細菌產(chǎn)生的纖維素酶（綜述）（續(xù)1）

嚴鴻林

上期回顧：上期主要介紹了纖維素酶在生產(chǎn)中的重要作用，重點闡述纖維素酶的分類及如何篩選產(chǎn)生纖維素酶的細菌。

中圖分類號：S851.6 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）11-0057-05

3? 使用深層液態(tài)發(fā)酵、固態(tài)發(fā)酵或者培養(yǎng)生產(chǎn)纖維素酶

發(fā)酵是一種通過多種微生物將復(fù)雜的底物轉(zhuǎn)化為簡單化合物的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。它被廣泛地用于生產(chǎn)纖維素酶，并已在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。多年來，由于其經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢，發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)變得非常重要。由于其快速發(fā)展，目前存在兩種廣泛的發(fā)酵技術(shù)：即液態(tài)發(fā)酵（Submerged Fermentation，SmF）和固態(tài)發(fā)酵（Solid State Ferentation，SSF）。

3.1 固態(tài)發(fā)酵/固態(tài)培養(yǎng)

SSF利用固體底物，如麩皮、甘蔗渣、稻草、其他農(nóng)業(yè)廢棄物和紙漿。使用這些底物的主要優(yōu)點是它們養(yǎng)分豐富，且可以作為便宜的底物重復(fù)利用。SSF最適合于需要較少水量的真菌和微生物的發(fā)酵工藝。然而，它不能用于如細菌等高需水量微生物的發(fā)酵過程。

3.2 液態(tài)發(fā)酵/液態(tài)發(fā)酵

SmF利用自由流動的液體底物，如糖蜜和肉湯。這種發(fā)酵技術(shù)最適合于如細菌等高需水量微生物。這種技術(shù)的另一個優(yōu)點是產(chǎn)品更易純化。

3.3 SmF和SSC方法的比較

傳統(tǒng)上使用SmF法生產(chǎn)纖維素酶，其中微生物培養(yǎng)于含有營養(yǎng)素的水溶液中。這種傳統(tǒng)SmF法的替代方法是SSC法，其中微生物在無游離液體的固體底物上生長。由于SSC與SmF相比液體量相對較少，因此SSC的后續(xù)處理在理論上會更簡單且更便宜（圖1和表3）。在過去的十年中，人們對SSC重新燃起了興趣，部分是由于對微生物認識，包括轉(zhuǎn)基因生物（Genetically Modified Organism，GMO）在內(nèi)的許多微生物可以通過SSC更有效地生產(chǎn)其產(chǎn)品。SSC有三大優(yōu)勢，即：（1）較低的水和能源消耗;（2）較少的廢物流;（3）更高的產(chǎn)品濃度。并且，SmF生物合成纖維素酶的過程強烈地受到代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物的影響，而SSF發(fā)酵可顯著降低這種影響，具有較大的經(jīng)濟重要性。據(jù)文件報道，SSF技術(shù)利用了多達20%～30%底物，相比之下，SmF過程最多利用5%。

SSF通常是優(yōu)選的，因為它提供了許多優(yōu)點，例如酶產(chǎn)量以及蛋白得率達兩倍高，培養(yǎng)基中產(chǎn)物的濃度較高，可直接使用風(fēng)干發(fā)酵固體作為酶的來源，使得下游加工費用減少，可使用天然纖維素廢物作為底物，并且具有在非無菌條件下進行發(fā)酵的可能性，相比之下，液態(tài)發(fā)酵（SmF）必須使用純纖維素。表4給出了一些纖維素酶產(chǎn)生菌發(fā)酵的例子。

4? 纖維素酶的定量方法

所有現(xiàn)有的纖維素酶活性分析可分為三種類型：（1） 水解后產(chǎn)物的積累量分析;（2） 底物量的減少測定;（3） 底物物理性質(zhì)的變化測定。大部分測定方法涉及水解產(chǎn)物的含量，包括還原糖、總糖和生色團（表5）。

5? 纖維素酶產(chǎn)生菌及其特征（表6）

真菌和細菌因其有能力生產(chǎn)多種不同類型的纖維素酶和半纖維素酶而被開發(fā)。人們關(guān)注的重點都放在真菌的使用上，因為它們有能力產(chǎn)生高濃度的纖維素酶，通常沒有細菌纖維素酶復(fù)雜，且更容易提取和純化。因此，在快速生長的細菌宿主中通過重組更便捷地克隆和產(chǎn)生這些酶。然而，從細菌中分離和鑒定新的纖維素酶正在被廣泛利用。這些轉(zhuǎn)變有幾個原因：（1）細菌的生長速率通常比真菌高，能更高效產(chǎn)生重組酶;（2）細菌纖維素酶通常更復(fù)雜且存在于多酶復(fù)合酶系中，能提供更全面的功能和協(xié)同作用;（3）細菌棲息于廣泛的環(huán)境和工業(yè)生態(tài)中，如嗜熱或嗜冷，嗜堿性或嗜酸性和嗜鹽菌株，這使得纖維素分解菌對環(huán)境刺激有著最強的抗性。這些菌株可以在苛刻的條件下存活并產(chǎn)生纖維素分解酶，且這些在極端條件下產(chǎn)生的酶是穩(wěn)定的，因此可以用于生物轉(zhuǎn)化過程。這可能會增加酶的水解、發(fā)酵和產(chǎn)物回收率?，F(xiàn)在研究人員正在把重點放在利用和改進這些酶在生物燃料和生物制品行業(yè)的應(yīng)用。

許多細菌可以在纖維素上生長，且產(chǎn)生能降解可溶性纖維素衍生物或結(jié)晶纖維素?zé)o定形區(qū)域的酶。然而，僅有少量細菌能合成可廣泛降解自然界中存在的結(jié)晶物質(zhì)的完整酶系統(tǒng)。這些少量的細菌應(yīng)該被稱為“真正的纖維素分解”細菌，那些產(chǎn)生部分內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，但不是完整系統(tǒng)的細菌被稱為“假纖維素分解”細菌。這種假纖維分解菌可能是通過水平轉(zhuǎn)移從真正的纖維素分解菌中提取了編碼這些酶的基因。這里有從不同的環(huán)境中分離出不同類型的細菌產(chǎn)生纖維素酶。部分重要的細菌和其纖維素酶組分的特征如下。