杜翠嬌 任 河 杜建敏 杜進(jìn)民

（1河北科技大學(xué)，石家莊 050018） （2張北縣衛(wèi)生監(jiān)督所，張家口 076450）

·綜述評論·

纖維素酶及其應(yīng)用

杜翠嬌1*任 河2杜建敏1杜進(jìn)民1

（1河北科技大學(xué)，石家莊 050018） （2張北縣衛(wèi)生監(jiān)督所，張家口 076450）

介紹了纖維素酶的來源、組成功能、作用機(jī)理及其在食品等各個領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并展望其發(fā)展前景。

纖維素酶；應(yīng)用；食品加工

纖維素是自然界中含量最多、分布最為廣泛的一種多糖物質(zhì)。據(jù)不完全統(tǒng)計，地球上的纖維素的碳含量占植物界的50%以上，其中僅有很少一部分纖維素得到利用，不僅造成資源浪費(fèi)，而且給城市造成大量的垃圾，污染環(huán)境。富含纖維素的農(nóng)副產(chǎn)品和工業(yè)廢料可通過纖維素酶進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化而加以利用。纖維素酶是由多種水解酶組成的復(fù)雜的酶系，能降解纖維素為結(jié)構(gòu)簡單的，可利用的葡萄糖。而葡萄糖是食品發(fā)酵的主要原料，同時也是人類生活的最基本的營養(yǎng)物質(zhì)。因此，不論是在國際上還是國內(nèi)都在致力于研究纖維素酶的各種性質(zhì)、功能及生產(chǎn)。

1 纖維素酶的來源、組成及功能

纖維素酶的來源非常廣泛，他廣泛存在于自然界的生物體中。能產(chǎn)生纖維素酶的生物體非常多，主要有昆蟲、細(xì)菌、放線菌、真菌等。其中，細(xì)菌和放線菌的產(chǎn)酶量非常低，且都是胞內(nèi)酶，大多數(shù)酶對結(jié)晶纖維素不具活性，因此對其研究比較少。目前，較多應(yīng)用于生產(chǎn)纖維素酶的微生物為絲狀真菌，其中木霉、曲霉、根霉和青霉是酶活力較強(qiáng)的菌種，而里斯木霉、康氏木霉、綠色木霉等比較典型，是目前為止公認(rèn)的比較好的纖維素酶生產(chǎn)菌?，F(xiàn)在，綠色木霉、鐮刀霉、黑曲霉以及斜臥青霉和擬青霉等的纖維素酶已制成制劑。

通常纖維素酶可根據(jù)其不同的催化反應(yīng)功能分為三種水解酶，分別為內(nèi)切葡聚糖酶（endoglucanase，EC 3.2.1.4） 簡稱C1或EG、外切葡聚糖酶（exoglucanase或 exoglucohydrolase，EC 3.2.1.91） 簡稱CBH和β-葡聚糖苷酶（β-glucosidase，EC 3.2.1.21）簡稱BG。纖維素在這三種酶共同作用下可降解為葡萄糖，這三種酶被稱為“完全纖維素酶系”。內(nèi)切葡聚糖酶作用在纖維素分子內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)域，隨機(jī)切割纖維素多糖鏈1，4-糖苷鍵，產(chǎn)生不同長度的有非還原末端的小分子纖維素；外切葡聚糖酶主要作用于纖維素線狀的分子末端，水解β-1，4-糖苷鍵，每次切下一個葡萄糖或纖維二糖分子；β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖及低分子量的纖維寡糖，產(chǎn)生兩分子的葡萄糖。

纖維素和幾丁質(zhì)分子結(jié)構(gòu)圖

2 纖維素酶的作用機(jī)理

纖維素酶的作用機(jī)理有很多種說法，對其的作用機(jī)理的分歧主要集中在纖維素酶如何使纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程上。目前，被普遍接受的主要有三種理論，分別為：協(xié)同理論、碎片理論和原初反應(yīng)假說。大部分研究人員比較認(rèn)同的理論是協(xié)同理論，其原理是：內(nèi)切葡聚糖酶首先進(jìn)攻纖維素的非結(jié)晶區(qū)，露出許多纖維素酶需要的末端。纖維素外切酶從多糖連的非還原末端依次分解為纖維二糖單位，其中一部分的降解纖維素進(jìn)一步由纖維二糖水解酶的協(xié)同作用，將其分解生成纖維低聚糖。再由β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖將其分解成為葡萄糖。

3 纖維素酶的應(yīng)用

目前，纖維素酶已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域，主要有食品、釀酒、環(huán)保、飼料加工、紡織、農(nóng)業(yè)、日化等方面。

3.1 水果和蔬菜加工

由于植物細(xì)胞壁的主要成分是果膠、纖維素和半纖維素等，因此，在水果與蔬菜加工的過程中適當(dāng)使用纖維素酶，可將纖維素水解成葡萄糖等有效成分。另一方面，還可使植物細(xì)胞壁發(fā)生不同程度變化，如軟化、膨脹、崩潰等，提高果蔬的可消化性，并使其口感更好。

在制備脫水蔬菜，如土豆、胡蘿卜等的時候，先使用適當(dāng)?shù)睦w維素酶處理后再干燥脫水，可以避免因熱燙、酸堿處理等造成的營養(yǎng)物質(zhì)損失。另外，果蔬中纖維素類物質(zhì)經(jīng)過纖維素酶的降解，可促進(jìn)果蔬的汁液榨取和澄清，能提高植物細(xì)胞壁通透性，有利于內(nèi)容物的滲出，從而提高細(xì)胞內(nèi)含物，如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等的提取效率，減少壓榨時間，簡化工藝。

3.2 白酒及其酒精生產(chǎn)

以纖維素為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，使用的是二段法，即先用纖維素酶將纖維素糖化，再經(jīng)酵母發(fā)酵成酒精。若在發(fā)酵過程中同時接入酒精發(fā)酵的酵母，酵母會將產(chǎn)生的葡萄糖立刻發(fā)酵成酒精，從而消除了葡萄糖對纖維素酶的抑制作用，此稱為一步法（或稱同時糖化發(fā)酵，SSF）。有實(shí)驗(yàn)證明一步法發(fā)酵的酒精得率是二段法的四倍。同時還提高了原料的利用率，降低了溶液的黏度。一步法不但縮短了發(fā)酵的時間，而且釀出的酒口感醇香，雜醇油的含量也極低。例如，在日本清酒的生產(chǎn)過程中，加入纖維素酶浸泡17 h和酵母同時糖化發(fā)酵，得到的清酒的基質(zhì)濃度為25 g/100g，酶濃度為0.5g/100g，單式糖化率可達(dá)58%。另外，糖化發(fā)酵時的纖維素幾乎完全分解。

3.3 茶葉加工

由于速溶茶飲用方便，沒有不容性的渣滓，并且可與果茶、奶茶等飲料調(diào)和，因此深受國際及國內(nèi)市場的歡迎。我國是著名的產(chǎn)茶大國，品質(zhì)和產(chǎn)量都居世界前列，因此速溶茶的制備有著重要點(diǎn)意義。茶葉中主要的有效成分為：①糖類、氨基酸以及由兩者形成的酯香味成分；②由皂角、咖啡因形成的苦味成分；③由單寧形成的微量的造香成分及澀味成分。傳統(tǒng)的生產(chǎn)常用熱水浸提法來提取茶葉里的有效成分。酶法低溫抽提，即先用纖維素酶將茶葉的細(xì)胞壁裂解抽提其中的有效成分，最后將含有有效成分的抽提液濃縮干燥便可制成可溶性茶。與傳統(tǒng)的熱法浸提法相比，此方法可提高有效成分的得率，同時還可保持茶葉原有的色香味。

3.4 活性物質(zhì)的提取

在活性物質(zhì)，如淀粉、蛋白質(zhì)、活性多糖等物質(zhì)的提取過程中，加入纖維素酶能大幅提高產(chǎn)品的收率。例如，在淀粉制造方面，使用纖維素酶處理可縮短時間，并提高收率。王志民等用纖維素酶處理纖維素的發(fā)酵方法有固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。如果用纖維素酶處理香菇4 h，多糖和可溶性固形物的提取率可比傳統(tǒng)的熱法浸提法提高 2.4倍和3.6倍。以大豆為原料，用纖維素酶及半纖維素酶浸泡，可促使其脫皮。同時，還可破壞大豆細(xì)胞壁使其中的油脂和蛋白質(zhì)分離，使優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)和水溶性蛋白質(zhì)及油脂的收率大大提高，因此提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。李世敏等人的實(shí)驗(yàn)證明，在金針菇多糖提取過程中，將其實(shí)體用纖維素酶水解后，再經(jīng)水浸提取，其收率顯著提高。段作營等人通過實(shí)驗(yàn)證明，在玉米胚芽油的生產(chǎn)過程中，使用纖維素酶對其進(jìn)行處理能大大提高玉米胚芽油的得率。

3.5 纖維素酶轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭?xì)胞蛋白

國內(nèi)外有許多成功利用纖維素產(chǎn)生單細(xì)胞蛋白的例子。利用纖維素酶生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的方式主要有兩類。其中一類是先用纖維素酶將纖維素水解，然后再經(jīng)微生物發(fā)酵生成單細(xì)胞蛋白。另一類是用纖維分解菌直接發(fā)酵來產(chǎn)生單細(xì)胞蛋白。

4 結(jié) 語

纖維素酶已廣泛應(yīng)用于包括食品在內(nèi)的各個領(lǐng)域，除了上述提到的領(lǐng)域外，還可以應(yīng)用于煙草品質(zhì)的改良以及傳統(tǒng)食品加工等領(lǐng)域。纖維素是地球上來源最為豐富、廉價、廣泛的生產(chǎn)原料，如果在應(yīng)用纖維素的所有領(lǐng)域都可利用纖維素酶的話，不但可以提高原料利用率以及產(chǎn)品質(zhì)量，并且可以大幅降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而增大市場消費(fèi)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

［1］王蘭芬.纖維素酶作用機(jī)理及開發(fā)應(yīng)用［J］.釀酒科技1997，84（6）：16-17.

［2］張啟先.纖維素和纖維素酶［J］.微生物學(xué)通報，1976，3（2）：33-36.

［3］王志民，陳祥貴.香菇營養(yǎng)成分的酶法提取及利用［J］.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1998，17（1）：46-49.

［4］高才昌，張樹政.酶制劑工業(yè)（下冊）［M］.北京：科學(xué)出版社，1984：595-624.

［5］李世敏，劉東.金針菇多糖提取新工藝的優(yōu)化［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2002，28（10）：45-48.

［6］余蜀宜，王傳槐.纖維素酶降解大豆細(xì)胞壁生產(chǎn)豆腐的研究［J］.食品科學(xué)，2001，20（4）：79-82.

［7］李珺，段作營，毛忠貴.玉米胚芽綜合利用的加工工藝研究［J］.糧油加工與食品機(jī)械，2002（3）：41-44.

［8］施安輝.經(jīng)濟(jì)微生物［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版，1989：46-53.

Research on cellulose and its apphcation

DUCui-jiao1*RENHe2DUJian-min1DUJin-min1
1（Hebei UniversityofScience and Technology，Shijiazhuang050018，China）
2（Zhangbei countyHealth Inspection center，Zhangjiakou 076450，China）

The resources，composition functions， reaction mechanisms，and its application in the food processing were introduced.The development trend in the future was prospected.

cellulose；application；food processing

TS261.1

A

1673-6004（2011）02-0006-02

* 杜翠嬌，女，1984年出生，2008年畢業(yè)于河北科技大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)，在讀碩士研究生。

2011-03-30