfu(河南科技学院资源与环境学院,河南新乡,453003), 程梦林,Cheng Menglin(绍兴出入境检验检疫局,浙江绍兴,312000), 莫建初,Mo Jianchu(浙江大学城市昆虫学研究中心,杭州,310029)

刊名:

木质纤维素降解酶的应用及前景

木质纤维素降解酶的应用及前景

中国农学通报

英文刊名:CHINESE AGRICULTURAL SCIENCE BULLETIN

年,卷(期):2010,26(14)

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