美合熱阿依·木臺(tái)力甫，凱迪日耶·玉蘇普，王繼蓮

（喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，新疆喀什 844006）

1 纖維素酶來(lái)源

纖維素是自然界最廣泛存在的糖類物質(zhì)。由于石化燃料資源的日益缺乏，挖掘一種新的再生生物能源已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)話題[1]。纖維素酶是降解與糖化纖維素唯一高效催化酶，是一組催化水解木質(zhì)纖維素從而生成單糖的酶系總稱[2]。纖維素酶的來(lái)源較為廣泛，Seilliere從蝸牛消化液中發(fā)現(xiàn)了纖維素酶至今也有百余年的歷史。截至目前，在反芻動(dòng)物瘤胃、腸道、植物和昆蟲體內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)纖維素酶的報(bào)道[3-4]，包括微生物沉積物和濾食性動(dòng)物、微巨噬藻食性動(dòng)物、雜食動(dòng)物、草食性落葉和木材食性動(dòng)物的無(wú)脊椎動(dòng)物中也有報(bào)道[4]。由于這些酶資源稀少、成本較高、提取工藝難等條件的約束很少用到工業(yè)應(yīng)用上。微生物來(lái)源纖維素酶成本較低，而且提取工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，近期商業(yè)化纖維素酶基本由微生物所生產(chǎn)，再以利用基因工程的方法可提高纖維素酶的提取量。

1.1 環(huán)境微生物來(lái)源

目前，重點(diǎn)研究能產(chǎn)生纖維素降解酶的微生物包括真菌、細(xì)菌、放線菌。產(chǎn)纖維素酶的微生物種類繁多，產(chǎn)酶時(shí)有多種微生物相互作用，其中大部分難以培養(yǎng)，已分離到的有200多種。主要來(lái)源于堆肥、動(dòng)物瘤胃、厭氧污泥和土壤的微生物菌群[5]。由于真菌和細(xì)菌可以產(chǎn)生能夠廣泛降解微晶纖維素的高活性胞外酶，而且部分真菌和細(xì)菌能同時(shí)產(chǎn)生能夠降解微晶纖維素所需的全部3種纖維素酶[6]。維素酶系根據(jù)其性質(zhì)和功能主要可以分為內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶三大類，其酶系組分對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)的協(xié)同降解作用（見圖1）[7-8]。細(xì)菌在降解木質(zhì)纖維素方面應(yīng)用潛力較大，具有繁殖周期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗逆性強(qiáng)和耐酸堿等優(yōu)點(diǎn)[8]。好氧菌中降解纖維素能力較好的有噬纖維菌（Cytophaga）[9]、假單胞菌（Pseudomonas）[10]、熱酸菌（AcidThermus）[11]和芽孢桿菌（Bacillus）[12]，厭氧菌中降解纖維素能力較強(qiáng)的有梭菌（Clostridium）[13]、醋弧菌（Acetivibrio）[14]等。目前，已投入商品化的纖維素酶主要由木霉（Trichoderma spp.）和黑曲霉（Aspergillus niger）2個(gè)屬的菌株發(fā)酵產(chǎn)生[15]。

纖維素被纖維素酶組分協(xié)同水解見圖1。

圖1 纖維素被纖維素酶組分協(xié)同水解

1.2 工程菌產(chǎn)纖維素酶

利用基因工程的方法對(duì)纖維素酶基因進(jìn)行改造或者轉(zhuǎn)化，從而可以達(dá)到改善微生物產(chǎn)生纖維素酶的條件，得到高產(chǎn)量纖維素酶的目的。Camila Abreu B Silva Rabelo等人[16]利用分子生物學(xué)的研究方法對(duì)副梭菌纖維素酶基因進(jìn)行處理，使其蔗糖發(fā)酵過(guò)程剩余原料能更好地利用，從而生物轉(zhuǎn)化中生產(chǎn)更多的氫氣和有機(jī)酸。里氏木霉是纖維素酶商業(yè)化中的重要工程菌，其2個(gè)超纖維素降解突變體通過(guò)比較基因組學(xué)，敲出和融合其利于里氏木霉NG14生長(zhǎng)的基因片段，能讓里氏木霉快速上漲相比對(duì)照可提高其產(chǎn)酶率70%以上，秸稈木質(zhì)素粗酶處理后葡萄糖產(chǎn)量增加11.9%[17]。

2 纖維素酶在工業(yè)上應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 食品工業(yè)上的應(yīng)用

纖維素酶作為降解植物細(xì)胞壁中纖維素的主要催化劑，在果蔬加工、食品發(fā)酵、茶葉加工、糧油的生產(chǎn)及植物色素提取等方面有顯著的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)榫祁愥勗斓闹饕蠟楦吡?、玉米等木質(zhì)素含量較高的作物，在發(fā)酵過(guò)程中加入10～50μmol/min的纖維素酶，可提高酒精產(chǎn)量7.5%～23.8%[18～19]。桑葚濃縮汁的提取工藝中若加入2.6%的纖維素酶進(jìn)行酶解，可提高汁液提取率至81%以上，汁液當(dāng)中的維C和花青素含量也隨之升高[20]。田艷等人[21]利用纖維素酶做輔助超聲乙醇來(lái)提取火龍果色素，可以很好地提高色素的提取率，也可以縮短提取時(shí)間。朱秀清等人[22]的研究中纖維素酶結(jié)合其他蛋白酶，使冷榨大豆油的得率提高至70.6%，比沒(méi)有復(fù)合酶處理出油率提高了2.1%。最新研究得出，在大葉種紅茶發(fā)酵過(guò)程中加入一定比例的纖維素酶做輔酶可以顯著提高大葉種紅茶的品質(zhì)，還能不同程度地提高茶葉中的氨基酸、茶黃素、茶多酚等成分[23]。纖維素酶在食品科技研究中多以復(fù)合酶形式利用，在食品工業(yè)上逐漸成為重要的工程酶。

2.2 飼料工業(yè)上的應(yīng)用

纖維素酶作為可以有效無(wú)害的降解植物細(xì)胞壁及木質(zhì)素的生物降解劑，在動(dòng)物飼料的貯存、制備中廣泛應(yīng)用。添加纖維素酶或產(chǎn)纖維素酶的菌株制劑可以提高青貯飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，與乳酸菌混合添加還能延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，防止其變質(zhì)，縮短青貯時(shí)間[24-25]。在最新報(bào)道中也有把纖維素酶和植物乳桿菌作為莧菜和稻草混合青貯發(fā)酵的添加使用，能顯著抑制飼料的氧化腐敗，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，延長(zhǎng)貯存時(shí)間[26]。青貯飼料、黃貯飼料的原料基本均為玉米、小麥秸稈材料，其主要成分是木質(zhì)纖維素。秸稈傳統(tǒng)方法進(jìn)行青貯發(fā)酵，其保存時(shí)間，發(fā)酵品質(zhì)都不會(huì)很理想，而且木質(zhì)素本身在牲畜體內(nèi)分解率不高，基本靠腸道和瘤胃中的能分解纖維素的微生物來(lái)分解，因此傳統(tǒng)飼料在動(dòng)物體內(nèi)吸收率不是很理想。加入纖維素酶在發(fā)酵過(guò)程中可分解木質(zhì)素，給其他可降低pH值的微生物提供單糖，增加適口性及飼料的腸道吸收率[27]。

2.3 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維素酶可降解植物細(xì)胞壁，這固然在中藥活性成分的提取中起重要作用。中藥是中華民族的珍貴文化遺產(chǎn)，也是世界公認(rèn)的藥物類型。但是，不管是珍貴中醫(yī)藥材的有效成分提取還是中藥的產(chǎn)量化過(guò)程中所用的化學(xué)物理方法相對(duì)來(lái)說(shuō)成本較高，而且也有可能會(huì)破壞其藥效。酶解法來(lái)提取中藥中的活性成分不僅安全，而且也能提高其活性成分的提取率[28]。此外，纖維素酶還能抑制某些致病菌，如移植手術(shù)中常見的銅綠假單胞菌等致病菌生物膜的形成，可有效防止醫(yī)用植入后的感染[29]。最新報(bào)道還提到，若將纖維素酶制劑與用于靶向治療的慢性緩釋藥物包埋層聚合物羥丙基甲基纖維素（HPMC）聯(lián)合用，能有效控制藥物釋放量，并能夠縮短釋放延遲期[30]。

2.4 能源環(huán)境工程上的應(yīng)用

化石燃料的短缺及目前燃料造成的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，尋找新型再生能源、環(huán)保型能源燃料已迫在眉睫。張名佳[17]利用基因工程方法改造的副梭菌纖維素酶使蔗糖發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化中生產(chǎn)更多的氫氣和有機(jī)酸，既可以更好地處理蔗糖發(fā)酵后的殘余原料纖維素，又能提高新能源的產(chǎn)生。異源表達(dá)的β-葡萄糖苷酶可以顯著提高熱纖梭菌利用菇渣的產(chǎn)氫量，添加10 U/g底物的β-葡萄糖苷酶時(shí)氫氣產(chǎn)量提高37.1%[31-32]。類似于這種利用生物發(fā)酵的方法將廢棄物變?yōu)樵偕茉吹难芯拷舆B報(bào)道，如利用產(chǎn)纖維素酶的菌株來(lái)發(fā)酵木薯渣產(chǎn)氫，嗜熱性木質(zhì)纖維素酶在纖維素乙醇產(chǎn)生中的重要作用等[33-34]。

纖維素酶在微生物降解、再生能源中具有重要作用，而用可再生氫和生物乙醇替代化石能源改善總體環(huán)境影響[35]。

3 結(jié)語(yǔ)

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，纖維素在我國(guó)的產(chǎn)量較大，但利用率并不理想。產(chǎn)生的秸稈、纖維素廢渣大多進(jìn)行燃燒處理。這樣不僅不能更好地利用，反而還會(huì)造成環(huán)境污染。纖維素酶作為生物催化劑，可將這一難題很好地解決，將木質(zhì)纖維素降解為寶。若能很好地利用微生物發(fā)酵產(chǎn)酶等方法促進(jìn)其生產(chǎn)，在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及再生能源等方面的應(yīng)用價(jià)值會(huì)很高。