纖維素酶發(fā)酵工藝與應(yīng)用

1、纖維素酶發(fā)酵工藝與應(yīng)用纖維素酶發(fā)酵工藝與應(yīng)用纖維素酶發(fā)酵工藝與應(yīng)用纖維素酶介紹纖維素酶介紹 纖維素酶生產(chǎn)菌的選育纖維素酶生產(chǎn)菌的選育 纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)的工藝?yán)w維素酶發(fā)酵生產(chǎn)的工藝 纖維素酶的應(yīng)用纖維素酶的應(yīng)用 4123前言前言纖維素是地球上數(shù)量最大的可再生資源，通過光合纖維素是地球上數(shù)量最大的可再生資源，通過光合作用，地球上每年合成的植物總量約為作用，地球上每年合成的植物總量約為11011 ，其，其中纖維素占中纖維素占40%，目前，自然界中纖維素只有一小，目前，自然界中纖維素只有一小部分得到利用，絕大多數(shù)纖維素白白浪費(fèi)。如果能部分得到利用，絕大多數(shù)纖維素白白浪費(fèi)。如果能將纖維素分解成葡萄糖，作

2、為食品發(fā)酵工業(yè)的原料，將纖維素分解成葡萄糖，作為食品發(fā)酵工業(yè)的原料，對人類將是一個重大貢獻(xiàn)，可以使我們擺脫對谷物對人類將是一個重大貢獻(xiàn)，可以使我們擺脫對谷物糧食的絕對依賴，緩和世界資源緊缺。糧食的絕對依賴，緩和世界資源緊缺。1.纖維素酶的介紹纖維素酶的介紹分類分類纖維素酶的作用機(jī)理纖維素酶的作用機(jī)理由內(nèi)切葡聚糖酶（由內(nèi)切葡聚糖酶（C1酶）作用于微纖酶）作用于微纖維的非結(jié)晶區(qū)，使其露出許多末端供外維的非結(jié)晶區(qū)，使其露出許多末端供外切型酶作用，纖維二糖水解酶從非還原切型酶作用，纖維二糖水解酶從非還原性末端依次分解，產(chǎn)生纖維二糖；性末端依次分解，產(chǎn)生纖維二糖；部分降解的纖維素進(jìn)一步由內(nèi)切葡聚部分降解

3、的纖維素進(jìn)一步由內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶協(xié)同作用，分糖酶和纖維二糖水解酶協(xié)同作用，分解生成纖維二糖、三糖等低聚糖；解生成纖維二糖、三糖等低聚糖； C1酶（內(nèi)切葡聚糖酶）酶（內(nèi)切葡聚糖酶） Cx酶（纖維二糖水解酶）酶（纖維二糖水解酶） 葡糖苷酶葡糖苷酶 定義：編號：。由多種水解酶組成的一個復(fù)雜酶系。纖維素酶在分解纖維素時起生物催化作用，是可以將纖維素分解成多糖或單糖的酶。由由葡糖苷酶作用分解成葡萄糖。葡糖苷酶作用分解成葡萄糖。 2.1纖維素酶的來源纖維素酶的來源昆蟲、軟體動物、原生動物昆蟲、軟體動物、原生動物、細(xì)菌、放線菌和真菌等都、細(xì)菌、放線菌和真菌等都能產(chǎn)生纖維素酶。能產(chǎn)生纖維素酶。 目

4、前研究較多的是霉菌，其中酶活力較強(qiáng)的菌種為木霉、曲霉、根霉和青霉、特別是里斯木霉、綠色木霉、康氏木霉等較為典型、是目前公認(rèn)的較好的纖維素酶生產(chǎn)菌。 細(xì)菌中酶活力較強(qiáng)的菌種有纖維粘菌屬、生抱纖維粘菌屬和纖維桿菌屬、放線菌中有黑紅旋絲放線菌、玫瑰色放線菌、纖維放線菌和白玫瑰放線菌等。 來源來源 霉菌霉菌 細(xì)菌細(xì)菌2.2菌種選育菌種選育自然選育自然選育誘變育種誘變育種 基因工程菌基因工程菌從應(yīng)用效果來看，高能電子、從應(yīng)用效果來看，高能電子、Y射線、紫外線可能射線、紫外線可能是木霉屬菌種較有效的誘變因子；應(yīng)用亞硝基胍等是木霉屬菌種較有效的誘變因子；應(yīng)用亞硝基胍等誘變劑能夠明顯提高產(chǎn)纖維素酶菌種的誘變率

5、。只誘變劑能夠明顯提高產(chǎn)纖維素酶菌種的誘變率。只通過一次誘變處理，要獲得高活力菌株的可能性是通過一次誘變處理，要獲得高活力菌株的可能性是較小的，而通過多次物理化學(xué)因素的復(fù)合處理，往較小的，而通過多次物理化學(xué)因素的復(fù)合處理，往往可以積累正向變異，使活力逐步提高。往可以積累正向變異，使活力逐步提高。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因工程菌也成隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因工程菌也成為了纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)菌的來源之一。為了纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)菌的來源之一。纖維素酶纖維素酶生產(chǎn)菌生產(chǎn)菌從自然界篩從自然界篩選分離的野選分離的野生型菌株產(chǎn)生型菌株產(chǎn)酶能力比較酶能力比較低，不能達(dá)低，不能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)到工業(yè)生產(chǎn)

6、的要求。的要求。 2.3菌種選育菌種選育纖維素酶的未來選育方向基于對纖維素酶結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系認(rèn)基于對纖維素酶結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行理性設(shè)計；識的基礎(chǔ)上進(jìn)行理性設(shè)計； 通過提高基因內(nèi)的突變率或通過提高基因內(nèi)的突變率或DNA重重組使酶獲得新的催化性質(zhì)；組使酶獲得新的催化性質(zhì)； 通過纖維素酶系的重組與構(gòu)建，來改通過纖維素酶系的重組與構(gòu)建，來改進(jìn)纖維素酶的性質(zhì)或提高其比活性進(jìn)纖維素酶的性質(zhì)或提高其比活性 結(jié)構(gòu)和功能關(guān)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系系定向化定向化重組與構(gòu)建重組與構(gòu)建3.纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)工藝?yán)w維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)工藝液體深層發(fā)酵 纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)的重點(diǎn)之一是將纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)的重點(diǎn)之一是將2種以上產(chǎn)酶

7、微生物一起接種進(jìn)行混合發(fā)酵，種以上產(chǎn)酶微生物一起接種進(jìn)行混合發(fā)酵，利用它們所產(chǎn)各纖維素酶系的互補(bǔ)作用，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高效的混合纖維素酶。利用它們所產(chǎn)各纖維素酶系的互補(bǔ)作用，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高效的混合纖維素酶。概述概述工藝流程工藝流程工藝條件工藝條件概述概述工藝流程工藝流程工藝條件工藝條件固體發(fā)酵3.1固體發(fā)酵工藝固體發(fā)酵工藝固體發(fā)酵法又稱麩曲培養(yǎng)法，是以秸稈粉、廢紙、固體發(fā)酵法又稱麩曲培養(yǎng)法，是以秸稈粉、廢紙、玉米秸稈粉為主要原料，拌入種曲后，裝入盤或簾玉米秸稈粉為主要原料，拌入種曲后，裝入盤或簾子上，攤成薄層子上，攤成薄層 (厚約厚約 1 cm) ，在培養(yǎng)室一定溫度，在培養(yǎng)室一定溫度和濕度和濕度 (R

8、H 90% 100% ) 下進(jìn)行發(fā)酵。產(chǎn)生的酶下進(jìn)行發(fā)酵。產(chǎn)生的酶系更全，有利于降解天然纖維素，且投資低、能耗系更全，有利于降解天然纖維素，且投資低、能耗低、產(chǎn)量高、操作簡易、回收率高、無泡沫、需控低、產(chǎn)量高、操作簡易、回收率高、無泡沫、需控參數(shù)少、環(huán)境污染小等。但固體發(fā)酵法易被雜菌污參數(shù)少、環(huán)境污染小等。但固體發(fā)酵法易被雜菌污染，生產(chǎn)的纖維素酶分離純化較難，且色素不易去染，生產(chǎn)的纖維素酶分離純化較難，且色素不易去除。除。 固體發(fā)酵工藝流程固體發(fā)酵工藝流程pH最好為酸性，有利于真菌的生長而抑制細(xì)菌的滋生。 含水量應(yīng)視纖維材料種類不同而異。玉米含水量應(yīng)視纖維材料種類不同而異。玉米秸稈培養(yǎng)基適宜的

9、含水量為秸稈培養(yǎng)基適宜的含水量為 1 (2215) (w /w) ，麥秸培養(yǎng)基適宜的含水量為，麥秸培養(yǎng)基適宜的含水量為 1 ( 11.5) , 啤酒糟培養(yǎng)基的含水量為啤酒糟培養(yǎng)基的含水量為 1 1。 影響因素影響因素固體發(fā)酵工藝條件固體發(fā)酵工藝條件3.2液態(tài)深層發(fā)酵工藝液態(tài)深層發(fā)酵工藝液態(tài)深層發(fā)酵又稱全面發(fā)酵，是將秸稈等原料粉碎、液態(tài)深層發(fā)酵又稱全面發(fā)酵，是將秸稈等原料粉碎、預(yù)處理并滅菌后送至具有攪拌槳葉和通氣系統(tǒng)的密預(yù)處理并滅菌后送至具有攪拌槳葉和通氣系統(tǒng)的密閉發(fā)酵罐內(nèi)，接入菌種，借強(qiáng)大的無菌空氣或自吸閉發(fā)酵罐內(nèi)，接入菌種，借強(qiáng)大的無菌空氣或自吸的氣流進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使氣、液面積盡量加大而進(jìn)的

10、氣流進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使氣、液面積盡量加大而進(jìn)行發(fā)酵其主要特點(diǎn)是培養(yǎng)條件容易控制，不易染雜行發(fā)酵其主要特點(diǎn)是培養(yǎng)條件容易控制，不易染雜菌，生產(chǎn)效率高。液態(tài)深層發(fā)酵是現(xiàn)代生物技術(shù)之菌，生產(chǎn)效率高。液態(tài)深層發(fā)酵是現(xiàn)代生物技術(shù)之一，已成為國內(nèi)外重要的研究和開發(fā)工藝。一，已成為國內(nèi)外重要的研究和開發(fā)工藝。液態(tài)深層發(fā)酵工藝流程液態(tài)深層發(fā)酵工藝流程培養(yǎng)基初始培養(yǎng)基初始pH為為56溫度低于溫度低于60C，最適培養(yǎng)溫度為，最適培養(yǎng)溫度為28C影響因素影響因素液態(tài)深層發(fā)酵工藝條件液態(tài)深層發(fā)酵工藝條件接種量明顯低于固態(tài)發(fā)酵，接種度為接種量明顯低于固態(tài)發(fā)酵，接種度為2%10%液體發(fā)酵時間約為液體發(fā)酵時間約為70h4.纖

11、維素酶的應(yīng)用纖維素酶的應(yīng)用纖維素酶纖維素酶生產(chǎn)葡萄糖和單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)葡萄糖和單細(xì)胞蛋白 農(nóng)副產(chǎn)品和城市廢料中的纖農(nóng)副產(chǎn)品和城市廢料中的纖維素維素,通過纖維素酶轉(zhuǎn)化為葡通過纖維素酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖和單細(xì)胞蛋白，對人類萄糖和單細(xì)胞蛋白，對人類有著十分重要的意義。有著十分重要的意義。食品發(fā)酵工藝食品發(fā)酵工藝 食品發(fā)酵工業(yè)是纖維食品發(fā)酵工業(yè)是纖維素酶應(yīng)用最廣泛的一素酶應(yīng)用最廣泛的一個部門。個部門。其他用途其他用途 醫(yī)藥、環(huán)保、遺傳工醫(yī)藥、環(huán)保、遺傳工程等方面。程等方面。飼料工業(yè)飼料工業(yè) 纖維素酶和纖維素酶產(chǎn)生菌能轉(zhuǎn)纖維素酶和纖維素酶產(chǎn)生菌能轉(zhuǎn)化粗飼料如麥桔、麥糠、稻草、化粗飼料如麥桔、麥糠、稻草、玉米芯等玉米芯等,把其中一部分纖維素把其中一部分纖維素轉(zhuǎn)化為糖、菌體蛋白、脂肪等，轉(zhuǎn)化為糖、菌體蛋白、脂肪等，降低飼料中粗纖維含量提高粗飼降低飼料中粗纖維含量提高粗飼料營養(yǎng)價值，擴(kuò)大飼料來源。料營養(yǎng)價值，擴(kuò)大飼料來源。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1曾青蘭，王志勇曾青蘭，王志勇.纖維素酶發(fā)酵工藝的研究進(jìn)展纖維素酶發(fā)酵工藝的研究進(jìn)展. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué)河北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 13 (12) : 35 - 362王蘭芬王蘭芬. 纖維素酶的作用機(jī)理及開發(fā)應(yīng)用纖維素酶的作用機(jī)理及開發(fā)應(yīng)用.釀酒科技釀酒科技.1997.84(6):16-173曾露，李群良，嚴(yán)偉，何查霖，何曙光曾露，李群良，嚴(yán)偉，何查霖，何