纖維素酶的應用分享

1 在動物飼料中的應用

纖維素酶的應用開始于上世紀80年代早期，首先應用于動物飼料中。它的營養作用機理主要在于以下幾個方面。

1）毀植物細胞壁,釋放胞內養分。植物細胞內的營養物質由植物細胞壁包裹,植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠組成。纖維素酶可在半纖維素酶、果膠酶等協同作用下破壞細胞壁,使細胞內容物釋放出來以利于進一步降解提高吸收率,同時也增加了非淀粉多糖的消化進而改善了高纖維飼料的利用率。

2）補充動物內源酶的不足,剌激內源酶的分泌。雖然草食動物能通過體內的微生物合成部分纖維素酶,但酶量有限,使粗纖維的消化吸收受到一定限制,而補充纖維素酶制劑則可明顯提高對纖維素的利用率。對雞、豬等單胃動物而言,其體內缺乏內源性纖維素酶,補充纖維素酶可以彌補這一缺陷,提高對纖維素的消化利用能力。同時,添加纖維素酶后,動物消化道酶系的組成、酶分泌量及活性可以得到改善,并改善消化道環境,增加酸度,激活胃蛋白酶。因此,畜禽日糧中添加纖維素酶對幼齡動物及病態和應激狀態下的成年畜禽尤為重要,因為此時動物消化酶分泌量明顯下降,添加纖維素酶效果會更為顯著。

3）緩解或消除飼料抗營養因子的影響。果膠、半纖維素、β- 葡聚糖及戊聚糖能部分溶解于水中并產生粘性,增加了動物胃腸道內容物的粘度,對內源酶來說是一個屏障,降低了營養物質的消化吸收。而補充纖維素酶后,能在半纖維素酶、果膠酶、β- 葡聚糖酶等的協同下將纖維素、半纖維素、果膠、戊聚糖等大分子物質降解為單糖和寡糖,從而降低粘稠度,促進內源酶的擴散,增加養分的消化吸收。

4）促進小腸對營養物質的吸收。纖維素酶具有維持小腸絨毛形態完整,促進營養物質吸收的功能。
在實際生產中通常將纖維素酶與半纖維素酶、果膠酶、β- 葡聚糖酶等組成復合酶制劑用于飼料中以取得更好的應用效果。目前,主要有兩種應用方法:1) 體外酶解法:把纖維素酶與秸稈或其他粗飼料拌勻后,在一定的溫度、濕度和pH 值下堆積或密封發酵一定時間后,晾干或直接飼喂動物;2) 體內酶解法:把纖維素酶以添加劑的形式加入飼料中拌勻后飼喂動物,借助動物消化道的內環境而發揮作用。大量試驗研究表明,飼料中添加纖維素酶對各種動物的飼喂效果十分顯著。尹清強等在荷斯坦奶牛日糧中添加50g/頭的纖維素酶,使產奶量提高了8.9%,飼料轉化率提高10%。許梓榮等在含30%麩皮的肉雞日糧中添加β-葡聚糖酶、木聚糖酶和纖維素酶,使日增重提高9.79%,飼料轉化率改善4.76%,干物質、粗纖維、粗脂肪和粗灰分的消化率分別提高10.58%、25.90%、 21.76%和7.12%。Qureshi等在大麥基礎飼料中添加0.08%纖維素酶,顯著提高了肉雞日增重。

2 在酒精發酵中的應用

纖維素是一種資源十分豐富的可再生能源。二次大戰后，石油開發和石油加工工業飛速發展，以石油加工工業為基礎的合成酒精大量生產，其價格低于發酵法酒精，因此大部分發酵酒精廠都倒閉了，特別是纖維酒精廠，只有在前蘇聯還繼續在開工生產。20世紀50年代，木材稀酸水解酒精發酵在前蘇聯還得到了一定的發展。近20年，由于科學技術的進展，纖維素酶活力的提高；連續制備纖維素酶新工藝的研究取得成功；纖維素預處理技術得到發展；混合酶水解和發酵的新工藝得到應用，連續水解的工藝也有了突破。纖維素制酒精的技術已經通過中間試驗階段，具備工業生產的技術條件。目前，纖維素原料酒精生產的瓶頸在于成本問題。

影響纖維素酶水解酶活的因素有：底物，纖維素酶活以及反應環境（包括溫度，pH和其他一些參數）。為了提高酶水解的速度和處理量，現在的研究重點主要在優化水解工藝和提高纖維素酶活。纖維二糖，甚至于葡萄糖對纖維素的酶活都有抑制作用，目前采用的減少抑制的方法有：采用高濃度的酶；水解過程中補充β-葡萄糖苷酶；在水解過程中利用超濾或邊糖化邊發酵（SSF）以除去糖。SSF已經被廣泛的研究用于減小水解的最終產物對酶的抑制作用。在此工藝中，由纖維素水解產生的糖同時被發酵生成酒精，這樣就大大的減小了產物對水解的抑制作用。在SSF中常用的微生物是真菌T.reesei和酵母S.cerevisiae 。SSF的最佳溫度在38℃左右，這樣即考慮了水解的最適溫度（45-50℃），又顧及了發酵的最適條件（30℃）。在SSF中，水解是個限速過程。為了使發酵溫度更加接近最適酶活溫度，一般采用耐熱性酵母和細菌。Ballesteros等已經從27株酵母中鑒定了兩株菌：Kluyveromyces marxianus和 K.fragilis。他們產酒精的最高溫度為42℃。在42℃，以Solka Floc200為培養基，培養78小時，K. marxianus的酒精產量達到0.5g/(g纖維素)。Kadam和Schmidt也發現，以經過處理白楊稀酸液為培養基，在40℃的條件下，一種耐熱酵母Candida acidothermophilum能達到的酒精量是理論產量的80％。而Kluyveromyces相對于 Candida和Sacharomyces而言具有更好的耐熱性。相對于水解--發酵兩步工藝，SSF具有以下優點：

1.通過對酶活有抑制作用的糖的轉化，提高了水解的速度；

2.更低的酶用量；

3.更高的底物處理量；

4.由于產生的葡萄糖立刻被除去同時產生酒精，降低了對環境滅菌的要求。

5.縮短了工藝時間；

6.降低了所需反應器的容量，因為只使用一個反應器。然而，酒精對纖維素酶活也有抑制作用。Wu和Lee研究SSF發現，在38℃下，在酒精濃度分別為9、35、60g/l時，纖維素酶活失活量達到9％、36％、64％。

在SSF中需要注意的不利因素有：

1.水解最適溫度和發酵最佳溫度的不一致；

2.微生物的耐酒精度；

3.酒精對酶的抑制作用。

3 在紡織行業中的應用

纖維素酶作為一種高效生物催化劑,因其具有可降解性及對織物能產生可控的整理而廣泛應用于紡織行業。其中，紡織品生物石磨及生物拋光是纖維素酶最成功的應用。

1）生物石磨。藍色牛仔服在近些年來越來越受到人們的青睞。在20世紀70年代后期及80年代初期，工業上主要采用浮石洗工藝去除纖維表面的染料，以達到霜白效果。采用纖維素酶洗滌不僅能對纖維表層進行可控的"刻蝕",使織物產生不均勻的褪色，而且對織物內部纖維的強力不會過度損傷。牛仔服的酶洗可以使用中性和酸性纖維素酶,酸性酶用量少,效果快,但服裝返染嚴重。中性酶用量相對大,但是返染較少。纖維素酶的使用一方面有利于保護環境；另一方面,處理后的織物手感細膩、柔軟、耐用性增強,因而纖維素酶洗工藝已廣泛取代了傳統的石磨水洗。

2）生物拋光。為了防止及除去織物表面的毛球，運用纖維素酶對織物進行生物拋光顯得格外必要。用纖維素酶處理在織物表面改性方面開辟出了新領域。在酶洗過程中,因纖維素酶分子比水分子要大1千倍以上,不能透入棉纖維的內部。所以只有接近纖維素纖維表面的β-1,4-葡萄糖苷鍵受到影響。織物表面的纖細纖維在生物降解和機械力作用的影響下脫落，得到了平滑的纖維表面。織物經纖維素酶處理后，大大降低了起毛起球的趨勢；而且手感柔軟，懸垂性好；吸水性也得到了改善。纖維素酶生物整理已成為織物后整理的一種新穎的高科技紡織技術。但是，很多的試驗顯示,當棉織物用纖維素酶處理后,其強度都會有明顯降低,說明纖維素酶會進入纖維的內部,降解纖維。電鏡結果顯示棉織物通過酶洗后,纖維變細和光滑。因此,有人研制了用水溶性高分子修飾或采用變性的纖維素酶,使酶分子變大,這樣酶只吸附在纖維的表面,很難進入纖維的內部。鐘安華利用PEG經均三氯三嗪活化后處理纖維素酶。所得的纖維素酶活性提高,處理溫度和pH范圍增大,有效降低纖維強力損失和減量率，同時修飾酶還可以重復利用，經濟效益好。另外，對棉織物的強度降低起主要影響的是纖維素酶系中的外切酶組分，Wang 等人利用基因工程手段，通過eg3基因表達單位置換cbh1基因獲構建新的Trichoderma reesei 菌株，該菌株具有高產內切纖維素酶而低產外切纖維素酶的特點，可以更適合棉織物的處理。

4 在造紙中的應用

制漿造紙工業是國民經濟的重要支柱產業之一，但目前制漿造紙工業所面臨的原料短缺，能源緊張，污染嚴重的三大問題束縛著它的發展。近年來，人們相繼研究并應用了一系列新方法和新技術于制漿造紙工業中，期望通過技術進步和創新來解決困擾制漿造紙工業發展的這些不利因素，纖維素酶的研究與應用無疑是實現這一目標的一條有效途徑。主要包括纖維素酶法廢紙脫墨、纖維素酶法處理改善紙漿性能和成紙質量等。

1）廢紙脫墨。常規脫墨方法是使用一些化學藥品，在一定的溫度及適當的機械作用下，將油墨從纖維上分離下來，然后再用浮選和/或洗滌工藝將剝離下來的油墨從紙漿中除去。酶法廢紙脫墨回收二次纖維是一項嶄新的生物技術。目前，用于脫墨研究的酶制劑有纖維素酶、脂肪酶、酯酶、果膠酶、淀粉酶、半纖維素酶和木素降解酶。酶處理法是采用酶進攻油墨或纖維表面，其中脂肪酶和酯酶能夠降解植物油基油墨；果膠酶、淀粉酶、半纖維素酶、纖維素酶和木素降解酶則改變纖維表面或油墨離子附近的連接鍵，從而使油墨分離，經洗滌或浮選法脫除。與傳統的化學法脫墨相比，酶脫墨具有明顯的優勢，它可以降低能耗、減輕環境污染，脫墨率亦高于化學法脫墨。實驗室研究和工業化規模實驗已證實酶法脫墨是一種效果好、經濟可行的廢紙脫墨方法。酶法脫墨漿較之常規堿法脫墨漿具有游離度高、濾水性能好、物理性能優、白度高和殘余油墨量低的優點。更重要的是酶法脫墨可以通過改變酶的組成、用量、處理時間、pH和添加一些助劑來控制油墨粒子大小分布和形狀，所以酶法脫墨可以有效地提高浮選脫墨效果（浮選脫墨以油墨粒子大小為基礎），從而能夠有效地去除大粒徑的、扁平的和剛硬的油墨[10]。

最近，Welt and Dinus提出纖維素酶法脫墨的幾種可能機理：

①酶把固定油墨的纖維素纖維部分水解和降解，使它們彼此分離，油墨粒子在碎漿過程中得到分離；

②酶處理通過提高細纖維化或去除單根纖維表層使纖維間結合力降低，進而分離出油墨；

③酶的催化水解并不是主要的，重要的是纖維素酶可使纖維表面遭到一定程度的降解，從而在碎漿中將油墨分離出去；

④纖維素酶從纖維表面剝離掉細小纖維使油墨粒子脫離分散到懸浮液中；

⑤酶的作用是間接的，通過去除微細纖維和細小組分來改善紙漿的濾水性能并促進洗滌或浮選；

⑥纖維素酶和半纖維素酶分解除去已剝離下來油墨粒子上殘留纖維，增加油墨顆粒的疏水性，提高后續的浮選處理效果；

⑦機械作用使纖維表面或纖維上的纖維素分子鏈扭曲，從而增加酶的可及度和浸蝕性，因此機械作用對酶脫墨是非常重要和必要的。

2）纖維素酶法處理改善紙漿性能。酶處理改善紙漿性能包括降低機械漿磨漿能耗、提高化學漿的打漿性能和改善紙漿纖維性質。酶處理還可改善磨漿性能，紙漿在磨漿之前，用纖維素酶、半纖維素酶進行預處理，可以改進磨漿效果。一般應用于機械漿，很少用于化學漿。廢紙漿濾水性差的主要原因是細小纖維含量和填料含量較高，而纖維素酶能選擇性地水解廢紙漿中的細小纖維，從而提高廢紙漿的濾水性能。目前，酶法處理改進廢紙漿濾水性能的工業應用已取得了一定進展。 Pommier等人通過實驗室和中試研究發現，采用含有纖維素酶活和半纖維素酶活的liftaseA40酶處理舊瓦楞紙板為的二次纖維，在較低用量下，能夠提高廢紙漿的游離度和濾水性能而不引起紙漿物理性能的損失。經過酶處理后的廢紙漿，因其濾水性能提高，既可提高紙機車速以提高生產能力，又可降低網前箱的濃度以提高紙張勻度并保持較好的機械強度，進而提高了成紙質量。在中試的基礎上，利用liftaseA40酶先后對30家造紙廠的再生紙板生產進行了生產性應用，均取得了明顯的效果，同中試的結果相符合。廢紙漿經過酶（酶用量0.2％）處理后，廢紙漿在生產硫酸鹽漿掛面紙板的配比增加了32％，降低了生產成本。(中國酶制劑 www.cnenzyme.com )

5 在其他方面的應用

在現代工業中，纖維素酶其他方面也有著廣泛的應用：色素提取液中以有利于色素的提取；添加到去垢劑中使色澤明亮柔和；在醬油釀造中添加纖維素酶可使大豆類原料的細胞膜膨脹軟化破壞，使包藏在細胞中的蛋白質和碳水化合物釋放，這樣既可提高醬油濃度，改善醬油質量，又可縮短生產周期，提高產率，并且使其各項主要指標提高；此外纖維素酶還可以在果品與蔬菜加工，茶葉加工，橄欖油的生產，水產（魚蝦）飼料等方面得到應用。