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纤维素酶的研究概述 摘要：由于纤维素酶对地球上广泛存在的纤维素具有水解作用，已经被应用于越来越多的领域。纤维素酶是多酶体系，它由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶三种组分组成，三种组分协同作用才能降解纤维素。不同菌种分泌的纤维素酶的三种组分比例不同，故其在发挥作用是的活性也有很大区别。因此，纤维素酶高产菌种的选育非常重要，主要手段有常规理化诱变、基因重组技术、基因定位突变技术、细胞融合技术。其在工业上主要采用液态发酵生产。 关键字：纤维素酶 菌种选育 液态发酵 1纤维素酶简介 纤维素酶是一组酶的总称，不是单成分酶，而是由多个酶起协同作用的多酶体系1906年Seillere在蜗牛的消化液中发现纤维素酶至今已有一百余年了，现在纤维素酶已被广泛应用于食品、酿酒、饲料加工、纺织、洗衣、农业等多个领域[1]。食品方面，纤维素酶被应用于果实和蔬菜加工、油料作物加工、茶叶加工、酒精生产、啤酒生产、食醋酿造、酱油酿造等生产工艺。在饲料工业中，纤维素酶用来制备低纤维饲料、饲料酶制剂、水解植物纤维生产饲料酵母。在纺织工业中，纤维素酶被用于纤维改性，真丝脱胶，染整的退浆、精炼、整理加工等方面。纤维素酶还被用于解决“白色污染”问题。纤维素酶用于造纸工业，利用外切纤维素酶只从末端切断纤维素的作用原理，可以提高纸张的光洁度[2]。 纤维素酶在自然界分布极为广泛，昆虫、软体动物、高等植物、细菌、放线菌和真菌都能产生纤维素酶[3]。反刍动物的瘤胃以及猪大肠也有分解纤维素的细菌存在。纤维素酶的来源主要有三方面：植物、动物和微生物。纤维素酶虽然在植物中广泛存在，且在植物发育的某些阶段发挥着水解细胞壁的作用，如果实成熟、蒂柄脱落等，但从植物中提取纤维素酶比较困难，且含量不高。很多食木性的动物及食草动物之所以可以以植物为食物来源，主要是因为其体内存在内源性的纤维素酶，但是依靠这类动物来进行工业化大规模生产也比较困难。工业化纤维素酶的生产主要采用微生物来进行。据不完全统计，20世纪60年代以来国内外共记录了产纤维素酶的菌株大约有53个属的几千个菌种。由于放线菌纤维素酶的产量极低，所以研究很少。细菌纤维素酶产量也不高，主要是葡聚糖内切酶，大多数对结晶纤维素没有降解活性，且所产生的酶是胞内酶或吸附在细胞壁上，不分泌到培养液中，增加了提取纯化的难度，所以工业上很少采用细菌作为生产菌株[4]。目前用于生产纤维素酶的微生物较多的是丝状真菌，其中酶活力较强的菌种为木霉、曲霉、根霉和青霉，以木霉属菌种居多，较为典型的有里氏木霉、绿色木霉、康氏、木霉。 2纤维素酶的组成与功能 1933年Grassman从一种真菌产生的纤维素酶系中分辨出两个组分。1950年，Resse等提出了著名的“C1-Cx”假说[5]来阐述纤维素酶的作用方式，该假说的主要观点为：纤维素酶是一个三组分的混合物，分别命名为C1酶、Cx酶 和β-葡萄糖苷酶。它们对纤维素的作用方式不同，C1酶作用于纤维素的结晶区，使之转变为可被Cx酶作用的形式；Cx酶随机水解非结晶纤维素、可溶性纤维素衍生物和葡萄糖的β-1，4-寡聚物；β-葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖。在水解天然纤维素（高结晶纤维素）时，C1酶和Cx酶是分阶段协调作用的，将已转化成无定形纤维素的部分水解为水溶性产物。 “C1-Cx”假说的提出引起了各国科学家对纤维素酶基础研究的极大兴趣。上世纪六十年代以来由于分子筛和离子交换树脂等技术的应用，纤维素酶的多组分性质得到了证实。但是，Resse等提出的C1酶和Cx酶分阶段水解纤维素的设想，即C1、Cx以及β-葡萄糖苷酶必须同时存在方能水解天然纤维素在以后的实验中并未获得证实，因为若先用C1酶与底物（结晶纤维素）作用，然后将C1酶与底物分开再加入Cx酶，其结果并不能将结晶纤维素水解。 Wood等人以及我国的微生物工作者分离鉴定了C1酶，改变了C1酶的非水解作用的概念。认为C1酶是一种水解酶，它不易作用于羧甲基纤维素，而能作用于结晶纤维素、磷酸膨胀纤维素等，主要产物是纤维二糖，因而证明C1酶基本上是一种β-1，4-葡聚糖纤维二糖水解酶。 Nisizawa等人发现Cx酶降低棉花聚合度的速度比C1酶快得多，因此认为Cx酶先作用于纤维素，产生聚合度较低的碎片，C1酶从这些碎片末端开始将其水解成可溶性糖。从这个意义而言，认为Reese等的“C1-Cx”假说应该颠倒过来，变为“Cx -C1”假说。 1980年以来，随着分子生物学的发展，人们对纤维素的研究取得了突破性进展，纤维素酶的作用方式也逐渐明朗。近期研究认为，C1、Cx都是水解酶，而且是包含多种异构酶的水解酶。为了避免混淆Reese和Nisizawa提出的两种截然相反的C1和Cx酶的概念，将这两种酶根据各自的作用方式重新命名为，内切葡聚糖酶（Endo