內蒙古師範大學
學年**
**題目：纖維素酶的性質、合成與應用
院系化學與環境科學學院
專業化學教育
授課語種蒙語
學生姓名烏仁塔娜
學號 20102103032
指導教師姓名烏雲
2023年8月12日
學年**目錄
摘要3關鍵詞3
1 纖維素酶介3
2 纖維素酶的性質4
3 纖維素酶的合成5 3.1 纖維素酶的**5 3.2.1 製取纖維素酶的菌種和方法6
3.2.2 產酶菌株選育及誘變育種6
3.2.3 dna體外重組技術術7
3.3.2 液體發酵法7
4 纖維素酶的應用8
4.1 在食品工業中的應用8
4.2 在飼料工業中的應用9
4.3 在水產業中的應用9
4.4 在洗滌劑工業中的應用9
4.5 在麻棉混紡織物後整理中的應用10
4.6 其它方面10
5 纖維素酶的展望10
5.1 進一步加強纖維素酶的作用機制研究10
5.1 進一步加強纖維素酶的作用機制研究11
5.2 酶的產量和活性都不高，成本偏高11
5.3加強纖維素酶檢測方法研究11
參考文獻11
纖維素酶的性質、合成與應用
烏仁塔娜（學號：20102103032）
（化學與環境科學學院化學系2010化學蒙班，內蒙古呼和浩特 010022）
指導老師：烏雲教授
摘要： 纖維素是地球上最豐富的生物質, 充分利用纖維素對解決人類所面臨的能源與糧食等問題有著至關重要韻作用, 纖維素酶是利用纖維素所必需的, 但由於其複雜性, 人們對它的研究還很不充分, 本文就纖維素酶的性質、應用及其環保意義作了概述。
關鍵詞：纖維素酶性質合成應用
前言：近幾年來, 由於能源、食品需要的增長, 由纖維素物質轉變為可發酵的糖引起了人們極大的注意力。由纖維素酶解產生葡萄糖是目前人們比較感興趣的方法之一。
但是到目前為止, 纖維素酶的生物轉化過程還未擴充套件到工業規模, 原因是纖維素酶的量和活力都較低, 因而不太經濟。所以人們一直在探索尋找高纖維素酶活的途徑。前幾年, 人們對纖維素酶的研究大多集中於高纖維素酶活菌株的培養、鑑定和篩選上。
近幾年來, 人們開始對纖維素酶的生理合成機制進行**。
1 纖維素酶簡介
眾所周知，纖維素佔植物乾重的35%～50%，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。對人類而言，它同時又是自然界中數量最大的可再生性物質，它的降解是自然界碳素迴圈的中心環節。
纖維素酶根據其催化反應功能的不同可分為內切葡聚醣酶（1,4-β-d-glucan glucanohydrolase或
endo-1,4-β-d-glucanase，ec3.2.1.
4），來自真菌的簡稱eg,來自細菌的簡稱cen、外切葡聚醣酶（1,4-β-d-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-β-d-glucannase，ec.3.2.
1.91），來自真菌的簡稱cbh,來自細菌的簡稱cex) 和β-葡聚糖苷酶（β-1,4- glucosidase，ec.3.
2.1.21）簡稱bg。
內切葡聚醣酶隨機切割纖維素多醣鏈內部的無定型區,產生不同長度的寡糖和新鏈的末端。外切葡聚醣酶作用於這些還原性和非還原性的纖維素多醣鏈的末端,釋放葡萄糖或纖維二糖。β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖產生兩分子的葡萄糖。
真菌纖維素酶產量高、活性大，在畜牧業和飼料工作中主要應用真菌**的纖維素酶。
纖維素和幾丁質分子結構圖
2 纖維素酶的性質
催化纖維素水解的酶。純品為白色，溶於水，高溫下失去活性。主要由內切葡聚醣酶、纖維二糖水解酶及β-葡萄糖苷酶三個部分組成，在各組中又可分離出各種分子量不同的亞組分。
纖維素酶可催化纖維素水解，成為低聚合度纖維素和葡萄糖。可利用它把纖維素發酵製糖、酒精和食品。用於飼料新增劑，可破解植物細胞壁，提高飼料利用率。
在紡織工業中用於牛仔服的生物水洗，代替傳統的石磨工藝；用於棉布的酶減量處理，使織物手感厚實柔軟；用於棉麻織物可除去織物表面的毛羽，使外觀光潔，減少刺癢感；可增大纖維素無定形區，提供良好的染色條件。用於中草藥可提高其有效成分的提取。可以提高酒和其他釀造產品的產率。
還可用於蔬菜汁或果汁的生產。在工業中有很大的實用價值。可用固體培養法，將含纖維素物質（稻草粉、廢紙漿、麥稈、玉公尺秸粉、麩皮等)新增適當的無機鹽類，用孢子液接種、培養、發酵、處理制得；也可用液體深層培養法，採用馬鈴薯斜面培養基和木黴斜面培養基將纖維素原料、硫銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、硫酸鎂、蛋白腖、酵母膏、葉溫-80、尿素、微量元素進行綠色木黴的斜面培養，將培養出的孢子進行發酵和後處理制得。
纖維素酶並不是一種簡單的酶, 而是由若干種互相關聯的酶組成的相當複雜的酶系。由於組成的複雜性, 使得提純困難,從而導致人們對其性質的研究很不透徹。一般說公尺, 纖維素酶主要由三類組份構成：
β一1，4 內切葡聚醣酶
β—纖維二糖水解酶,
β—葡萄糖昔酶
β一1，4 內切葡聚醣酶, 又稱一纖維素酶, 其底物為梭甲基纖維素一纖維素,中間產物為一些水溶性的纖維寡聚醣, 終產物則是葡萄糖與纖維二糖。純β一1，4 內切葡聚醣酶對晶體纖維素沒有水解能力。β—纖維二糖水解酶從纖維素醣鏈的非還原端將其水解為纖維二糖單位。
它對無定型纖維素與微晶纖維素有較強作用, 對一纖維素無作用,對晶體纖維素效果極弱。β—葡萄糖昔酶水解纖維二糖和水溶性的纖維寡聚醣形成葡萄糖。雖然它對纖維素無作用, 由於它可以消除上述兩種酶催化的反應終產物對反應的抑制作用, 從而大大促進反應程序, 因此β—葡萄糖昔酶在纖維素酶系中具有非常重要的作用。
纖維素酶系統具有「 協同作用」 是它的乙個顯著特點。所謂「 協同作用」 , 是指幾種酶的綜合性能遠遠大於各單個酶作用效能之和。
從傳統意義上講, 纖維素酶的**主要是真菌細菌的纖維素酶和真菌的纖維素酶具有顯著不同的性質, 它必須在細菌與纖維素相接觸的情況下才能水解纖維素。雖然在培養基中可以發現少量的纖維素酶, 但不具活性。這是因為細菌所產的纖維素酶絕大多數是胞內酶, 活力也較低, 因此直接從細菌分泌物中提取纖維素酶基本上是不可行的。
但是隨著基因工程技術的發展, 特別是重組技術的引入, 從細菌中生產纖維素酶的可行性日益增加了。由於細菌具有結構簡單、繁殖快等特點, 因此它是基因工程的主要材料。近年來, 由於對纖維素酶的基因研究取得了相當大的進展, 因此從細菌中提取纖維素酶將可能以其高效性而成為提取纖維素酶的乙個重要發展方向。
3 纖維素酶的合成
3.1 纖維素酶的**：
（1）真菌：所有能分解晶體纖維素的真菌，均能或多或少地分泌纖維素酶，所以纖維素酶的真菌源非常廣泛。目前研究和生產中採用的菌種大多是木黴，麴黴和青黴，根黴屬和漆斑黴屬等。
製成酶製劑的有綠色木黴、黑麴黴、鐮刀黴、擬青黴和斜臥青黴等的纖維素酶。
（2）細菌：在目前為人們研究較多的微生物中，細菌類有紅黃纖維弧菌、普通纖維弧菌、纖維單胞菌屬瘤胃球菌、鐮狀纖維菌和嗜纖維菌，多囊粘細菌，假單胞菌，螢光極毛桿菌。
此外，放線菌中的黑紅旋絲放線菌、玫瑰色放線菌和纖維放線菌，一些昆蟲、軟體動物、原生動物也能產生纖維素酶。纖維素酶的合成機制為誘導—阻遏機制, 它受纖維素降解物—葡萄糖或其他較容易代謝的糖的抑制, 使得纖維素酶的結構基因不能表達[2]。當外源葡萄糖被消耗掉後, 纖維素酶才可合成, 產生少量酶活。
根據這一點, 可篩選抗阻遏菌株, 來提高纖維素酶的酶活。
下面介紹一些常用的纖維素酶的合成工藝；
3.2.1 製取纖維素酶的菌種和方法
纖維素酶［4］**非常廣泛，昆蟲、微生物（細菌、放線菌、真菌等）都能產生纖維素酶，通過微生物發酵方法是大規模製備纖維素酶的有效途徑。不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，對纖維素的酶解能力也不大相同。由於放線菌的纖維素酶產量極低，研究很少。
細菌的產量也不高，主要是葡聚醣內切酶，且大多數對結晶纖維素沒有活性，所產生酶是胞內酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到細胞外，增加提取純化難度，在工業上很少應用。而絲狀真菌具有產酶諸多優點：產生纖維素酶為胞外酶，便於酶的分離和提取；產酶效率高，且產生纖維素酶的酶繫結構較為合理；同時可產生許多半纖維素酶、果膠酶、澱粉酶等。
從纖維素酶工業化製備及其應用角度看，研究和採用絲狀真菌產酶具有更大意義。從目前研究進展來看，黎克特制木黴同時具有較為穩定性狀、優質高產纖維素酶的能力和較好「抗代謝阻遏」能力，被認為是最具有工業應用價值菌株。
3.2.2 產酶菌株選育及誘變育種
利用物理、化學誘變劑單獨或復合處理微生物孢子或細胞是選育纖維素酶高產菌種的有效方法。張苓花等［5］採用康寧木黴w-925、j-931，經過濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15w、30cm、2min）復合誘變得到產酶活性高的菌種，該菌種糖化力達到2975，濾紙酶活達到531，比出發菌株分別提高100%和81%。中科院微生物研究所董志揚等［6］用康寧木黴通過γ射線照射和亞硝基胍交替處理，誘變出一株纖維素酶高產菌株t801，與出發菌株相比，其產酶能力提高1.
77倍。青島海洋大學管斌等［7］通過利用紫外線、亞硝基胍等對黎克特制木黴進行誘變處理，採用低劑量、反覆多次復合誘變處理方法，用「以2-脫氧葡萄糖作為降解產物阻遏物」高效篩選方法，選育得到一株抗分解代謝阻遏的突變株，使纖維素酶活力提高三倍。
3.2.3 dna體外重組技術
以得到纖維素酶過量生產為主要目的而進行纖維素酶基因轉殖研究，在20世紀80年代十分活躍，在國外已有約80個組分的基因被轉殖，但表達、分泌均很弱。因此已逐漸轉向應用基因工程方法組建有新特性的纖維素酶分子［8］。
3.3 纖維素酶的製取工藝
方法有兩種：即固體發酵和液體發酵。生產原料有麩皮、秸稈粉、廢紙、玉公尺粉和無機鹽等［9］。
3.3.1 固體發酵法
固體發酵法是以玉公尺、稻草等植物秸杆為主要原料，通過接種微生物進行發酵工藝，具有投資少、工藝簡單、產品**低廉優點。但固體發酵法存在著根本缺陷，其生產纖維素酶很難提取、精製。目前國內絕大部分纖維素酶生產廠家採用該技術生產纖維素酶時，只能通過直接乾燥粉碎得到固體配製劑或用水浸泡後壓濾得到液體配製劑，這樣所得產品外觀粗糙，質量不穩定，雜質含量高。
國內外生產廠家採用固體發酵法時，對木黴纖維素酶的研究較多，而木黴一方面毒性嫌疑大，使之應用受到限制；另一方面普遍存在著β-葡萄糖苷酶活力偏低的缺陷，致使纖維二糖積累，影響了酶解效率。故有人採用在木黴纖維素酶中新增麴黴的β-葡萄糖苷酶，提高了纖維素酶的降解能力。鑑於固體發酵的缺憾，隨著液體發酵配製劑工藝發展及菌種效能提高，採用液體發酵法生產纖維素酶勢在必行。
3.3.2 液體發酵法
液體發酵生產工藝過程是將玉公尺秸稈粉碎至20目以下進行滅菌處理，然後送發酵罐內發酵，同時接入纖維素酶菌種，發酵時間約為70h，溫度控制低於60℃。從發酵罐底部通入淨化後無菌空氣對物料進行氣流攪拌，發酵完物料經壓濾機壓濾、超濾濃縮和噴霧乾燥後得到纖維素酶產品。液體發酵雖有發酵動力消耗大、裝置要求高等缺點，但液體發酵原料利用率高、生產條件易控制、產量高、工人勞動強度小、產品質量穩定、可大規模生產等優點又使該方法成為發酵生產纖維素酶必然趨勢。
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