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微生物生产洗涤用碱性纤维素酶的研究进展 作者：李健 上海交通大学生命学院研究生 学号：1080809067 摘要：纯组分的碱性纤维素酶是洗涤剂工业中一种重要的水解酶。它的使用引起了洗涤剂工业的一次 技术革命。本文就碱性纤维素酶的产生菌、碱性纤维素酶的酶学特征，以及碱性纤维素酶的分子生物 学研究做相关综述。 引言 纤维素酶一般指用于降解纤维素的酶，是包括内切β-1,4 葡聚糖酶（endo-1,4- β-D-glucanase ）、外 切β-1，4 葡聚糖酶（exo-1,4- β-D-glucanase ）又称纤维二糖水解酶和β-1，4 葡萄糖苷酶（β-glucosidase ） 在内的多种组分的复合酶系。产纤维素酶的微生物很多，但主要有木霉属、曲霉属和青霉属等真菌。 由于纤维素是地球上数量最大的可再生资源，可降解转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于 人类社会的可持续性发展具有非常重要的意义。所以人们对纤维素酶的研究格外关注，自上个世纪初 开始已经过三个阶段：第一阶段是80 年代以前对纤维酶的分离纯化；第二阶段是1980 至1988 年利用 基因工程对纤维素酶基因进行克隆并测序；第三个阶段指 1988 以后利用结构生物学和蛋白质工程对纤 维素酶分子的结构和功能研究。但这些来自真菌的纤维素酶一般都是酸性纤维素酶。 而对碱性纤维素酶的研究由于不清楚其商业应用导致非常滞后，自20 世纪70 年代才开始研究， 是近20 年内现的新的酶种。现已发现其在食品、化工、造纸、麻纺、环保等领域均有重要应用。洗涤 剂用碱性纤维素酶的一般特征是，仅含单一内切-1，4- β-葡聚糖酶即CMCase 组分；在碱性环境下稳 定且具有较宽的pH 范围；在多各添加剂如表面活剂、金属离子、螯合剂和蛋白酶存在时保持高的活性。 水解酶类很早就是洗涤剂添加剂中工业酶的代表。最早用的是蛋白酶，它可以降解由于角蛋白或 弹性蛋白质在内的蛋白质污点，之后又有淀粉酶、脂酶等相继用于洗涤剂工业。直至 1970 年日本的 UNILIVER公司首先发现纤维素酶用于洗涤剂，可以使由于反复洗涤而发黄变硬的棉纤维织品恢复原来 的洁白和柔软；1972 年Horikoshi报道发现了嗜碱芽孢杆菌N-4 能产生碱性纤维素酶[1] 。由此拉开了碱 性纤维素酶研究的序幕。 1 碱性纤维素酶的作用机理 碱性纤维素酶一经发现用于洗涤剂用酶，就成了洗涤剂工业中的一个转折点。这是因为其非凡的 去污机理。当今社会纯棉制品的衣物倍受消费者青睐，其原因主要是它能透气、吸水。棉制品的这种 功能自然取决于它的结构。棉纤维的结构分为结晶区和非结晶区，结晶区的纤维素分子排列规则而紧 密，非结晶区纤维素分子则排列疏松。人体排出的体液、汗液正是侵入了纤维素分子的非结晶区，形 成了凝胶结构。洗涤时，洗衣粉中原有的酶包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等仅作用于污垢本身，经过 多次洗涤后，衣物一般会发黄、变硬。这时如加入有纤维素酶，则会直接攻击非结晶区，有效地软化、 水解纤维素分子与水、污垢形成的凝胶结构，使封闭在凝胶中的污垢容易地从纤维素非结晶区分离出 来，使织物恢复原来的鲜艳和柔软。也可以说洗涤剂中纤维素酶的加入引入一次技术革命。 2 碱性纤维素酶的生产菌株 产碱性纤维素酶的微生物很多，包括嗜碱微生物和耐碱微生物。嗜碱性微生物指菌株生长的最适 pH值在碱性环境如大于 9，甚至在 10~12 之间，在中性环境下则不能生长或生长缓慢；而耐碱性微生 物指其最适生长pH值在中性或酸性，但在碱性环境下也能生长。嗜碱微生物按其生理类群又可分为两 类，其一是嗜碱性菌株；另一类是嗜盐嗜碱菌。与嗜碱菌株相比，嗜盐嗜碱菌除了需要高碱性环境（pH [2] 大于9 ），还需要较高的盐浓度，如NaCl浓度可高达33 ％ 。 日本较早开始碱性纤维素酶的研究。其实在日本的古代就有利用碱性微生物的例子，如indigo发酵 中，（indigo是一种靛蓝染料）一般由专门的民间艺人来操作，其主要是控制pH值。在20 世纪70 年代 由日本Koki Horikoshi首先发现碱性纤维素酶在洗