細菌產生的纖維素酶（綜述）（續1）

嚴鴻林

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

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

3? 使用深層液態發酵、固態發酵或者培養生產纖維素酶

發酵是一種通過多種微生物將復雜的底物轉化為簡單化合物的生物轉化技術。它被廣泛地用于生產纖維素酶，并已在工業中廣泛應用。多年來，由于其經濟和環境優勢，發酵技術已經變得非常重要。由于其快速發展，目前存在兩種廣泛的發酵技術：即液態發酵（Submerged Fermentation，SmF）和固態發酵（Solid State Ferentation，SSF）。

3.1 固態發酵/固態培養

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

3.2 液態發酵/液態發酵

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

3.3 SmF和SSC方法的比較

傳統上使用SmF法生產纖維素酶，其中微生物培養于含有營養素的水溶液中。這種傳統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，包括轉基因生物（Genetically Modified Organism，GMO）在內的許多微生物可以通過SSC更有效地生產其產品。SSC有三大優勢，即：（1）較低的水和能源消耗;（2）較少的廢物流;（3）更高的產品濃度。并且，SmF生物合成纖維素酶的過程強烈地受到代謝產物和終產物的影響，而SSF發酵可顯著降低這種影響，具有較大的經濟重要性。據文件報道，SSF技術利用了多達20%～30%底物，相比之下，SmF過程最多利用5%。

SSF通常是優選的，因為它提供了許多優點，例如酶產量以及蛋白得率達兩倍高，培養基中產物的濃度較高，可直接使用風干發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酵的可能性，相比之下，液態發酵（SmF）必須使用純纖維素。表4給出了一些纖維素酶產生菌發酵的例子。

4? 纖維素酶的定量方法

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

5? 纖維素酶產生菌及其特征（表6）

真菌和細菌因其有能力生產多種不同類型的纖維素酶和半纖維素酶而被開發。人們關注的重點都放在真菌的使用上，因為它們有能力產生高濃度的纖維素酶，通常沒有細菌纖維素酶復雜，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，能更高效產生重組酶;（2）細菌纖維素酶通常更復雜且存在于多酶復合酶系中，能提供更全面的功能和協同作用;（3）細菌棲息于廣泛的環境和工業生態中，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生纖維素分解酶，且這些在極端條件下產生的酶是穩定的，因此可以用于生物轉化過程。這可能會增加酶的水解、發酵和產物回收率。現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的應用。

許多細菌可以在纖維素上生長，且產生能降解可溶性纖維素衍生物或結晶纖維素無定形區域的酶。然而，僅有少量細菌能合成可廣泛降解自然界中存在的結晶物質的完整酶系統。這些少量的細菌應該被稱為“真正的纖維素分解”細菌，那些產生部分內切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，但不是完整系統的細菌被稱為“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。這里有從不同的環境中分離出不同類型的細菌產生纖維素酶。部分重要的細菌和其纖維素酶組分的特征如下。