【精品】纖維素酶的研究進(jìn)展

1、發(fā)酵工藝學(xué)課程論文纖維素酶發(fā)酵的研究進(jìn)展姓名：宋姍姍學(xué)號(hào)：20070144021學(xué)院：材料與化工專(zhuān)業(yè)班級(jí)：生物工程（1）班指導(dǎo)教師：羅先群分?jǐn)?shù):2010年11月22日纖維素酶發(fā)酵的研究進(jìn)展宋姍姍20070144021生工(1)班 摘要：纖維索酶是糖甘水解酶的一-種，它可以將纖維素物質(zhì)水解成簡(jiǎn)單糖,進(jìn)而發(fā)酵產(chǎn)生乙醇, 從血解決農(nóng)業(yè)、再牛能源及環(huán)境污染等問(wèn)題。初期的研究主耍集中在對(duì)微牛物纖維素酶的研 究。本文對(duì)纖維素酶的概念、作用機(jī)理和發(fā)酵丄藝國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展作了綜述以及對(duì)其發(fā)展前景 述行了展望。關(guān)鍵詞：纖維索悔；來(lái)源；作用機(jī)理；發(fā)酵1纖維索酶及其作用機(jī)理纖維素酶(cellulose)又稱(chēng)纖維素酶系，

2、是一類(lèi)復(fù)雜的復(fù)合物，是 所有參與降解纖維素并將其最終轉(zhuǎn)化為葡萄糖的各種酶的總稱(chēng)，分為 真菌纖維素酶和細(xì)菌纖維素酶。由于細(xì)菌纖維素酶活性和產(chǎn)量低，工業(yè)應(yīng)用前景不大，故目前的研究主要針對(duì)真菌纖維索酶。真菌纖維索酶由三類(lèi)酶組成：(1)葡聚糖內(nèi)切酶(eg), 一般作用于纖維索內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)，隨機(jī)水解bl, 4糖廿鍵，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素。(2)葡聚糖外切酶(bh),作用于纖維素線(xiàn)狀分子末端的b丄4-糖苜鍵，每次切下一個(gè)纖維二糖分子。(3) b 葡聚糖昔酶(bg),一般將纖維二糖水解成葡萄糖。纖維素酶降解纖維素的過(guò)程是由吸附到纖維素上開(kāi)始的，纖維素酶對(duì)纖維素的降解可以是單一酶作用，也 可

3、以是多酶協(xié)同降解作用。2纖維素酶的來(lái)源及發(fā)酵生產(chǎn)丁業(yè)生產(chǎn)的纖維素酶主要由真菌產(chǎn)生，如木霉(trichoderma sp.)、青霉(penicillium sp)、曲霉(aspergillus sp)以及腐質(zhì)霉(humicola sp)等。其中最著名的是t.reesei,它產(chǎn)生的纖維素酶具 有酶譜全、活力高的特點(diǎn)。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，從野生菌株t.reesei qm6a出發(fā)進(jìn)行了大量的篩選育種工作。其中qm9414、rutc30和 mcg77能夠產(chǎn)生較高的內(nèi)切型和外切型葡聚糖酶活力,是目前國(guó)內(nèi)外 生產(chǎn)酸性纖維索酶的主要菌種。腐質(zhì)霉是中性纖維索酶的重要生產(chǎn)菌 種；黑曲霉產(chǎn)生的纖維素酶可以用于食

4、品工業(yè)；青霉除了產(chǎn)生大量的 纖維素酶外還可產(chǎn)半較高的葡萄糖甘酶，可以彌補(bǔ)木霉產(chǎn)葡萄糖昔酶 不足的缺點(diǎn)。細(xì)菌和放線(xiàn)菌等也能夠產(chǎn)生纖維素酶，它們產(chǎn)生的纖維素酶往往 具有耐堿耐熱的特點(diǎn)，如洗滌劑工業(yè)用的堿性纖維素酶就是由嗜堿芽 胞桿菌產(chǎn)生。細(xì)菌產(chǎn)生的纖維素酶除了傳統(tǒng)的內(nèi)切、外切纖維素酶外, 還會(huì)分泌一種纖維小體(cellu-losome倒胞外，纖維小體由多種纖維素 酶和半纖維素酶組成，具有較高的水解纖維素的能力，在纖維廢棄物 的處理上具有很大的應(yīng)用潛力。纖維素酶的生產(chǎn)主要有液體和固體發(fā)酵兩種形式。液體深層發(fā)酵 (liquid submerged fermen一tation, lsf)適于人規(guī)模工業(yè)生

5、產(chǎn)，是 u 前國(guó)際上的主要生產(chǎn)方式，但發(fā)酵成本較高。固體發(fā)酵(solid. state fermentation, ssf)以農(nóng)作物秸稈等纖維廢棄物為主要原料,工藝簡(jiǎn) 單，成本低廉，節(jié)約水源，冃前國(guó)內(nèi)絕大部分纖維素酶生產(chǎn)廠家均采用固體發(fā)酵生產(chǎn)纖維索酶。然而固體發(fā)酵法也存在容易雜菌、產(chǎn) 品質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端。通過(guò)菌種改造以及發(fā)酵工藝的改進(jìn)，t. reesei 生產(chǎn)纖維素酶的能力得到了很大的提高，下表2顯示口 1972年以來(lái) 該菌種產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵水平。最近幾年在篩選發(fā)現(xiàn)新的纖維素酶產(chǎn) 生菌方面有很大進(jìn)展，其屮嗜熱菌melanocarpus sp可產(chǎn)生較高活力的耐熱、中性纖維素酶，有可能成為一個(gè)產(chǎn)纖

6、維素酶的優(yōu)良菌株。目前纖維素酶產(chǎn)生菌的篩選趨勢(shì)除了尋找高活力的產(chǎn)酶菌外，再就是 尋找具有特殊活性的產(chǎn)酶菌株，如中性、堿性纖維索酶，低溫、高溫纖維索酶等。表2 t. reesei液體發(fā)酵產(chǎn)纖維素薦的進(jìn)展table 2 improvement in cellulase production of t. rewei in lsf年份菌株及發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)酶水平.1972野生菌株qm6b分批培養(yǎng)3 iu lh"1974qm941410 iu lh'11978mcg77連續(xù)培養(yǎng)32 iu lh-11981rutc3078 iu l"h！1982rutc30加料分批培養(yǎng)140 iu

7、l"h"1984p37加料分批培養(yǎng)395 iu lh"1989篩選菌株連續(xù)培養(yǎng)730 iu l"h2002mcg80的工程菌300 -500 iu 注拿iu指纖維素酶產(chǎn)iliu/ml描發(fā)酵產(chǎn)酶活力; 以cmc為底物3纖維素酶發(fā)酵3. 1纖維素酶的發(fā)酵方法纖維素酶的生產(chǎn)有固體發(fā)酵和液體深層發(fā)酵兩種方法。固體發(fā)酵 法是以玉米、稻草等植物秸桿為主要原料，投資少，工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品 價(jià)格低廉。例如王菁莎，王頡，周家楠等i口人對(duì)里氏木霉lw 1采用 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，利用廉價(jià)的原料就皮和玉米秸稈為碳源，1%硫酸鍍?yōu)榈?，在秸稈粉：麥m = 1： h料水比為1： 2的固體發(fā)

8、酵培養(yǎng)基 上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析，在發(fā)酵溫度為28°c,初始phjiff5.5,發(fā)酵周期為72h時(shí)，產(chǎn)酶活力最高，測(cè)得發(fā)酵液中fpa酶活 119. 417u/g干物質(zhì)，cmc酶活為452.433u / g干物質(zhì)。然而固體 發(fā)酵法存在著根本上的缺陷。不可能像液體發(fā)酵那樣隨著規(guī)模的擴(kuò) 大，成本大幅度下降。所得纖維索酶難提取、精制，產(chǎn)品外觀粗糙， 成品質(zhì)量不穩(wěn)定，雜質(zhì)含量高。目前國(guó)內(nèi)外大都在探索液體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶?？禆|亮，呂世峰 等同人對(duì)里氏木霉r3液體深層發(fā)酵，發(fā)酵96h時(shí)，維持ph值在5.0 時(shí)fpa酶活力最高，維持ph值在4.5吋cmc酶活力最高，在采取 分段控制溫度、p

9、h值和溶氧時(shí)發(fā)酵時(shí)間明顯延長(zhǎng)，產(chǎn)酶高峰由96h 延長(zhǎng)至120h,產(chǎn)酶量也大大增加。發(fā)酵溫度控制在30°c時(shí)雖然峰值 出現(xiàn)稍晚，但峰值最大，酶活力最高，fpa酶活達(dá)到48. 9 fpiu /ml, cmc酶活達(dá)到32168 iu / mlo液體發(fā)酵雖有發(fā)酵動(dòng)力消耗 大、設(shè)備要求高等缺點(diǎn)，但液體發(fā)酵原料利用率高、生產(chǎn)條件易控制、 產(chǎn)量高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)又使該方法成為發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶必然趨勢(shì)。jiffr srinivas and t panda應(yīng)用界面響應(yīng)方法對(duì)ml 4和m62中的纖維素酶的ph和溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，可以影響酶的穩(wěn)定性組合的最 重要的物理參

10、數(shù)是ph和溫度。根據(jù)不同ph和溫度組合，用正交實(shí) 驗(yàn)方法確定合適的，以提高酶的穩(wěn)定性。得岀從香毛溫簇類(lèi)生產(chǎn)纖維 素酶的最優(yōu)ph植和溫度,m14： ph 5.7溫度，41.78度,m62： ph 5.3溫度43.8度,木酶qm9414的最優(yōu)ph值4.31和溫度38.38。他們還認(rèn)為可以進(jìn)行進(jìn)一步研究，酶在較高的溫度和極端的ph值下的熱穩(wěn)定性。這很重要，因?yàn)檠杆偈Щ顣?huì)制約生產(chǎn)過(guò)程效率,而 酶鈍化和熱力表征方面的知識(shí)己取得很大進(jìn)步，這對(duì)生物過(guò)程的可行 性是非常必要的。3. 2發(fā)酵條件優(yōu)化沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院林英，秦萍，杜志強(qiáng)，張信信等人對(duì)誘變菌株綠色木霉f-uv產(chǎn)纖維素酶條件進(jìn)行了研究。培養(yǎng)

11、基 的組成、配比、培養(yǎng)條件等都會(huì)對(duì)菌種產(chǎn)生的纖維素酶酶活造成一定 的影響。進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)得出菌株f-uv264的最適產(chǎn)酶條件。不同 氮源對(duì)產(chǎn)酶影響較大，在相同加入量條件下,發(fā)酵培養(yǎng)基以1%（nh4）2scu和2%酵母膏為氮源時(shí)最佳。在培養(yǎng)基中再加入適宜的表面活性劑一洗衣粉（主要成分為烷基苯磺酸鈉），含量（占基質(zhì)的重量百分 比）為3%吋纖維素酶酶活最高。當(dāng)mandels營(yíng)養(yǎng)鹽并選擇裁皮與稻草 粉比例為h 3以及適宜的加水量（應(yīng)為原料的34倍）時(shí)，纖維素酶酶 活可有明顯的提高。選擇起始ph值為4656,在30°c發(fā)酵96jiff135 h條件下，纖維素酶酶活達(dá)到最高值。通氣量對(duì)產(chǎn)酶的影響

12、，在 250m l三角瓶中按產(chǎn)酶基本培養(yǎng)基的配制比例加入干料量6g吋菌株 的代謝最旺盛，最有利于酶的分泌。湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院劉佳，袁興中，曾光明，時(shí)進(jìn)鋼，研究發(fā)現(xiàn)添加鼠李糖脂能夠促進(jìn)綠色木霉產(chǎn)酶,分別使濾紙酶活、竣甲基纖維素酶活、微晶纖維索酶活最大提高了 1.08倍、1.6倍和1.03倍。與tween80相比，鼠李糖脂促進(jìn)產(chǎn)酶的效果明顯優(yōu)于tweensoo而內(nèi)江師范學(xué)院李剛，李學(xué)，袁虎， 江春梅等人對(duì)里氏目酶accc30449分泌的纖維素酶酶解條件比較最 適作用ph為5,當(dāng)作用底物為玉米秸桿和稻草吋，玉米秸桿：稻草 =3： 1時(shí)，纖維素的分解速率最高為11.20%。加堿和高壓蒸煮仍是

13、提高accc30449菌株纖維素酶活力的有效方法。4總結(jié)與展望纖維素酶具有非常廣泛的應(yīng)用前景，纖維素酶不但在食品、發(fā)酵、 紡織、飼料等工業(yè)方面有很大的應(yīng)用潛力，還可應(yīng)用于造紙、醫(yī)藥保 健、石油開(kāi)采、新型能源、環(huán)保以及用于洗滌劑等行業(yè)。此外，還有 一些很有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域正在開(kāi)拓。纖維素來(lái)源十分廣泛，成本低， 如果纖維素酶的應(yīng)用可以推廣到纖維素可應(yīng)用的所有領(lǐng)域，不但可以 提高產(chǎn)品質(zhì)量，原料利用率，而目，大大降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)而會(huì)捉 高市場(chǎng)消費(fèi)量，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。當(dāng)前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有纖維素酶的生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)，產(chǎn)品的壟斷造成市場(chǎng)價(jià)格奇高不下。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家少、生產(chǎn)規(guī)模小，應(yīng)用技術(shù)尚需進(jìn)一步攻關(guān),

14、產(chǎn)品供應(yīng)以進(jìn)口為主，供需矛盾較人。但是隨著對(duì)纖維素酶研究的不斷深入,以及生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)以及基因工程等多種交叉學(xué)科的快速發(fā)展，獲得適合 工業(yè)生產(chǎn)的高比活力的纖維素酶將不再是可望而不可及的了，我們相 信隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的進(jìn)展，纖維索酶工藝的發(fā)展將提高到一個(gè)新的 水平。參考文獻(xiàn)：1. 李燕紅.趙輔昆纖維索酶的研究進(jìn)展期刊論文卜生命科學(xué)2005(05)2. 康東亮.呂壯峰.閻振麗里氏木霉r3液體深層發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶工藝優(yōu)化研究期刊論 文卜河南工業(yè)人學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2006(50)3. 王善莎.王頡.周家楠里氏木霉lw1固態(tài)發(fā)酵纖維素酶條件的研究期刊論文卜牛物學(xué) 雜志 2006(34)4. 梁敏.鄒東恢.王少艷纖維素酶的研究進(jìn)展與前景展望期刊論文卜食