木质纤维素降解酶的应用及前景

微生物学 目：木质纤维素降解酶的应用及前景 姓名： 学号： 班级：生科11101班 完成时间：2013-5-22 摘要：木质纤维素是地球上最为丰富的可再生资源，能将木质纤维素降解为葡萄糖的木质纤维素酶是一个复合酶系，它在养殖、食品、酿酒、纺织、洗涤、能源、造纸等工业中具有广泛的应用价值，如能够显著提高粗饲料的消化率和利用率，提高食品原料细胞内含物的提取率，缩短酿酒发酵时间、提高出酒率，提高纺织品纤维质量，增强去污能力，促进乙醇燃料的开发，提高纸浆质量等。本文综述了木质纤维素酶在工业方面的应用，并对其发展前景进行展望。 关键词：木质纤维素酶；工业应用；前景 绪论：进入21世纪以来，石油等关键矿产资源将在本世纪中后期逐步接近枯竭。同时，化石燃料的燃烧导致二二氧化碳排放量不断增加，造成全球气候变暖能源、资源、环境问题已经成为制约新世纪社会经济可持续发展的主要瓶颈，引起人们的广泛关注。现有的工业发展模式已经难以为继，开发新的可持续的绿色替代能源和资源已经成为世界各国的紧迫任务。 生物质是地球上唯一可大规模再生、足以支撑人类生存发展的能源和实物性资源。其中木质纤维素部分价格低廉，供应充足，且未得到充分的开发利用。利用现代技术可将其降解转化为液体燃料和大宗化品，即可缓解石油等的消耗，又能够保护生态环境和减缓温室效应的同时，加快经济方式转变，促进全球经济的可持续发展。同时，对农业生产延伸、农村经济发展、农民就业增收，及维护社会的和谐与稳定将产生积极的促进作用。对于我国这样一个人口众、能源和资源紧张的国家来说，具有特别重要的战略意义和现实意义。 一：木质纤维素的降解酶 1.1 纤维素的降解酶 纤维素的酶降解需要纤维素酶的参与，纤维素酶并不是一种简单的酶，而是由若干种相互关联的酶组成的一个复杂的酶系统，主要由3 类组成：内切-β-1,4-葡聚糖酶，又被称为Cx 酶；外切葡聚糖酶，又被称为C1酶；β-葡萄糖苷酶，又被称为BG 酶或CB 酶。目前普遍接受的观点是3 种组分协同作用于木质素的降解，即首先由Cx 酶在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端，然后再由外切葡聚糖酶以纤维二糖为单位，从末端进行水解，最后由CB酶将纤维二糖彻底水解为葡萄糖。 1.2 半纤维素的降解酶 半纤维素可以被降解为单糖和乙酸。主要降解酶是内切-β-1,4-木聚糖酶和β-1,4-木糖苷酶，此外，半纤维素的降解还需要木聚糖酯酶、α-葡糖醛酸酶、α-L-阿拉伯呋喃糖酶和乙酰酯酶等辅助酶的作用。 1.3 木质素的降解酶 由于木质素的结构复杂、分子量高，加之不溶于水，所以，与纤维素、半纤维素的降解相比，木质素的降解比较难进行。降解木质素的酶主要有3 类，即：木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶，此 外，还有一些辅助酶参与过氧化氢的产生，如乙二醛氧化酶和芳基醇氧化酶等。 二：木质纤维素降解酶的应用 2.1 在养殖业中的应用 纤维素酶和半纤维素酶在动物饲料工业中有非常广泛的应用。猪、鸡等单胃动物由于体内内源性纤维素酶不足或缺乏，导致纤维素消化利用率低，添加纤维素酶可补充内源酶的不足，促进饲料的良好消化，提高动物对粗纤维的利用率，同时还可以改善肠道环境，减少消化道疾病，促进动物健康生长。 2.2 在食品工业中的应用 植物食品加工主要是利用植物细胞的内含物如蛋白质、油脂、淀粉、可溶性生物碱、色素等，而这些成分被植物细胞壁包裹或紧密相连。用纤维素酶作适当处理可使植物细胞壁软化、膨胀或崩溃，从而提高细胞内含物的提取率，简化了食品加工工艺，改善食品品质。例如，在酱油的酿造过程中添加纤维素酶，可使大豆类原料的细胞膜膨胀软化破坏，使包藏在细胞中的蛋白质和碳水化合物释放，这样既可提高酱油浓度，改善酱油质量，又可缩短生产周期，提高产率。由于纤维素酶粗酶制剂一般含有半纤维素酶和果胶酶，因此可用于水果、蔬菜加工。 2.4 在纺织业和洗涤业中的应用 由于纤维素酶可以改良有纤维质的纤维使其成为人们所期望的款式，并且可以提高纤维的质量，纤维素酶在纺织业和洗涤业中有广泛的应用。纤维素酶已经成为在纺织业和洗涤业中应用的第三大酶系。生物打磨和生物抛光是纤维素酶在纺织业中应用最广泛的两个方面。在洗涤过程中加入纤维素酶就可以把堆积在一起的微纤维分散开从而使衣物的面变得光滑和平坦。同时，由于微纤维的分散，微纤维之间所携带的脏的微粒也可以同时被去除，这样就可以进一步增加衣服的亮度和柔软度。 2.5 在能源工业中的应用 随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。目前，乙醇已在很多国家被广泛应用于汽车燃料中取代部分石油，但是在混合燃料中所使用的大量乙醇都是由谷物发酵而产生的，这样成本较高，并且还会消耗掉大量的粮食。木质纤维素是地球上最丰富的而且是可再生的生物质，谷物秸秆、杂草、木屑、木桩和一些动物的固体粪便中都含有大量的木质纤维素，植物每年通过光合作用产生大量的木质纤维素，然而每年用于工业过程或燃烧的木质纤维素仅占所产生木质纤维素的极小比例。如果用高活性的木质纤维素酶将这些木质纤维素降解产生还原糖，再进一步发酵产生乙醇，不仅能够弥补石化燃料的不足，而且有助于保护生态环境，对解决人类的发展问题具有划时代的意义。 2.6 在造纸工业中的应用 木质纤维素酶在造纸业中也有着广泛的应用。研究表明，用复合纤维素酶处理可以改善磨木浆的滤水性能和强度，并在一定程度上提高浆的白度。用半纤维素酶和纤维素酶预处理马尾松未漂磨石磨木浆，在合适的预处理强度下，可以增强后续漆酶处理的作用，并明显改善纸浆可漂性能，使漂后纸浆具有更高的白度及更好的强度性能。采用木聚糖酶处理可以促进纸浆中残余木质素的降解和溶解性木质素的抽除，从而可以减少后续漂白化学剂的用量，并提高纸浆的白度，保持良好的纤维性能。半纤维素酶可用于废纸脱墨、酶法漂白和改善纸浆性能。 3 前景展望 把地球上最丰富的可再生资源——木质纤维素降解后加以利用多年来一直是人们研究的热点，寻找高催化活性、低成本的木质纤维素酶则是这个领域的研究难题之一。细菌和真菌中都存在有复杂的木质纤维素酶水解系统，虽然其水解微晶纤维素的能力非常强，但是由于其复合物的分子量十分巨大，并且单个组份又不具有水解微晶纤维素的能力，所以人们试图从其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前景的木质纤维素酶。随着对木质纤维素酶研究的不断深入，以及生物化学、分子生物学、生物信息学以及基因工程等多种交叉学科的快速发展，不久的将来一定会获得适合工业生产的高比活力的木质纤 维素酶。 参考文献 1：木质纤维素降解酶与生物炼制 2：酶工程 3：微生物酶转化技术 4：微生物酶及其应用 5：微生物酶