利用微生物生产纤维素酶的研究进展

凌发忠

（专业:生物化学与分子生物学 学号：D201002034)

摘要：随着化石资源的枯竭，人们试图寻找廉价的、环保的可再生资源。纤维素酶的研究和开发为解决世界能源危机、环境污染等问题提供一种途径。利用纤维素酶的水解作用，可以使纤维素彻底降解产生单糖，进而发酵生产乙醇及生产生物柴油的原料等。因此纤维素酶日益受到人们的关注。本文将对在了解了纤维素酶的来源、组成以及作用机理的基础上．对产纤维素酶微生物菌种的研究动态作详细的介绍，并对其今后的研究趋势进行展望。

关键词： 微生物；纤维素； 纤维素酶；菌种

能源与环境问题制约着人类文明的发展。近几年来，可持续再生的生物能源研究与应用取得了巨大的进展。纤维素酶的研究和应用就是其中之一。生产高效低价的纤维素酶对于最终解决人类文明发展的能源与环境问题具有化时代的意义。

1.纤维素酶的组成及降解机理

1.1 纤维素酶的来源和组成。

纤维素酶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。一般用于生产的纤维素酶来自于真菌，比较典型的有木霉属(Trichoderma)、曲霉属（Aspergillus）和青霉属(Penicillium）。其中木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生菌。 [1]世界纤维素酶市场中的纤维素酶20％是来自木霉属和曲霉属。[2]

纤维素酶是一种复合酶．属生物催化剂，是水解纤维素以获取葡

萄糖的一套酶系。纤维素酶包括葡聚糖内切酶(也称CX酶)、葡聚糖外切酶(也称Cl酶)、B一葡萄糖苷酶(也称纤维二糖酶)三个主要成分组成的诱导型复合酶系。三种酶之间存在协同作用。因此．只有当3个主要成分的活性比例恰当时，才能有效地降解纤维素。[3]

1.2纤维素酶降解纤维素的机理研究

纤维素酶反应和一般酶的反应不一样，其最主要的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。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。

2．产纤维素酶微生物菌种研究动态

菌种的选育是纤维素酶生产的基础性工作，为了生产高质量的纤维素酶产品，许多专家进行了大量研究。

李素波对酶活高的菌株康氏木霉(Trichodema koningii，3．4261)进行亚、紫外线和硫酸二乙酯复合诱变，再通过羧甲基纤维素钠培养基、刚果红纤维素培养基进行初筛和液态发酵复筛，得到2株酶活较高的菌株，命名为E20—2和E40—4，对相对活性更高的E20—2进行发酵条件优化，其最适条件为：麸皮与麦秸杆的质量比为3：7，固液比为l：(4一113)，发酵时间5d，初始pH值6．0，Tween一80质量分数为0。10％，培养温度28℃，其CMCase和FPA最高分别可达654 u／g和69 u／s，分别较出发菌株提高230％和72％。[4]

鲁东大学的冯如勇等人以l株黑曲霉(Aspergillus nigerFl)为出发菌株，经过亚硝基胍(NTG)、硫酸二乙酯(DES)和氯化锂(LiCl)诱变处理，选育出l株纤维素酶高产菌株L1，在适宜条件下，其产CMC酶活是出发菌株的1 50．2％。[5]

侯红萍等以产纤维素酶的黑曲霉菌株D2为出发菌，进行了微波—亚硝基胍复合诱变，筛选到了遗传性状稳定的高产纤维素酶的突变菌株N14，在最佳的产酶条件下，此菌株的酶活最高，达到365．3 U／mL，是出发菌酶活的3.5倍。[6]

3. 展望

虽然许多学者对产纤维素酶菌株的选育工作做了大量的研究工作，也取得了一定的进展，但选育的许多菌种的产酶性能不佳，菌种易退化，纤维素酶生产规模小，因而选育高产纤维酶的生物类群仍是纤维素酶研究的重点之一。但是随着研究的不断深入，同时利用我国丰富的分解纤维素的菌株资源，从中筛选可以在不同条件下进行发酵的菌株．或者通过基因工程手段构建不同的工程菌株等手段，必将在解决全球的环境污染和能源危机等方面发挥巨大的作用。

参考文献

[1]  Sun Y，Cheng J Y．Hydrolysis of lignocellulosie materialsfor ethanol production：a review．Bioresource Technol，2002．83(1)：1～11.

[2]  Bhat M K．Cellulases and related enzymes in biotechnology．Biotechnol Adv，2000．18(5)：355～383．

[3]  贺稚非等纤维素酶及应用现状．粮食与油脂，2004，1：15—18

[4]  李素波．纤维素酶高产菌株选育及发酵条件的优化．．兰州：兰州大学，2008．

[5]  冯勇培，宿红艳，张丽，等．高产纤维素酶黑曲霉菌株的化学诱变选育明．湖北农业科学，2009，48(1)：88-．

[6]  侯红萍．微波—亚硝基胍复合诱变筛选纤维素酶高产菌株．中国酿造，2009(8)：55—57．