纖維素降解菌研究進展

佟碩秋，王 嬙，林宗梅，陶 怡，吳擁軍

(貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025)

目前，全球性的食品能源危機威脅著人類的發展，纖維素作為理想的未被利用的可再生生物資源，吸引了眾多科研人員對纖維素降解進行研究[1]。我國作為一個傳統農業大國，農作物秸稈每年的存量在10億t左右，因纖維素作為植物細胞壁的主要組成成分，結構復雜，不易降解，因此利用率極低[2]。纖維素原料轉化生產方式主要有物理法、化學法和生物學方法。物理法和化學法由于生產工藝復雜，成本較高且有一定的環境污染，在實際應用中有所限制。自然界中存在眾多高產纖維素酶的真菌與細菌，因此使用生物法降解纖維素是當前利用纖維素資源的研究熱點。

1 纖維素的結構及性質

纖維素是一種由葡萄糖組成的天然多聚糖，在自然界中分布最廣泛，不溶于H2O及常見的酸堿，常溫下較穩定。特定條件下，可與H2O反應，氧橋斷裂并結合水分子，變成葡萄糖。棉花是最純纖維素來源，纖維素含量在95%以上。纖維素作為植物細胞壁的主要結構之一，與果膠和木質素的結合方式，對植物源食品的品質有較大影響。

圖1 纖維素結構

纖維素的分子式為 (C6H10O5)n，其結構主要由微晶體與非晶區組成(圖1)，不同植物結晶的程度不同，如苧麻的結晶度在70%左右，粘膠纖維低于40%。纖維素中的氫鍵排列有序，呈帶狀結構，有較強剛性。晶體結構程度越高，越難被微生物降解。非晶體區結構相對松散，易被微生物降解。

2 纖維素酶種類及作用機制

纖維素酶是一類存在于微生物及動物體內的，能將纖維素降解為單糖或寡糖的復雜蛋白質。目前，用于生產的主要取自真菌和細菌。葛青[4]等誘導出一株高產纖維素酶木酶，酶活達4.57 U/mL。王琪[5]篩選出一株黑曲霉 Aspergillusniger- 6MA1，發酵條件優化后酶活可升至47.8 U/mL。

根據作用方式的不同，纖維素酶主要有內切葡萄糖苷酶(C1酶)、外切葡萄糖苷酶(Cx 酶)與 β-葡糖苷酶3類。C1酶首先作用于纖維素鏈的結晶結構，融解纖維素衍生物或者膨脹部分降解的纖維素，Cx 酶繼續分解 β-1,4-糖苷鍵，每次酶切下一個纖維二糖單位，β-葡糖苷酶最終將纖維二糖、纖維三糖及其他低分子纖維糊精分解為葡萄糖，但該酶的專一性較差[6]。

3 纖維素降解菌

纖維素降解菌主要有真菌、細菌、放線菌。目前，已分離篩選出大量纖維素降解菌，但能應用到工業降解纖維素的極少[7]。高產纖維素降解酶的真菌多為耐酸菌，在酸性條件下分泌的纖維素酶較多，且為胞外酶，容易從培養液中分離純化酶液，但在堿性條件、缺氧條件及高溫條件下，酶活力下降明顯甚至失去活性。目前，用于工業化生產的纖維素降解真菌主要有白腐真菌、擔子菌、里氏木霉等。其中，因里氏木霉能同時分泌3種不同纖維素酶且活力較高，所以對該真菌的研究最多，分泌纖維素降解酶機制了解最為完整。

相較真菌不耐堿的缺陷，研究人員發現在低氧條件、中性條件及堿性條件下，部分乳酸桿菌與芽孢桿菌等能正常分泌高活性纖維素酶[8]。何頌捷[9]等從白酒酒糟中分離出的貝萊斯芽孢桿菌與解淀粉芽孢桿菌，其分泌的高活性纖維素酶具有較高降解酒糟纖維素的能力。目前，已發現多種厭氧細菌、耐堿細菌能產生纖維素酶，這兩者在生物降解時纖維素酶系統的降解機制與好氧真菌存在差異。在不同溫度、含氧量及 pH 等情

況下，微生物分泌纖維素酶的能力不同，證實了自然環境中纖維素酶的廣泛可得性。

真菌分泌的纖維素酶一般為胞外酶，易于純化收集，產酶量大且酶系相較細菌更為全面，但對環境依賴性強，適應性較差，只適合酸性條件下的工業應用。細菌分泌的纖維素酶一般為胞內酶，較少產胞外酶，提純費用高，但在中性和堿性纖維素酶的工業生產，應用較多，因此商用價值較高[10]。

因工業生產對特殊條件的要求，產纖維素酶的微生物要能在極端條件(強酸、強堿、高溫等)下正常繁殖。張揚[11]從南極菲爾德斯半島分離出4株產木質纖維素酶細菌，鑒定為節桿菌屬、假單胞菌屬、黃桿菌屬。黨佳佳[12]等利用剛果紅水解圈初篩，鹽度梯度馴化，從遼河河口區蘆葦濕地分離出一株高產酶的耐鹽纖維素降解菌LHK-T3，鑒定屬于貪噬菌屬。

4 酶活測定及應用現狀

目前酶活測定方法有單酶活和總酶活測定2種。測定纖維素降解酶的酶活最常用的方法是 DNS(3,5-二硝基水楊酸)測定法，是以纖維素酶水解纖維素產生的還原糖量作為酶活標準，DNS來進行測定。DNS 法易受多種因素(反應條件、濾紙裁剪、試劑存放的時間)影響，測定微量結果時不精確。總纖維素酶的酶活測定常用濾紙片降解法，但受濾紙片材質影響，不同廠家生產的濾紙片的結晶度與淀粉含量不同，單位時間降解所生成的單糖量存在差異。C1酶活測定可用羧甲基纖維素鈉糖化法，但不同生產來源的 CMC-Na 測定同一樣品時，酶活結果也有較小差異。Cx 酶活測定采用對硝基酚纖維二糖和微晶纖維素，測定方法復雜，成本高。β-葡萄糖苷酶的活力測定主要有分光光度法及熒光法，一般選用纖維二糖作為底物[13]。測定高活性纖維素酶的酶活一般用濾紙片崩解法，通過測定纖維素酶酶解濾紙產物中葡萄糖的含量，計算酶活。消解濾紙片的速度越快，證明酶活力越高[14]。

微生物產生的纖維素酶將纖維素降解成還原糖，還原糖可作為生產乙醇、丙酮的原料，純化后甚至能作為食物、藥物等。隨著研究工作者分離出越來越多的可用于工業生產的高產纖維素酶微生物，其應用范圍也越來越廣，涉及紡織業、飼料加工業、造紙工業、洗滌劑工業及能源工業等。在飼料工業上，纖維素酶按一定比例添加到動物飼料中，可在牲畜食用前對飼料中纖維素先行部分降解，能促進牲畜的消化與吸收，同時增加其體內的纖維素酶含量。紡織工業方面，纖維素酶可降解衣物表面細小纖維，使其表面光滑。洗滌工業方面，在洗滌劑中加入高活性纖維素酶，可增加洗滌劑的活性和穩定性，提高去污能力[15]。

5 纖維素降解菌的未來趨勢

纖維素作為可再生、儲量大，但利用不充分的潛在資源，必定是未來研究開發的重點。自然界中存在大量高產纖維素酶微生物，生物降解纖維素又具有環保、高效、經濟等特點，因此分離篩選野生纖維素酶高產菌，并對其降解機制研究一定是重中之重。同時通過分子手段構建高產纖維素酶工程菌也會作為未來研發的一大趨勢。