纖維素酶概述課件

1、纖維素酶的概述,小組成員：牛 浩 李為珺 褚洪官 王龍偉,1,PPT學(xué)習(xí)交流,2,PPT學(xué)習(xí)交流,01,纖維素酶的簡介,3,PPT學(xué)習(xí)交流,纖維素酶：指由生物產(chǎn)生的一種多組分的混合蛋白質(zhì)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，能使不溶性纖維素材料水解成可溶性糖的生物催化劑的總稱。,纖維素酶的結(jié)構(gòu),兩個(gè)具有獨(dú)立活性的結(jié)構(gòu)域: 具有催化功能的結(jié)構(gòu)域(Catalytic domain, CD), 具有結(jié)合纖維素功能的結(jié)構(gòu)域(Cellulose binding domain, CBD), 兩者之間由一段高度糖基化的linker相連。整個(gè)分子呈楔形。,4,PPT學(xué)習(xí)交流,纖維素酶來源及分類,按照纖維素降解微生物和纖維素酶系之

2、間的關(guān)系，可將纖維素酶系分為三類： 一是對(duì)天然纖維素的降解能力比較弱，但可大量合成分泌到胞外的纖維素降解酶系，酶的組分是游離的，如常見的木霉、青霉的纖維素酶系； 二是對(duì)天然纖維素降解能力強(qiáng)，但分泌到胞外的纖維素酶系活力較低，如擔(dān)子菌類等； 三是對(duì)天然纖維素分解能力強(qiáng)，但基本無纖維素酶分泌到胞外，如厭氧細(xì)菌的纖維素酶系。,來源： 真菌(mainly)： 木霉屬、曲霉屬和青霉屬，如 綠色木霉菌,康寧木霉菌,黑曲霉，繩狀青霉、變幻青霉等. 細(xì)菌: 好氧菌：如纖維單胞菌屬、纖維弧菌屬、噬胞菌屬 厭氧菌：厭氧性的芽孢梭菌屬、產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、牛黃瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌等 超古菌：激烈火球菌

3、等. 放線菌: 好氧放線菌：生二素鏈霉菌 高溫單孢菌屬:彎曲高溫單孢菌及假諾卡氏菌屬等 植物、動(dòng)物及原生動(dòng)物: 蝸牛,蟑螂等.,5,PPT學(xué)習(xí)交流,纖維素酶對(duì)纖維素的作用機(jī)理,纖維素酶水解纖維素是-1,4 -內(nèi)切葡聚糖(纖維二糖水解)酶(EG,Endo- -Glucanase),-1,4-外切葡聚糖(纖維二糖水解)酶(CBH ,Cellobiohydrolase)和 -葡萄糖苷酶(BG, -Glucosidase)協(xié)同作用下進(jìn)行的 。首先,EG 酶隨機(jī)水解切斷無定型區(qū)的纖維素分子鏈 ,使結(jié)晶纖維素出現(xiàn)更多的纖維素分子基端, 為CBH酶水解纖維素創(chuàng)造條件, CBH酶的水解產(chǎn)物纖維二糖則由BG酶水

4、解成葡萄糖，因而纖維素酶水解纖維素的過程可以簡單表示為:EG CBH BG。 目前的研究表明,EG 酶實(shí)際上至少包括 EG、EG、EG 和EGV四種 , CBH至少包括CBH和CBH兩種。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,02,纖維素酶的應(yīng)用,7,PPT學(xué)習(xí)交流,在食品行業(yè)的應(yīng)用,纖維素酶在食品工業(yè)上的應(yīng)用更為廣泛。如用于豆腐生產(chǎn)中，能提高出品率 10%；用于制備速溶茶，可有效提高速溶茶的提取率；用于果蔬榨汁，能大大提高出汁率；用于大豆的提取，可提高優(yōu)質(zhì)蛋白得率，還可回收豆渣中的蛋白和油脂；用于淀粉的制造，能縮短制造時(shí)間，提高淀粉的出品率；用于煙草生產(chǎn)，改善煙草品質(zhì)；用于酒的釀造，提高出酒率 3%5%；用

5、于醬油的發(fā)酵，能提高醬油得率，改善醬油的風(fēng)味和品質(zhì)等,8,PPT學(xué)習(xí)交流,在造紙行業(yè)的應(yīng)用,一、纖維素酶法廢紙脫墨,酶處理法是采用酶進(jìn)攻油墨或纖維表面，纖維素酶則改變纖維表面或油墨離子附近的連接鍵，從而使油墨分離，經(jīng)洗滌或浮選法脫除。 優(yōu)點(diǎn)：降低能耗、減輕環(huán)境污染、脫墨率高,二、纖維素酶法處理改善紙漿性能,酶處理改善紙漿性能包括降低機(jī)械漿磨漿能耗 、提高化學(xué)漿的打漿性能和改善紙漿纖維性質(zhì)。酶處理還可改善磨漿性能，紙漿在磨漿之前，用纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理，可以改進(jìn)磨漿效果和濾水性能。,三、纖維素酶法處理改善纖維成紙性能,纖維素酶處理硫酸鹽漿能夠提高成紙的抗張指數(shù)；纖維素酶還能夠提高薄頁紙的柔軟性；纖

6、維素酶處理紙漿，還可改善纖維壓縮性，使紙頁微孔性下降、密度提高、透明度提高。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,在造紙行業(yè)的應(yīng)用,四、抑制導(dǎo)管脫落,纖維素酶能夠提高闊葉木導(dǎo)管的柔韌性 ，酶法處理能夠使導(dǎo)管脫落程度降低 ,同時(shí)，紙漿的濾水性 、平滑度和抗張強(qiáng)度都得到了提高。纖維素酶抑制導(dǎo)管脫落是由于減緩了前期結(jié)晶態(tài)纖維聚集的原因。,五、纖維素酶法預(yù)處理的硫酸鹽漿,纖維素酶法進(jìn)行預(yù)處理可以降低紙漿的硬度；或在相同的硬度下，降低化學(xué)藥品的用量和能源消耗。一項(xiàng)研究表明，常規(guī)硫酸鹽蒸煮在加入藥液以前采用粗纖維素酶片真空預(yù)浸漬木片 45% ，能夠降低所得漿的卡伯值。,10,PPT學(xué)習(xí)交流,2,三七總皂苷提高24,3,銀

7、杏葉中提取黃酮提高56,1,金銀花綠原酸提高26,中藥破壁提取,雖然目前纖維素酶用于植物藥效成分提取的研究尚不多見,但得出的結(jié)果比較一致,即酶解預(yù)處理能明顯提高植物藥有效成分的提取率。,在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用,11,PPT學(xué)習(xí)交流,在紡織行業(yè)的應(yīng)用,1、減量處理 減量處理主要是改善織物的柔軟、彈性和懸垂性。棉織物經(jīng)過纖維素酶整理后 , 手感和外觀可以有很大的改善 ,織物的硬挺度和剛性降低, 光滑度和懸垂性提高 ,能使織物獲得更好的手感。,2、生物拋光處理 生物拋光有如下優(yōu)點(diǎn) :織物表面更光潔 無茸毛;織物表面顯得更加均勻 ;減少起毛起球的趨向 ;增加懸垂性并具滑爽手感 ;處理的織物更具有環(huán)保意義 。

8、經(jīng)過生物拋光處理的織物還有諸多優(yōu)點(diǎn) :穿著洗滌不易起球, 染色鮮艷 ,保色保新時(shí)間長 ,尤其對(duì)印花織物效果更好。,3、水洗和石磨處理 與傳統(tǒng)的石磨工藝相比, 酶洗工藝條件溫和 ,耗能降低, 減少了服裝和設(shè)備的磨損, 水洗效率高;與傳統(tǒng)的化學(xué)助劑整理工藝相比,酶洗工藝大大減少了污水排放,有利于環(huán)境保護(hù)。,纖維素酶石磨水洗的牛仔褲,12,PPT學(xué)習(xí)交流,在洗滌劑行業(yè)的應(yīng)用,目前在加酶洗衣粉中使用的共有4種：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纖維素酶。它們有著對(duì)污垢的特殊去污能力，并且具有在洗衣粉配方中所占成本較少而洗滌效果提高很大的特性。,13,PPT學(xué)習(xí)交流,在飼料行業(yè)的應(yīng)用,纖維素是自然界中十分豐富的資

9、源，可通過用纖維素酶來有效利用農(nóng)副產(chǎn)品的腳料秸稈和糠類來作為飼料，進(jìn)而提高畜禽的生產(chǎn)性能，提高飼料的消化率和利用率，改善飼料的營養(yǎng)價(jià)值，提高經(jīng)濟(jì)效益，故而纖維素酶具有廣闊的發(fā)展前景!,14,PPT學(xué)習(xí)交流,03,纖維素酶的制備工藝,15,PPT學(xué)習(xí)交流,固體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶,固體發(fā)酵法又稱麩曲培養(yǎng)法。主要原料一般是麩皮、米糠等。農(nóng)作物秸稈、甘薯渣、玉米粉、豆粕、壓扁谷粒等通常也可以作為主要原料或輔助原料。 固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶工藝流程圖如 1 所示。首先對(duì)發(fā)酵原料滅菌，然后將菌種接入到與適當(dāng)?shù)乃浞只旌系呐囵B(yǎng)基中，選擇適宜的溫度和濕度進(jìn)行發(fā)酵，最后用緩沖溶液（或無菌水）抽提纖維素酶，即可得到粗

10、酶液。 優(yōu)點(diǎn)：發(fā)酵條件接近于自然狀態(tài)下的真菌生長習(xí)性，產(chǎn)酶量一般比液體發(fā)酵法高出 23 倍，產(chǎn)生的酶系更全，有利于降解天然纖維素，固體纖維素酶曲可直接用于纖維素糖化。次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)菌體的分裂增值影響較小。能耗低，發(fā)酵過程需要通入少量低壓無菌的空氣，不 需攪拌。固體發(fā)酵對(duì)水活度要求較低，發(fā)酵過程 中可一定程度上避免外源性污染。所用原料比較 簡單，后處理設(shè)備少，生產(chǎn)成本低。,16,PPT學(xué)習(xí)交流,液體深層發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶,液體發(fā)酵法(SP)是指將微生物接種到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)的方法。液體發(fā)酵法分為液體表層發(fā)酵法和液體深層發(fā)酵法。 纖維素酶液態(tài)發(fā)酵通常是將秸稈粉、玉米芯、麩皮等原材料經(jīng)粉碎等預(yù)處理

11、后進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，然后送至發(fā)酵罐內(nèi)，同時(shí)接入纖維素酶菌種，從罐底部通入無菌空氣進(jìn)行物料的氣流攪拌，發(fā)酵過程控制適宜的溫度、pH 值等發(fā)酵條件，其工藝流程如圖 2 所示。,優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高、包容性及發(fā)酵容量大等。 缺點(diǎn)：動(dòng)力消耗大、設(shè)備要求高、生產(chǎn)成本高等。,西方發(fā)達(dá)國家己逐步用該技術(shù)取代固體發(fā)酵技術(shù)來生產(chǎn)各種抗生素及酶制劑,目前國內(nèi)外大都在探索液體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,固-液交替新型發(fā)酵工藝,固定化細(xì)胞技術(shù),混菌發(fā)酵,其他發(fā)酵工藝,技術(shù)：目前在纖維素酶生產(chǎn)中使用的生物床及固定化細(xì)胞等技術(shù)，就是有效地將固體發(fā)酵與液體發(fā)酵相融合的典范，綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，更適于規(guī)模化生產(chǎn)。,技

12、術(shù)：具有減少對(duì)細(xì)胞的剪切傷害，提高產(chǎn)物的制備效率，提高產(chǎn)品收率，方便產(chǎn)物回收，同時(shí)可降低產(chǎn)物的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn) 連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。,技術(shù)：操作簡單，且可以提高發(fā)酵效率甚至形成新產(chǎn)品，從而取得與復(fù)雜 DNA 體外重組技術(shù)類似的效果。 進(jìn)行混菌發(fā)酵時(shí)，由于不同菌種產(chǎn)生的纖維素酶系不同，除了可以對(duì)酶的各組分進(jìn)行補(bǔ)充優(yōu)化，混菌發(fā)酵還能減弱一些發(fā)酵過程中的抑制作用。,18,PPT學(xué)習(xí)交流,04,展望,19,PPT學(xué)習(xí)交流,纖維素酶具有非常廣闊的應(yīng)用前景 ,但由于纖維素酶的生產(chǎn)技術(shù)水平低下,設(shè)備落后 ,生產(chǎn)成本高 ,再加上其生物活性低等使得纖維素酶的應(yīng)用具有局限性。今后若能加強(qiáng)這方面的研究,使之盡早進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn),不僅可以提高纖維素酶