黑曲霉產(chǎn)纖維素酶的研究進展

周艷華，張春艷

（長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，其基本結(jié)構(gòu)是由葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵連接而成的纖維二糖[1]。纖維素酶是糖苷水解酶的一種，能夠水解纖維素水解終產(chǎn)物葡萄糖，可用于飼料、食品和燃料乙醇的生產(chǎn)。黑曲霉菌是公認(rèn)的安全菌株，它不產(chǎn)生對人和動物有害的物質(zhì)，由黑曲霉生產(chǎn)的酶制劑，如糖化酶、果膠酶等，已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)。因此，利用黑曲霉生產(chǎn)纖維素酶的研究越來越引起人們的重視。纖維素酶系是一類復(fù)雜的復(fù)合酶，一般被認(rèn)為包括3種水解酶，即內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶[2]。纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的生物催化劑，可破壞細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)容物溶解出來，再由復(fù)合酶中的蛋白酶和淀粉酶等進一步降解，增加吸收率，同時也增加了非淀粉多糖的消化，進而提高了多纖維原料的利用率。纖維素酶是一種糖苷水解酶，能夠水解纖維素，其終產(chǎn)物是葡萄糖。

1 黑曲霉產(chǎn)纖維素酶發(fā)酵方法

黑曲霉對人和動物無毒性，且生長較快、酶系豐富，當(dāng)前黑曲霉產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵方法主要有固體發(fā)酵法和液體發(fā)酵法。

1.1 固體發(fā)酵法

固體發(fā)酵法是以玉米、稻草等植物秸稈為主要原料，其操作簡易、工藝簡單、能耗低、無廢水廢渣產(chǎn)生、不造成對環(huán)境的二次污染、產(chǎn)品價格低廉等，成為國內(nèi)外重要的研究和生產(chǎn)工藝。目前，對黑曲霉進行固體發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的研究，主要是考察其培養(yǎng)條件對產(chǎn)酶及酶性質(zhì)的影響。培養(yǎng)條件包括碳源、氮源、pH值、培養(yǎng)時間、溫度等。其中影響最大的是碳源和氮源。

魏丹華[3]研究了海洋黑曲霉生料固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶及酶的固定化。張聰聰[4]研究了黑曲霉固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶條件優(yōu)化及秸稈糖化，選育出一株產(chǎn)高活力纖維素酶的黑曲霉，應(yīng)用于秸稈發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶降解纖維素。毛婷等[5]研究了產(chǎn)纖維素酶混合菌發(fā)酵優(yōu)化及秸稈降解，結(jié)果表明降解效果良好。劉淼等[6]也研究了黑曲霉固態(tài)發(fā)酵秸稈生產(chǎn)纖維素酶工藝條件，效果良好。郭凱等[7]以棉花秸稈作為發(fā)酵基質(zhì)，優(yōu)化黑曲霉ZD固體發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵條件。高大響等[8]以豆渣為主要原料，利用黑曲霉為產(chǎn)酶菌株，通過固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶。鄭淵潔等[9]研究了黑曲霉產(chǎn)纖維素酶混合發(fā)酵條件。趙華等[10]研究了黑曲霉固態(tài)發(fā)酵對甘薯渣的影響。張曈等[11]研究了黑曲霉產(chǎn)纖維素酶發(fā)酵條件的優(yōu)化及酶學(xué)性質(zhì)。

1.2 液體發(fā)酵法

與固體發(fā)酵法相比較，采用黑曲霉液體發(fā)酵法產(chǎn)纖維素酶具有培養(yǎng)條件易控制、生產(chǎn)效率高效、不易沾染雜菌等特點。因其獨特的優(yōu)勢，現(xiàn)在越來越受到科研工作者的青睞。殷休[12]研究了黑曲霉液體發(fā)酵香菇殘次品產(chǎn)纖維素酶的培養(yǎng)基優(yōu)化，陳作國等[13]選用響應(yīng)面法和變溫培養(yǎng)相結(jié)合的方法，優(yōu)化了一種海洋黑曲霉生產(chǎn)耐鹽性纖維素酶的液體發(fā)酵條件。周晨妍等[14]研究了黑曲霉菌株產(chǎn)纖維素酶的固態(tài)發(fā)酵條件，結(jié)果表明，經(jīng)條件優(yōu)化后，酶活性較強。張麗影等[15]研究了以羧甲基纖維素鈉培養(yǎng)基和液體發(fā)酵培養(yǎng)基篩選菌株，菌株的最佳碳源和氮源分別為1.0%CMC-Na和0.3%酵母膏。孫科[16]研究了碳源、氮源、時間、溫度pH、接種量等因素對產(chǎn)纖維素酶酶活的影響，確定了黑曲霉產(chǎn)纖維素酶的最優(yōu)條件。從前期研究可知，黑曲霉產(chǎn)纖維素酶其產(chǎn)酶活力會受到碳源、氮源、pH值、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間、孢子懸液接種的體積分?jǐn)?shù)、氧通氣量等因素的影響。

2 纖維素酶的純化

目前，纖維素酶分離純化的方法主要包括凝膠過濾層析、離子交換層析、超濾等。胡亞冬等[17]采用DEAE陰離子交換層析、凝膠過濾層析兩種分離純化技術(shù)從纖維素酶系中成功分離出單一組分，即內(nèi)切葡聚糖酶。朱年青等[18]采用硫酸銨分級沉淀、凝膠過濾層析、離子交換層析等技術(shù)從纖維素酶系中成功分離純化到3個組分。王婷婷等[19]采用硫酸銨分級沉淀、陰離子交換層析和疏水層析等技術(shù)成功分離純化得到1種纖維素酶。江小妹等[20]采用凝膠過濾層析和陽離子交換層析分離純化得到一種內(nèi)切型纖維素酶。

3 纖維素酶的應(yīng)用

黑曲霉產(chǎn)纖維素酶的應(yīng)用較早，主要是由于黑曲霉在產(chǎn)纖維素酶的過程中不會產(chǎn)生毒素，因此被廣泛應(yīng)用于纖維素酶的生產(chǎn)中。目前，纖維素酶作為工業(yè)中一種重要的酶制劑，被廣泛地應(yīng)用于食品、飼料、造紙等領(lǐng)域。

3.1 食品領(lǐng)域

纖維素酶在食品加工中的應(yīng)用最為廣泛，常倫峰等[21]在果蔬汁加工中時，加入適量纖維素酶，可改善果蔬汁的口感，提高果蔬汁的澄清度。董玉瑋等[22]將纖維素酶用于輔助提取牛蒡多糖，并將其應(yīng)用于復(fù)合保健茶飲料中，得到營養(yǎng)豐富、口感良好、感官評分高、符合國家標(biāo)準(zhǔn)的保健茶飲料。此外，纖維素酶還可應(yīng)用于發(fā)酵食品，如白酒、醬油、食醋、啤酒、飲料、茶葉等[23]。

3.2 飼料領(lǐng)域

纖維素酶在飼料加工中的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。余梟等[24]在動物飼料中加入纖維素酶，降解飼料中的纖維素，將其轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高動物對纖維素的消化率。同時，纖維素酶還可調(diào)整動物體內(nèi)的酸堿度，有助于提高胃蛋白酶的消化作用[25]。

3.3 造紙領(lǐng)域

采用纖維素酶處理紙漿，可使紙張韌性和保水性增強[26]。此外，纖維素酶還可應(yīng)用于紙張回收中的廢紙脫墨工藝中，纖維素酶可降低紙張與墨之間的結(jié)合力，纖維溶脹，墨慢慢溶解出來，從而達到廢紙脫墨的目的[27]。

3.4 能源領(lǐng)域

當(dāng)前人類對能源的需求日益增大，特別是生物能源，乙醇作為一種生物能源也被普遍應(yīng)用。采用纖維素酶可將纖維素降解為乙醇等清潔能源，不僅能緩解全球?qū)δ茉吹亩倘?，而且有助于環(huán)境保護[28]。