国家食物与营养咨询委员会
作者：刘 颖， 林亲录 （湖南农业大学食品科学技术学院，长沙 410128）
摘要：纤维素酶是一种高活性生物催化剂，具有广泛应用价值。本文简要介绍了纤维素酶，通过对纤维素酶的研究的了解，从其制取和应用方面进行了综述。
众所周知，纤维素占植物干重的35%～50%，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。对人类而言，它同时又是自然界中数量最大的可再生性物质，它的降解是自然界碳素循环的中心环节。纤维素的利用与转化对于解决目前世界能源危机、粮食短缺、环境污染等问题具有十分重要的意义。自从1906年在蜗牛消化道发现纤维素酶以来，纤维素的微生物降解问题就得到了足够的关注。纤维素被彻底分解而又无污染的一条有效途径，便是利用纤维素酶的水解作用。纤维素酶（cellulase）是指能水解纤维素β-1，4葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶总称，它不是单一酶，而是起协同作用多组分酶系。纤维素酶由葡聚糖内切酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶）、葡聚糖外切酶（EC3.2.1.91，也称C1酶）、β-葡萄糖苷酶（EC2.1.21，也称CB酶或纤维二糖酶）三个主要成分组成的诱导型复合酶系。C1酶和Cx酶主要溶解纤维素，CB酶主要将纤维二糖、纤维三糖转化为葡萄糖，当三个主要成分的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素降解。其酶催化效率高，比一般酶高106～107倍；酶的催化反应具高度专一性，酶对其作用底物有严格选择性，催化反应条件温和，酶催化活力可被调节控制，无毒性。
1 纤维素酶的制取
1.1 制取纤维素酶的菌种和方法
纤维素酶来源非常广泛，昆虫、微生物（细菌、放线菌、真菌等）都能产生纤维素酶，通过微生物发酵方法是大规模制备纤维素酶的有效途径。不同微生物合成的纤维素酶在组成上有显著的差异，对纤维素的酶解能力也不大相同。由于放线菌的纤维素酶产量极低，研究很少。细菌的产量也不高，主要是葡聚糖内切酶，且大多数对结晶纤维素没有活性，所产生酶是胞内酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到细胞外，增加提取纯化难度，在工业上很少应用。而丝状真菌具有产酶诸多优点：产生纤维素酶为胞外酶，便于酶的分离和提取；产酶效率高，且产生纤维素酶的酶系结构较为合理；同时可产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。从纤维素酶工业化制备及其应用角度看，研究和采用丝状真菌产酶具有更大意义。从目前研究进展来看，里氏木霉同时具有较为稳定性状、优质高产纤维素酶的能力和较好“抗代谢阻遏”能力，被认为是最具有工业应用价值菌株。
1.1.1 产酶菌株选育及诱变育种
利用物理、化学诱变剂单独或复合处理微生物孢子或细胞是选育纤维素酶高产菌种的有效方法。张苓花等采用康宁木霉W-925、J-931，经过浓度为2%硫酸二乙酯和紫外线（15W、30cm、2min）复合诱变得到产酶活性高的菌种，该菌种糖化力达到2975，滤纸酶活达到531，比出发菌株分别提高100%和81%。中科院微生物研究所董志扬等用康宁木霉通过γ射线照射和亚硝基胍交替处理，诱变出一株纤维素酶高产菌株T801，与出发菌株相比，其产酶能力提高1.77倍。青岛海洋大学管斌等通过利用紫外线、亚硝基胍等对里氏木霉进行诱变处理，采用低剂量、反复多次复合诱变处理方法，用“以2-脱氧葡萄糖作为降解产物阻遏物”高效筛选方法，选育得到一株抗分解代谢阻遏的突变株，使纤维素酶活力提高三倍。
1.1.2 DNA体外重组技术
以得到纤维素酶过量生产为主要目的而进行纤维素酶基因克隆研究，在20世纪80年代十分活跃，在国外已有约80个组分的基因被克隆，但表达、分泌均很弱。因此已逐渐转向应用基因工程方法组建有新特性的纤维素酶分子。
1.2 纤维素酶的制取工艺
方法有两种：即固体发酵和液体发酵。生产原料有麸皮、秸秆粉、废纸、玉米粉和无机盐等。
1.2.1 固体发酵法
固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸杆为主要原料，通过接种微生物进行发酵工艺，具有投资少、工艺简单、产品价格低廉优点。但固体发酵法存在着根本缺陷，其生产纤维素酶很难提取、精制。目前国内绝大部分纤维素酶生产厂家采用该技术生产纤维素酶时，只能通过直接干燥粉碎得到固体配制剂或用水浸泡后压滤得到液体配制剂，这样所得产品外观粗糙，质量不稳定，杂质含量高。国内外生产厂家采用固体发酵法时，对木霉纤维素酶的研究较多，而木霉一方面毒性嫌疑大，使之应用受到限制；另一方面普遍存在着β-葡萄糖苷酶活力偏低的缺陷，致使纤维二糖积累，影响了酶解效率。故有人采用在木霉纤维素酶中添加曲霉的β-葡萄糖苷酶，提高了纤维素酶的降解能力。鉴于固体发酵的缺憾，随着液体发酵配制剂工艺发展及菌种性能提高，采用液体发酵法生产纤维素酶势在必行。
1.2.2 液体发酵法
液体发酵生产工艺过程是将玉米秸秆粉碎至20目以下进行灭菌处理，然后送发酵罐内发酵，同时接入纤维素酶菌种，发酵时间约为70h，温度控制低于60℃。从发酵罐底部通入净化后无菌空气对物料进行气流搅拌，发酵完物料经压滤机压滤、超滤浓缩和喷雾干燥后得到纤维素酶产品。液体发酵虽有发酵动力消耗大、设备要求高等缺点，但液体发酵原料利用率高、生产条件易控制、产量高、工人劳动强度小、产品质量稳定、可大规模生产等优点又使该方法成为发酵生产纤维素酶必然趋势。
2 纤维素酶的应用
2.1 在食品工业中的应用
纤维素酶在食品工业应用极为广泛。如将纤维素酶应用于豆腐生产工艺中，结果表明，在大豆浸渍时添加0.5%～5.0%纤维素酶，可提高4.00%～11.01%豆腐出品率，且所产豆腐色质和风味无明显变化，同时不改变原有生产工艺路线，其经济效益比较明显。用纤维素酶处理茶叶制备速溶茶，可有效提高速溶茶提取率，具有一定稳定性，制成速溶茶不仅保持茶叶天然的色、香、味和营养成分，且无不溶性渣滓，饮用方便。纤维素酶应用于果蔬榨汁、花粉饮料有利于细胞内物质渗出、增加出汁率约10%、减少压榨压力、促进汁液榨取和澄清作用。纤维素酶处理植物可使细胞壁发生不同程度改变，如软化、膨胀和崩溃等，从而可提高细胞内含物提取率，用于处理大豆，不仅可促使其脱皮、增加从豆类中提取优质水溶性蛋白质得率，且还可回收豆渣中蛋白质和油脂。纤维素酶用于淀粉制造，可缩短时间，增加得率；还有报道称，用纤维素酶结合现代工程技术可改善烟草品质。白酒酿造所用原料中纤维含量较大，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，再经酵母分解全部转化为酒精，提高3%～5%出酒率，且酒体质量纯正，淀粉和纤维利用率高达90%。纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油得率，加快发酵速度，改善酱油风味和质量，配制剂用量仅为0.0125%，酱油中还原糖增加10.7%，色度提高4.2%，全氮和原料利用率分别比不加纤维素酶提高8.6%和8.1%。在食醋酿造过程中，将纤维素酶与糖化酶混合使用，可明显提高原料利用率和出品率；应用于啤酒工业麦芽生产上，可增加麦粒溶解性、加快发芽、减少糖化液中β-葡萄糖含量，改进过滤性能。
2.2 在饲料工业中的应用
畜禽饲料中含有大量的纤维素，除某些反刍动物具有分解纤维素能力外，大部分畜禽不具此能力。纤维素酶是畜牧业中的一种新型饲料添加剂，能够分解结构复杂的纤维素，生成易消化物质葡萄糖，摧毁细胞壁释放内容物，便于动物消化吸收。能够为畜禽体内增加和补充各种消化酶，强化消化系统的酶解功能，增进食欲，促进生长发育。为了提高饲料的消化率，在配合饲料中添加极少量纤维素酶（一般在0.1%～0.3%）即可收到显著效果。当用纤维素酶制剂作用裸麦、大麦、玉米时，可使糖的总氮量明显增加。在青贮饲料中加纤维素酶使纤维素分解促进乳酸发酵，这样处理后的青贮饲料，比对照柔软，曲香味明显提高，酸度和还原物质随纤维素减少而增加。另外加纤维素后，由于纤维素被消化，乳酸发酵提高，贮存性能也提高。在饲料中添加纤维素酶后，喂幼鸡、仔猪及一般虚弱动物时，喂养效果明显，喂蛋鸡可提高产卵量，喂乳牛时，不仅可以使体重增加，而且提高产乳量。
2.3 在水产业中的应用
鱼虾类不具备分泌纤维素分解酶的能力，不能直接利用粗纤维，但是鱼虾类饲料中含有适量的粗纤维是维持消化道正常功能所必需的。适量的纤维素能促进肠道蠕动，刺激消化酶的分泌，扩大食物团与消化酶的接触面。研究表明，饲料中纤维素还有降低血清胆固醇的作用。而纤维素成分过多，食糜通过消化道速度加快、消化时间缩短、导致蛋白质和多种矿物质元素吸收利用率下降，排泄物增多，进而会污染水质，破坏鱼类生长环境，导致鱼类生长速度和饲料效率下降。鱼虾类消化道中的微生物能分泌一定的纤维素酶，将鱼类摄入饲料中的粗纤维中的半纤维素、纤维素分解成纤维二糖、三糖等短链低聚糖并最终以葡萄糖的形式为鱼类消化道吸收、利用。吸收后的单糖在肝脏及其他组织进一步氧化分解，并释放出能量，或被用于合成糖原、体脂、氨基酸，或参与合成其他生物活性物质。
2.4 在洗涤剂工业中的应用
近年来，碱性纤维素酶在洗涤剂上应用改变传统去污机制。酸性纤维素酶对木质素作用是一个糖化过程，在多种组分协同作用下能得到更多最终产物葡萄糖；而碱性纤维素酶是一种组分的内切葡萄糖苷酶，主要与棉纤维中仅占10%左右非结晶区纤维素分子起作用，碱性纤维素酶可选择性吸附在棉纤维非结晶区，使棉纤维膨松，水合纤维素分解，胶状污垢脱落。沈雪亮等从废纸浆中选育一株芽抱杆菌，该菌产羧甲基纤维素酶能力很强，显示重要工业应用价值，具有良好应用前景。
2.5 在麻棉混纺织物后整理中的应用
天然纤维如棉、麻等纺织品具有较强的吸湿、透气性，倍受消毒者青睐。但棉、麻及其混纺布料上存在细毛，与皮肤接触时会产生刺痒感，因此近几年来，利用纤维素酶进行生物整理越来越受到纺织界的重视。利用纤维素酶进行酶处理，能使麻、棉表面剥离和纵向复合细胞间层侵蚀，使纤维梢丝束化或脱落，能极大地降低对皮肤的刺痒，提高棉麻织物的服用性能及产品的档次。
2.6 其它方面
纤维素酶在造纸、地质钻井、草药提取等方面均有很大应用潜力。用纤维素酶适当处理纸浆，能增加微细纤维生成量和提高保水度，有可能促进某些纸张抗张力提高。此外，纤维素酶还应用于医药行业制消化剂等。
3 展望
纤维素是自然界中十分丰富的资源，纤维素酶具有高效性和安全性，我国对纤维素酶的主要研究方向是用于食品和酿造领域。自20世纪80年代以来，纤维素酶菌种产酶能力和生产技术水平都有较大提高，90年代后建成一些纤维素酶生产厂。
