嚴(yán)鴻林

上期回顧：上期主要介紹了纖維素酶在生產(chǎn)中的重要作用，重點(diǎn)闡述纖維素酶的分類及如何篩選產(chǎn)生纖維素酶的細(xì)菌。

中圖分類號：S851.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）11-0057-05

3? 使用深層液態(tài)發(fā)酵、固態(tài)發(fā)酵或者培養(yǎng)生產(chǎn)纖維素酶

發(fā)酵是一種通過多種微生物將復(fù)雜的底物轉(zhuǎn)化為簡單化合物的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。它被廣泛地用于生產(chǎn)纖維素酶，并已在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。多年來，由于其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢，發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)變得非常重要。由于其快速發(fā)展，目前存在兩種廣泛的發(fā)酵技術(shù)：即液態(tài)發(fā)酵（Submerged Fermentation，SmF）和固態(tài)發(fā)酵（Solid State Ferentation，SSF）。

3.1 固態(tài)發(fā)酵/固態(tài)培養(yǎng)

SSF利用固體底物，如麩皮、甘蔗渣、稻草、其他農(nóng)業(yè)廢棄物和紙漿。使用這些底物的主要優(yōu)點(diǎn)是它們養(yǎng)分豐富，且可以作為便宜的底物重復(fù)利用。SSF最適合于需要較少水量的真菌和微生物的發(fā)酵工藝。然而，它不能用于如細(xì)菌等高需水量微生物的發(fā)酵過程。

3.2 液態(tài)發(fā)酵/液態(tài)發(fā)酵

SmF利用自由流動(dòng)的液體底物，如糖蜜和肉湯。這種發(fā)酵技術(shù)最適合于如細(xì)菌等高需水量微生物。這種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品更易純化。

3.3 SmF和SSC方法的比較

傳統(tǒng)上使用SmF法生產(chǎn)纖維素酶，其中微生物培養(yǎng)于含有營養(yǎng)素的水溶液中。這種傳統(tǒng)SmF法的替代方法是SSC法，其中微生物在無游離液體的固體底物上生長。由于SSC與SmF相比液體量相對較少，因此SSC的后續(xù)處理在理論上會更簡單且更便宜（圖1和表3）。在過去的十年中，人們對SSC重新燃起了興趣，部分是由于對微生物認(rèn)識，包括轉(zhuǎn)基因生物（Genetically Modified Organism，GMO）在內(nèi)的許多微生物可以通過SSC更有效地生產(chǎn)其產(chǎn)品。SSC有三大優(yōu)勢，即：（1）較低的水和能源消耗;（2）較少的廢物流;（3）更高的產(chǎn)品濃度。并且，SmF生物合成纖維素酶的過程強(qiáng)烈地受到代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物的影響，而SSF發(fā)酵可顯著降低這種影響，具有較大的經(jīng)濟(jì)重要性。據(jù)文件報(bào)道，SSF技術(shù)利用了多達(dá)20%～30%底物，相比之下，SmF過程最多利用5%。

SSF通常是優(yōu)選的，因?yàn)樗峁┝嗽S多優(yōu)點(diǎn)，例如酶產(chǎn)量以及蛋白得率達(dá)兩倍高，培養(yǎng)基中產(chǎn)物的濃度較高，可直接使用風(fēng)干發(fā)酵固體作為酶的來源，使得下游加工費(fèi)用減少，可使用天然纖維素廢物作為底物，并且具有在非無菌條件下進(jìn)行發(fā)酵的可能性，相比之下，液態(tài)發(fā)酵（SmF）必須使用純纖維素。表4給出了一些纖維素酶產(chǎn)生菌發(fā)酵的例子。

4? 纖維素酶的定量方法

所有現(xiàn)有的纖維素酶活性分析可分為三種類型：（1） 水解后產(chǎn)物的積累量分析;（2） 底物量的減少測定;（3） 底物物理性質(zhì)的變化測定。大部分測定方法涉及水解產(chǎn)物的含量，包括還原糖、總糖和生色團(tuán)（表5）。

5? 纖維素酶產(chǎn)生菌及其特征（表6）

真菌和細(xì)菌因其有能力生產(chǎn)多種不同類型的纖維素酶和半纖維素酶而被開發(fā)。人們關(guān)注的重點(diǎn)都放在真菌的使用上，因?yàn)樗鼈冇心芰Ξa(chǎn)生高濃度的纖維素酶，通常沒有細(xì)菌纖維素酶復(fù)雜，且更容易提取和純化。因此，在快速生長的細(xì)菌宿主中通過重組更便捷地克隆和產(chǎn)生這些酶。然而，從細(xì)菌中分離和鑒定新的纖維素酶正在被廣泛利用。這些轉(zhuǎn)變有幾個(gè)原因：（1）細(xì)菌的生長速率通常比真菌高，能更高效產(chǎn)生重組酶;（2）細(xì)菌纖維素酶通常更復(fù)雜且存在于多酶復(fù)合酶系中，能提供更全面的功能和協(xié)同作用;（3）細(xì)菌棲息于廣泛的環(huán)境和工業(yè)生態(tài)中，如嗜熱或嗜冷，嗜堿性或嗜酸性和嗜鹽菌株，這使得纖維素分解菌對環(huán)境刺激有著最強(qiáng)的抗性。這些菌株可以在苛刻的條件下存活并產(chǎn)生纖維素分解酶，且這些在極端條件下產(chǎn)生的酶是穩(wěn)定的，因此可以用于生物轉(zhuǎn)化過程。這可能會增加酶的水解、發(fā)酵和產(chǎn)物回收率。現(xiàn)在研究人員正在把重點(diǎn)放在利用和改進(jìn)這些酶在生物燃料和生物制品行業(yè)的應(yīng)用。

許多細(xì)菌可以在纖維素上生長，且產(chǎn)生能降解可溶性纖維素衍生物或結(jié)晶纖維素?zé)o定形區(qū)域的酶。然而，僅有少量細(xì)菌能合成可廣泛降解自然界中存在的結(jié)晶物質(zhì)的完整酶系統(tǒng)。這些少量的細(xì)菌應(yīng)該被稱為“真正的纖維素分解”細(xì)菌，那些產(chǎn)生部分內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，但不是完整系統(tǒng)的細(xì)菌被稱為“假纖維素分解”細(xì)菌。這種假纖維分解菌可能是通過水平轉(zhuǎn)移從真正的纖維素分解菌中提取了編碼這些酶的基因。這里有從不同的環(huán)境中分離出不同類型的細(xì)菌產(chǎn)生纖維素酶。部分重要的細(xì)菌和其纖維素酶組分的特征如下。