纤维素与纤维素酶性质的初步研究

　　摘 要：纤维素是地球上取之不尽的生物能源，纤维素酶是用于水解纤维素的一类酶[1]，可将纤维素水解为葡萄糖，继而进一步发酵成乙醇等化工原料，在医药、化工、食品等行业具有实际的用途。

　　关键词：纤维素 纤维素酶 酶复合物 酶活

　　中图分类号：Q5 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）01-0306-01

　　一、纤维素

　　1.纤维素组成和结构

　　纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。是植物细胞壁的主要成分，且不溶于水及一般有机溶剂，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界含碳量的50%以上。其分子是由100-200条螺旋长链通过氢键结合而形成的纤维束，由于氢键的存在使纤维素水解变得困难。在纤维素中，分子排列整齐，定向良好，密度大的部分形成纤维素的结晶区，相反排列不整齐，定向差，密度小的部分形成纤维素的无定形区。纤维素的非结晶性区容易被酶水解，结晶程度高的纤维素难被酶解。

　　2.纤维素性质

　　纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量约50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基脱水葡萄糖[2]，其分子式为：（C6H10O5）n， 其化学组成含碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%。纤维素不溶于水及乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨溶液和铜乙二胺溶液等。纤维素加热到约150℃时不发生显著变化 ，超过此温度会由于脱水而逐渐焦化。

　　3.纤维素作用

　　纤维素是地球上最古老丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的可再生资源。早在160多年前，纤维素就是高分子化学的主要研究对象。全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达800万吨。此外，经分离纯化的纤维素可以制造人造丝以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物；也可制成甲基纤维素、聚阴离子纤维素等醚类衍生物，用于食品、化工、农业及医药等方面。

　　二、纤维素酶

　　1.概述

　　纤维素酶是酶的一种，在分解纤维素时起生物催化作用。广泛存在于自然界的生物体中，细菌、真菌、动物体内等都能产生纤维素酶。真菌一般用来生产纤维素酶，其中比较典型的有曲霉属、青霉属和木酶属纤维素酶种类繁多，来源很广。不同来源的纤维素酶其结构和功能相差很大。由于真菌纤维素酶产量高、活性大，故在畜牧业和饲料工业中应用的纤维素酶主要是真菌纤维素酶[3]。

　　2.纤维素酶组成

　　纤维素酶因其催化反应功能的不同，所以可分为外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶。外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端，释放葡萄糖或纤维二糖。β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区，产生不同长度的寡糖和新链的末端。

　　3.纤维素酶结构与功能

　　糖蛋白是纤维素酶的重要组成成分，糖基对其免受蛋白酶水解有一定的保护作用。大多数纤维素酶有一个球状的具有催化功能的催化活性区和一个具有结合纤维素功能的结合区（或吸附区），二者由一个富含脯氨酸或羚基氨基酸的柔韧连接桥连接，整个酶分子呈蝌蚪形。纤维素结合区CBD调节酶对可溶和不可溶底物的专一性活力，将酶分子连接到纤维素上，单独的CBD不具备对纤维素的水解能力，对酶的催化活力是非必需的，但CBD能破坏纤维素的超分子结构，形成短纤维，具有疏解结晶纤维素的能力，催化活性区对酶的催化活力起决定作用。Linder等研究表明；纤维素酶CBH除去CBD后对可溶性底物活力影响较小，而对结晶纤维素的吸附和水解活力则有明显降低。

　　4.纤维素酶降解纤维素机理

　　纤维素酶反应和一般酶反应不一样，主要区别在于纤维素酶是多组分酶系，且底物结构极其复杂。由于底物的水不溶性，纤维素酶的吸附作用代替了酶与底物形成的ES复合物过程。纤维素酶先特异性地吸附在底物纤维素上，然后在几种组分的协同作用下将纤维素分解成葡萄糖。

　　1950年，Reese等提出了C1-Cx假说，该假说认为必须以不同的酶协同作用，才能将纤维素彻底的水解为葡萄糖。协同作用一般认为是内切葡聚糖酶（C1酶）首先进攻纤维素的非结晶区，形成Cx所需的新的游离末端，然后由Cx酶从多糖链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位，最后由β-葡聚糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖[4]。不过，纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的，随后的研究中发现，C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必须同时存在才能水解天然纤维素。若先用C1酶作用结晶纤维素，然后除掉C1酶，再加入Cx酶，如此顺序作用却不能将结晶纤维素水解。

　　5.纤维素酶菌种的选育

　　能够利用和分解纤维素的物种不仅有真菌微生物，还有一些细菌和原生动物，但是由于细菌分泌的纤维素酶量少，产生的酶属胞内酶或者吸附于细胞壁上，故很少用细菌做纤维素酶的生产菌。随着生物技术的发展，已从四十多种细菌和数种真菌中克隆到了纤维素酶基因，其中一些酶基因已在大肠杆菌和酵母中得到表达[5]。

　　6.影响纤维素水解的主要因素

　　6.1酶复合物的组分及其比例

　　微生物产生的纤维素酶复合物不一定都有前述三类酶，因种类不同，差异较大。酶复合物的组分及其比例决定了它对纤维素的水解程度[6]。组分较齐，比例适当的酶复合物对纤维素的水解能力较强。以丝状真菌为例，能产生大量的纤维素酶（20g/L），三类酶比例适当，一般不聚集形成多酶复合体，能降解无定纤维素和结晶纤维素。

　　6.2酶活

　　一般菌株所产纤维素酶活性低，原因可能为纤维素降解难度大，纤维素酶解的转换率数比淀粉低12量级，使得在实际生产中应用成本太高。酶活较强的菌种有大霉、曲霉、根霉和青霉，特别是李氏木霉、绿色木霉、康氏木霉，是目前公认的较好的纤维素酶生产菌。

　　6.3反应条件

　　不同来源的纤维素酶有不同的最佳反应条件。常见的纤维素酶产生菌种，例如：木霉、青霉及曲霉，产生的酶一般是酸性酶，大约在45～65℃之间为酶的最适温度，最适pH值大多在4.0～5.5之间。一些耐碱性和嗜碱的细菌，如Bacillus属中的某些种，可以产生在碱性条件下保持较高活性的纤维素酶。至于海洋细菌，王玢等分离出的细菌产纤维素酶在35℃的条件下为最适反应温度，最适pH值为6.0，属酸性酶。

　　此外，酶的用量、激活剂、抑制剂等都会影响纤维素水解及其速率。从目前的研究来看，纤维素酶的激活剂主要有：钙离子和一些非离子表面活性剂纤；维素酶的抑制剂主要有：离子表面活性剂，植物中丹宁类、酚类成分。

　　三、展望与发展

　　随着人口增加、工业发展和石化资源的枯竭，如何综合有效地利用纤维素材料，引起世界各国的高度重视，并取得了一定的成果。目前，纤维素材料仅有1%左右用于建筑、纺织、造纸、燃料和饲料等方面[7]，大部分未被利用，一些被焚烧，既浪费资源又污染环境。纤维素材料经预处理后，通过纤维素酶水解成葡萄糖，进一步发酵生产各种产品。

　　参考文献

　　[1]胡寅，莫建初.国内外纤维素酶研究概括[J].城市害虫防治，2003，2：19-24

　　[2]张洪渊.生物化学教程.成都：四川大学出版社.1994，1-27.

　　[3]郝月，杨翔华，洪薪.纤维素酶的应用研究[J].青海科技，2005，（3）：31-36

　　[4]李宪臻，黄云站，徐德贵，等.天然纤维素的微生物降解机制研究进展[J].食品与发酵工业，1996，2：74-79

　　[5]张树政.酶制剂工业[M].北京：科学出版社，1984：36-38

　　[6]谢占玲，吴润.纤维素酶研究进展[J].草业科学2004， 21（4）：72-76

　　[7]朱知难.纤维素酶生产与应用[J].广东科技，1995， 9（10）：5-6

　　文/赵亚灿