方詡，秦玉琪，李雪芝，王祿山，汪天虹，朱明田，曲音波

1 山東大學(xué) 微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100 2 山東大學(xué) 國(guó)家糖工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100

纖維素酶與木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展

方詡1,2，秦玉琪1,2，李雪芝1,2，王祿山1，汪天虹1，朱明田1,2，曲音波1,2

1 山東大學(xué) 微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100 2 山東大學(xué) 國(guó)家糖工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100

利用纖維素酶將預(yù)處理后的秸稈降解成可發(fā)酵性單糖，然后發(fā)酵生產(chǎn)所需的液體燃料及化工產(chǎn)品的技術(shù)，對(duì)于我國(guó)解決能源、環(huán)境、人口就業(yè)等難題有著巨大的積極影響。在木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化工藝中，減少纖維素酶用量及提高酶解效率是降低木質(zhì)纖維素降解成本的關(guān)鍵。纖維素酶系和木質(zhì)纖維素酶水解技術(shù)的改進(jìn)需要深入了解纖維素酶系統(tǒng)的組成及其協(xié)同作用、纖維素酶的結(jié)構(gòu)與功能以及纖維素酶的生產(chǎn)技術(shù)。將就以上幾個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行討論，并深入探討了纖維素酶糖化能力的評(píng)價(jià)方法。

纖維素酶，木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，纖維素酶解

Abstract:Biofuels and bio-based chemicals from lignocellulosic biomass are sustainable, making them alternatives to petroleum-derived fuels and chemicals to address the challenges of the shortage of crude oil supply and climate change resulted from the overconsumption of petroleum-based products, particularly in China.However, high cost in liberating sugars from lignocellulosic biomass is still the bottleneck of the commercialization of biofuels and bio-based chemicals.In this article, the major components of cellulases and their synergistic role in the hydrolysis of pre-treated biomass is reviewed, followed by how to evaluate the enzymatic hydrolysis.With the elucidation of the underlying mechanism of the conformations of the enzyme molecules and their effectiveness in attacking cellulose substrate, more efficient enzymes are expected to be developed.Using the high production strainPenicillium decumbens, the on-site production of cellulases for cellulose ethanol production is discussed.

Keywords:cellulases, lignocellulosic biomass, cellulolytic enzymes

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類在能源、資源、環(huán)境等方面面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。中國(guó)的問題特別突出：一方面，中國(guó)的石油對(duì)外依存度已經(jīng)過半，大部分石油消費(fèi)要靠進(jìn)口，國(guó)家的能源安全和經(jīng)濟(jì)安全無法得到保證；同時(shí)，大量使用礦石燃料又嚴(yán)重污染環(huán)境，中國(guó)已經(jīng)成為最大的溫室氣體排放國(guó)之一，面臨國(guó)際上巨大的減排壓力。尋找替代石油的可再生資源已成為緊迫任務(wù)。生物質(zhì)資源是可以大量再生的，其利用過程中產(chǎn)生的 CO2又會(huì)被植物吸收，形成碳封閉循環(huán)，不會(huì)影響環(huán)境。隨著石油資源的日益短缺，利用工業(yè)生物技術(shù)將生物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化為液體燃料和化工產(chǎn)品，經(jīng)過充分利用后再排放，將形成新的封閉循環(huán)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。因而，化學(xué)工業(yè)已經(jīng)開始逐步形成由石油資源向生物質(zhì)資源的歷史性、革命性轉(zhuǎn)變。

目前的生物燃料和大宗生物化學(xué)品主要是由淀粉、糖和油脂來生產(chǎn)的，從而存在“與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地”的問題，因而備受爭(zhēng)議。中國(guó)人口多、土地和水資源有限，保障糧食安全始終是國(guó)家的首要任務(wù)，必須發(fā)展以非糧原料，特別是以植物生物質(zhì)主體(細(xì)胞壁)的木質(zhì)纖維素部分來進(jìn)行生物產(chǎn)品生產(chǎn)。木質(zhì)纖維素的 3類主要組分的單體是各種糖和芳香族化合物，都可望用來生產(chǎn)液體燃料和化工產(chǎn)品。因而，生物化工產(chǎn)業(yè)的原料也面臨實(shí)現(xiàn)由糧油原料向纖維素原料的歷史性、革命性轉(zhuǎn)變。

美國(guó)政府通過立法形式為自己規(guī)定了必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：2022年要生產(chǎn)360億加侖可再生燃料，其中約半數(shù)要靠纖維素乙醇；2030年要用可再生燃料來替代30%的液體石化燃料。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，美國(guó)政府加大了相應(yīng)的投資力度：2007年宣布投資10余億美元，包括：投入3.75億美元同時(shí)建立3個(gè)生物能源研究中心，吸引一流大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參與相關(guān)的基礎(chǔ)研究，同時(shí)，投資3.85億美元，吸引企業(yè)1∶2匹配，總投資12億美元，用于6個(gè)萬噸級(jí)以上的纖維素生物煉制廠建設(shè)。2009年以來，盡管美國(guó)面臨嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，新任能源部長(zhǎng)朱棣文仍宣布從經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃中追加近 8億美元用于先進(jìn)生物燃料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，希望利用發(fā)展新能源來保住自己的超級(jí)大國(guó)地位。

在美國(guó)政府的大力支持下，相關(guān)技術(shù)已取得很大進(jìn)展。在很低用酶量(15 FPA IU/g 葡聚糖)前提下，纖維素和半纖維素的得糖率均可＞90%。每加侖纖維素乙醇的成本也已從2001年的大于5美元/加侖，降到了目前的約2美元/加侖，接近了實(shí)用要求。其中最為顯著的是提高了酶解效率，使單位乙醇產(chǎn)品用酶的成本已降到約0.2美元/加侖。

我國(guó)的作物秸稈并未得到有效利用，在收獲季節(jié)常常就地焚燒，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，成為一大社會(huì)公害，急需尋找新的高效利用途徑。而解決該問題最有前景的方案之一正是降解秸稈轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖，再通過發(fā)酵生產(chǎn)人類所急需的液體燃料及化工產(chǎn)品[1-2]。

從秸稈等木質(zhì)纖維素提煉乙醇等化工產(chǎn)品，首先必須采用酸或酶水解法將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性單糖。酸水解法的產(chǎn)糖率往往低于60%，且酸水解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的發(fā)酵抑制物，加上設(shè)備投資較高和環(huán)境負(fù)擔(dān)過大等問題，所以難以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。同酸法水解工藝相比，酶法水解具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、產(chǎn)物專一、糖得率高(轉(zhuǎn)化率＞90%)和設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)，所以成為世界各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的熱點(diǎn)之一。酶水解法首先要采用有效的物理化學(xué)預(yù)處理打破由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等高分子相互結(jié)合形成的天然屏障，然后利用纖維素酶將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素降解成可發(fā)酵性單糖。國(guó)內(nèi)已先后建成了多套纖維素生物轉(zhuǎn)化試驗(yàn)裝置，但由于技術(shù)積累不夠，生產(chǎn)成本過高(每噸乙醇的生產(chǎn)成本7 000元以上)，無法真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。造成木質(zhì)纖維素降解成本過高的主要技術(shù)瓶頸是水解過程的纖維素酶用量較高，酶解效率有待改進(jìn)[3]。

為了減少生產(chǎn)中的纖維素酶用量并提高酶水解效率，降低工業(yè)生產(chǎn)中纖維素酶的成本，世界各國(guó)科學(xué)家圍繞纖維素酶和木質(zhì)纖維素的生物降解轉(zhuǎn)化展開了廣泛的研究。本文著重介紹以下幾個(gè)方面的研究進(jìn)展以及有待解決的問題：

1 纖維素酶系統(tǒng)的組成及其協(xié)同作用

纖維素酶是一大類復(fù)雜酶系的總稱。纖維素降解酶按照其催化功能可分為 3大類：外切-β-1,4-葡聚糖酶(exo-β-1,4-glucanases，EC 3.2.1.91)，又稱為纖維二糖水解酶(Cellobiohydrolases)，簡(jiǎn)稱為外切酶(CBH)；內(nèi) 切 -β-1,4-葡 聚 糖 酶 (endo-β-1,4-glucanases， EC 3.2.1.4)，簡(jiǎn)稱為內(nèi)切酶(EG)；β-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidases，EC 3.2.1.21)。長(zhǎng)期的研究表明，結(jié)晶纖維素的徹底降解至少需要這3組纖維素酶的協(xié)同作用：外切酶(纖維二糖水解酶)可以水解纖維素結(jié)晶區(qū)，(CBH I)從纖維素鏈的還原端或(CBH II)非還原端開始持續(xù)水解，釋放纖維二糖；內(nèi)切葡聚糖主要作用于纖維素的非結(jié)晶區(qū)，隨機(jī)水解纖維素鏈中的糖苷鍵，把纖維素長(zhǎng)鏈切斷，轉(zhuǎn)化成為大量不同聚合度的纖維素短鏈，使得纖維素分子的聚合度降低，可供外切酶作用的纖維素鏈末端數(shù)增加；β-葡萄糖苷酶則主要水解纖維二糖和可溶性纖維寡糖，最終將纖維素轉(zhuǎn)化為可利用的葡萄糖[4]。由于天然纖維素材料的組成和結(jié)構(gòu)不同，其降解所需的纖維素酶不同組分之間，以及纖維素酶與其他降解酶活力的最適比例也就各不相同，還難以給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

事實(shí)上，工業(yè)用的纖維素酶制劑中還含有許多半纖維素酶，包括木聚糖酶、木糖苷酶、甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、阿拉伯糖苷酶、阿魏酸酯酶、淀粉酶和蛋白酶等。纖維素酶制劑可以分離純化出幾十種蛋白，多半都與纖維素降解有關(guān)。單一的酶系組分不能獨(dú)立完成對(duì)天然木質(zhì)纖維素底物的最終降解，把天然木質(zhì)纖維素底物降解為葡萄糖等單糖，必須在幾類纖維素酶系組分的共同作用下才能完成。在此理論基礎(chǔ)上，通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究者們提出了通過對(duì)纖維素酶酶系組分的重建構(gòu)以優(yōu)化降解酶系，提高對(duì)纖維素底物的降解效率、降低酶用量的策略[4]。纖維素酶酶系組分的重建構(gòu)是指在對(duì)幾種不同來源、不同類型纖維素酶系特征充分了解的基礎(chǔ)上，通過將各種組分按不同比例混和，調(diào)整酶解條件，以達(dá)到對(duì)底物有最佳的降解效果的目的。大量的研究證明，瑞氏木霉生產(chǎn)的纖維素酶雖然含有大量的外切葡聚糖酶，但是其酶系中的β-葡萄糖苷酶的活性太低，從而抑制了它的內(nèi)切和外切酶的活性，降低了纖維素的轉(zhuǎn)化率和水解速度。實(shí)驗(yàn)證明，在瑞氏木霉纖維素酶中添加適量的β-葡萄糖苷酶可以大大提高纖維素酶降解纖維素的效率和速度，提高葡萄糖轉(zhuǎn)化率[3]。

另一方面，天然木質(zhì)纖維素中存在的半纖維素對(duì)于纖維素的降解效率也有著重要的影響。有數(shù)據(jù)證明在纖維素酶水解過程中，高濃度的木聚寡糖會(huì)抑制纖維素酶的活性。而增加酶系中木聚糖酶和木糖苷酶的比例可以減少這種抑制，提高纖維素轉(zhuǎn)化率[5]。陳洪章等報(bào)道了阿魏酸酯酶的添加可以打破汽爆處理后稻稈的半纖維素和木質(zhì)素之間的部分酯鍵，提高了稻稈中纖維素和半纖維素的水解速度[6]。這些結(jié)果說明了在天然木質(zhì)纖維素的降解過程中，半纖維素酶和纖維素酶之間發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)了纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率。

近年來，諾維信公司的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在瑞氏木霉纖維素酶中添加少量的 GH61家族的糖苷酶可以有效地提高玉米秸稈的水解效率。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，加入占總酶量不到 5%的 GH61蛋白可以使水解作用所需纖維素酶用量減少到原來的1/2。在更長(zhǎng)的酶解時(shí)間、更高的水解程度以及更多的固體纖維素加量的情況下，添加 GH61蛋白使所需要的纖維素酶蛋白用量減少這一現(xiàn)象變得更加明顯[7]。

纖維素酶和某些其他蛋白的協(xié)同作用也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的關(guān)注。雖然其機(jī)理尚不十分明確，但已經(jīng)取得的成果表明，可能存在 2種機(jī)制。一種是某些蛋白的添加增加了纖維素酶對(duì)纖維素的“可及性”，即增加了纖維素酶和基質(zhì)反應(yīng)的幾率；另一種是某些蛋白提高了纖維素酶的穩(wěn)定性，減少了纖維素酶的失活。纖維素酶和其他蛋白協(xié)同作用的機(jī)理研究可以為減少纖維素酶用量、提高木質(zhì)纖維素酶解效率、改良纖維素酶性能提供重要的理論依據(jù)，所以需要進(jìn)行更深入、更細(xì)致地研究。

2 纖維素酶糖化能力的評(píng)價(jià)

纖維素酶活力有多種表示方法。酶制劑公司常用以高聚合度的纖維素衍生物——羧甲基纖維素(CMC)為底物來測(cè)定纖維素酶中的內(nèi)切葡聚糖酶活力。其方法是將羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)溶液與酶液混勻，50℃下反應(yīng) 30 min，然后用DNS法測(cè)定還原糖的生成量，并以每分鐘水解底物產(chǎn)生1 μmol還原糖所需的酶量定義為1個(gè)活力單位(IU)。

但是在纖維素降解過程中，纖維素酶中的內(nèi)切葡聚糖酶活力并不能真實(shí)反映纖維素降解效率。所以，目前國(guó)際上最通用的方法是以Whatman 1號(hào)濾紙作為底物，測(cè)定能反映多組分纖維素酶的協(xié)同作用的濾紙酶活力(Filter paper assay，F(xiàn)PA)。該方法的優(yōu)點(diǎn)有：1)該方法底物通用易得；2)底物具有合適的纖維素酶解感受性；3)該方法程序相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要去除剩余底物。但由于濾紙本身結(jié)構(gòu)并不單一，分為難水解的結(jié)晶區(qū)和易水解的非結(jié)晶區(qū)，所以其水解過程曲線并非線性。經(jīng)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)確立并公布的方法，要求 1 h內(nèi)從50 mg濾紙樣品上水解出2 mg葡萄糖(約4%濾紙被水解)，以保證纖維素的無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)都發(fā)生一定程度的水解，從而更準(zhǔn)確地反映酶的組成和含量。為滿足這一要求，在水解之前必須反復(fù)調(diào)整纖維素酶濃度，以恰好達(dá)到該水解比率，因此增加了測(cè)定的程序和難度。

值得注意的是，如前所述，纖維素酶系中的 β-葡萄糖苷酶酶活力對(duì)木質(zhì)纖維素的降解速度有著很大的影響，所以了解纖維素酶系中的 β-葡萄糖苷酶酶活力也很重要。其酶活力的測(cè)定方法一般以具有各種發(fā)色或者熒光基團(tuán)的 β-葡萄糖苷衍生物(如：pNPG)為底物，以每分鐘水解底物產(chǎn)生1 μmol還原糖或發(fā)色基團(tuán)所需的酶量定義為 1個(gè)活力單位(IU)。同時(shí)，由于內(nèi)切酶和外切酶都不能水解纖維二糖，β-葡萄糖苷酶的活力也可以通過水解纖維二糖來測(cè)定。由于 β-葡萄糖苷酶酶活與濾紙酶活的比率對(duì)纖維素降解速率和程度影響很大，該比率成為纖維素酶制劑質(zhì)量的重要指標(biāo)。通常，該比率應(yīng)該大于1。

在實(shí)際應(yīng)用中，人們依然習(xí)慣通過濾紙酶活力與CMC酶活力表征纖維素酶制劑的糖化能力，但是大量的實(shí)驗(yàn)證明 CMC或?yàn)V紙酶活力單位很難準(zhǔn)確反映纖維素酶對(duì)于天然木質(zhì)纖維素底物的糖化能力。這是因?yàn)槟举|(zhì)纖維素底物本身和纖維素降解酶都是很復(fù)雜的體系，而濾紙與CMC酶活力等酶活單位都是基于纖維素酶與單一較純底物反應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。另一方面，不同底物(含不同預(yù)處理方法和程度)需要不同的降解酶系組成。采用不同的天然底物得到的纖維素酶糖化能力的結(jié)果，也就很難準(zhǔn)確地相互比較。因此，美國(guó)能源部在最近提出的纖維素酶開發(fā)計(jì)劃中，已經(jīng)明確指出要針對(duì)一種明確的樣品(指定稀酸處理方法處理后的玉米秸稈)，按照指定方法進(jìn)行不同纖維素酶糖化能力的比較。為了促進(jìn)我國(guó)纖維素酶和纖維素生物煉制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建議中國(guó)也應(yīng)該制定出一套適合我國(guó)國(guó)情的、以指定預(yù)處理后的天然木質(zhì)纖維素為底物的纖維素酶通用評(píng)價(jià)方法。

3 纖維素酶的結(jié)構(gòu)與功能

隨著各種測(cè)試手段以及分子生物學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家可以深入探討纖維素酶各個(gè)酶組分的結(jié)構(gòu)與功能。其中，由于結(jié)晶纖維素的解聚或解鏈可能是纖維素酶解過程的限速反應(yīng)步驟，所以外切酶(CBH)，特別是CBH I是研究的熱點(diǎn)之一。

經(jīng)過多年的研究，已知纖維二糖水解酶具有 2個(gè)獨(dú)立的活性結(jié)構(gòu)域：1個(gè)具有催化功能的結(jié)構(gòu)域(Catalytic domain，CD)，和1個(gè)具有結(jié)合纖維素功能的結(jié)構(gòu)域(Cellulose binding domain，CBD，或者稱Carbohydrate binding module，CBM)，兩者之間由一段高度糖基化的連接肽(Linker)相連。大量的研究證明，CBH之所以能夠有效地降解結(jié)晶纖維素，產(chǎn)生纖維二糖，首先是利用CBD把CBH吸附在結(jié)晶纖維素表面，然后單根葡聚糖鏈(纖維素)快速準(zhǔn)確地進(jìn)入CD中帶底物結(jié)合和催化部位的“隧道”，纖維二糖被準(zhǔn)確地從葡聚糖鏈上切割下來并被釋放出來的同時(shí)，CBH分子沿著葡聚糖鏈向前滑動(dòng)2個(gè)葡萄糖單位[8]。山東大學(xué)王祿山等的研究還表明，CBD 雖然不具備對(duì)纖維素的水解活力，但具有疏解結(jié)晶纖維素結(jié)構(gòu)的能力[9]。2009年，日本東京大學(xué)副教授五十嵐圭日子博士首次將 CBH降解結(jié)晶纖維素的動(dòng)態(tài)過程用高速原子力顯微鏡直接拍攝下來并進(jìn)行細(xì)致地觀察，發(fā)現(xiàn)失去CBD的CBH I分子的持續(xù)降解速度和完整的CBH I分子相比并沒有很大的差別。并證明，CBH I分子的滑動(dòng)是伴隨著活性中心的酶水解反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的，而CBD則利用吸附作用增大了酶分子在底物上的濃度[10]。雖然大量的研究成果使我們對(duì)纖維素酶的作用機(jī)制有了更深入的了解，但是纖維素酶在底物上持續(xù)性運(yùn)動(dòng)，并打斷分子鏈間氫鍵的動(dòng)力來源仍然是一個(gè)謎。而這個(gè)謎底的揭示將為我們利用分子改造技術(shù)提高酶分子轉(zhuǎn)化效率提供正確的理論指導(dǎo)。因此，CBH這類經(jīng)歷億萬年進(jìn)化而成的高效“分子機(jī)器”的作用機(jī)理值得我們進(jìn)行更深入地研究。

4 纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)

雖然纖維素酶和淀粉酶一樣，都有酶制劑商品出售，但是對(duì)同樣的乙醇產(chǎn)量，纖維素乙醇生產(chǎn)采用纖維素酶的成本是淀粉乙醇淀粉酶成本的50～200倍。因此，目前從酶制劑公司購買纖維素酶商品酶制劑來用于木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)糖，在經(jīng)濟(jì)上無法達(dá)到商業(yè)化要求。近年來，許多科學(xué)家提出了采用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)(On-site production)的方式來降低纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶成本的辦法，即采用在乙醇工廠中建立纖維素酶車間的方式，先以工廠中預(yù)處理之后的一部分木質(zhì)纖維素為原料進(jìn)行有氧的產(chǎn)酶發(fā)酵，當(dāng)酶活達(dá)到峰值或各種酶組分處于最佳組合時(shí)，不經(jīng)任何處理，直接將含酶的粗發(fā)酵液與新的纖維素原料混合，進(jìn)入水解產(chǎn)糖或同步糖化發(fā)酵的后續(xù)工藝。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)出的粗酶液不需要經(jīng)過分離、儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，從而去掉了移除菌絲、濃縮、調(diào)配(添加蛋白質(zhì)保護(hù)劑、抗菌劑、穩(wěn)定劑等化學(xué)藥品)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)炔槐匾母甙撼杀荆鴮⒋置敢褐苯佑糜谙掠喂に?。由于產(chǎn)酶發(fā)酵液中的纖維類成分與酶蛋白有一定吸附作用，直接使用粗酶液可避免相應(yīng)分離造成的損失，有研究表明，未經(jīng)過加工的粗酶液和酶制劑商品相比，有更高的酶水解效率。

纖維素酶現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)的核心是優(yōu)良的纖維素酶工業(yè)生產(chǎn)菌株。目前，瑞氏木霉是世界上研究和應(yīng)用最廣泛的纖維素酶工業(yè)微生物。國(guó)際兩大酶制劑巨頭——諾維信和杰能科公司從美國(guó)能源部獲得了數(shù)千萬美元的資助，在瑞氏木霉的纖維素酶生產(chǎn)研發(fā)領(lǐng)域均取得了突出的研究成果，申請(qǐng)了許多專利保護(hù)。我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平的，所以在今后瑞氏木霉的纖維素酶生產(chǎn)研發(fā)過程中，很可能遭遇專利保護(hù)的堡壘。

山東大學(xué)曲音波等早于 1979年就從腐爛的纖維素樣品中篩選出來一株纖維素酶高產(chǎn)的斜臥青霉Penicillium decumbens菌株，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的纖維素酶工業(yè)菌株，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用了30年。它不僅能分泌比較完整的降解天然木質(zhì)纖維素的酶系，而且較瑞氏木霉能產(chǎn)較多的 β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶。同時(shí)青霉的生長(zhǎng)速度明顯較木霉快，其纖維素酶在50℃下具有比木霉更好的熱穩(wěn)定性[11]。近年來，斜臥青霉的纖維素酶合成調(diào)控相關(guān)研究取得了一系列的進(jìn)展[12-13]。它的基因組測(cè)序工作也已經(jīng)完成，基因組解析工作正在有序地進(jìn)行中。研究中發(fā)現(xiàn)，斜臥青霉基因組中含有纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域(CBM1)的降解酶的種類明顯高于曲霉和瑞氏木霉(結(jié)果未發(fā)表)，顯示了該菌酶系光明的應(yīng)用前景。

經(jīng)過了長(zhǎng)期的育種改良和發(fā)酵工藝優(yōu)化，斜臥青霉變異菌株的最高濾紙酶活達(dá)到了18.9 FPU/mL，最高纖維素酶生產(chǎn)速率達(dá)到了 160.0 FPU/(h·L)(結(jié)果未發(fā)表)。通過使用同步糖化發(fā)酵和補(bǔ)料分批技術(shù)，我們已經(jīng)成功地使纖維素乙醇的斜臥青霉纖維素酶用酶量降低到 6.4 FPU/g 纖維素底物，優(yōu)于前述國(guó)外報(bào)道的先進(jìn)水平。乙醇濃度、得率和纖維素轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了57.6 g/L、25.0%和76.8%[14]，纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)具備了一定的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，能源和環(huán)境的壓力迫使我國(guó)急需將木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)糖技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。我們應(yīng)該以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)菌株(如斜臥青霉)為核心，借鑒國(guó)外成功和失敗的經(jīng)驗(yàn)，充分考慮中國(guó)國(guó)情，發(fā)揮原料和人力低成本的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、符合我國(guó)國(guó)情的木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)糖技術(shù)。只有這樣，我國(guó)才能在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中把握主動(dòng)，促使我國(guó)工業(yè)向環(huán)保型工業(yè)轉(zhuǎn)型。

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Progress on cellulase and enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass

Xu Fang1,2, Yuqi Qin1,2, Xuezhi Li1,2, Lushan Wang1, Tianhong Wang1, Mingtian Zhu1,2,and Yinbo Qu1,2
1 State Key Laboratory of Microbial Technology, Shandong University, Jinan 250100, China 2 National Glycoengineering Research Center, Shandong University, Jinan 250100, China

Received:May 20, 2010;Accepted:June 23, 2010

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(Nos.2006AA020201, 2007AA05Z455),Independent Innovation Foundation of Shandong University(No.2009DX002).

Corresponding author:Yinbo Qu.Tel: +86-531-88365954; Fax: +86-531-88565234; E-mail: quyinbo@sdu.edu.cn國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)(Nos.2006AA020201, 2007AA05Z455)，山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金(No.2009DX002)資助。