纤维素是地球上最丰富的多糖物质，它广泛而大量地存在于谷物、豆类、麦类及其加工副产品等畜禽饲料里，是多个葡萄糖残基以 β-1，4-糖苷键连接而成的多聚物，其基本重复单位为纤维二糖。在天然纤维素中，木质素和半纤维素形成牢固结合层，紧密地包围纤维素。除了反刍动物借助瘤胃微生物可以利用一部分纤维素外，猪、鸡等单胃动物胃肠道内因缺乏纤维素酶而不能利用，大大限制了纤维素在饲料上的利用[1]。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起协同作用的复杂酶系，主要由细菌和真菌产生。细菌纤维素酶产量少、活性低、酶系单一（主要是Cx酶），而且不能分泌到胞外。丝状真菌具有诸多优点：产生纤维素酶为胞外酶，便于酶的分离和提取；产酶效率高，产生纤维素酶的酶系结构较为合理，相互间能发生强烈的协同作用；可同时产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。大部分真菌产酸性纤维素酶，有利于在畜禽胃肠道里发挥作用，所以目前饲用纤维素酶大多来源于真菌。
真菌纤维素酶主要包括3种组分：外切葡聚糖酶(C1酶，exo-1，4-β-D-glucanase，G3.2.1.91，来自真菌的简称CBH)、内切葡聚糖酶(Cx酶，endo-1，4-D-glucnase，EC3.2.1.4，来自真菌的简称EG)和葡萄糖苷酶(β-1，4-glucosidase，EC3.2.1.21，简称BG)，也称纤维二糖酶[2]。真菌纤维素酶属于异构酶，3种组分都有多种异构体。如CBH主要包括cbh1和cbh2两种异构酶；EG主要有egl1、egl2、egl3和egl5，其中egl1为主要内切葡聚糖酶；BG有bgl1和bgl2两种异构酶。这3种组分的分工不同，C1和Cx酶主要溶解纤维素，BG酶主要将纤维二糖、纤维三糖转化为葡萄糖，当它们的活性比例适当时，就能协同作用将纤维素彻底水解成较小的寡糖或者低聚糖，从而有利于动物吸收[3]。
1 纤维素酶的真菌来源及菌种选育
1.1 真菌来源
纤维素酶的真菌来源非常广泛，比较典型的有木霉属（Trichoderma sp.）、曲霉属（Aspergillus sp.）和青霉属（Penicillium），另外还有血红栓菌、疣孢漆斑菌QM460、变色多空霉、乳齿耙菌、腐皮镰孢、嗜热毛壳菌QM9381和嗜热子囊菌QM9383等，其它真菌也产纤维素酶。其中里氏木霉（T. reesei）和黑曲霉（A.niger）是公认的安全微生物，不产生毒素，而且产率高、酶系全、活性高、较为稳定，是目前应用最广的纤维素酶生产菌。
1.2 菌种选育
优良菌株的选择是纤维素酶发酵生产的前提和关键之一。可以利用物理、化学诱变剂单独或复合处理微生物孢子或细胞的方法来选育纤维素高产菌种，如董志扬等（2000）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[4]；邱雁临等（2002）以绿色木霉NO为出发菌株，经紫外线、亚硝基胍诱变处理，得到耐高温、高酶活菌株110，其中内切葡聚糖酶的酶活提高了2.8倍[5]；管斌等（2002）通过紫外线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 “2－脱氧葡萄糖”作为降解产物阻遏物的高效筛选方法，选育得到一株抗分解代谢阻遏物的突变株，使纤维素酶活力提高3倍[6]。
真菌纤维素酶系中常常会由于某种组分酶活性较低而不能很好的发挥协同作用，针对这种缺陷，有学者提出了可利用原生质体融合技术来打破物种间细胞不能相互融合的障碍，获取具有全纤维素酶高产菌株[7]。他们还尝试对不同属种间的纤维素酶系的亲和相容性或多态性进行研究，通过细胞融合，获得了既能分解纤维素，又能分解木质素的稳定梭菌杂种菌株。
2 真菌纤维素酶基因的克隆与表达
近年来，随着现代生物技术的迅猛发展，越来越多的真菌纤维素酶基因得到克隆和表达。经过对比发现，不同真菌菌株的同一类型的纤维素酶基因有较高的同源性，但同一菌种不同类型的纤维素酶基因间的同源性相对较低[8]。已知里氏木霉有8个纤维素酶基因得到克隆，包括编码纤维二糖水解酶的cbh1、cbh2和编码内切葡聚糖酶的egl1、egl2、egl3、egl4和egl5[9]，以及编码β-葡萄糖苷酶的bgl4。测序比对发现，cbh1与egl1同源性为52％；cbh2与egl3整体同源性很小，而且它们与cbh1和egl1两个基因基本上不存在整体同源性；而里氏木霉cbh1与绿色木霉cbh1基因的同源性达95％，里氏木霉egl3与裂褶菌egl1基因的同源性也较高。由此可以看出，不同类型的纤维系酶基因的进化是各自独立的，在进化之初可能只存在一个纤维素酶基因，它编码糖酵解酶的前体，但由于进化选择的压力，这一基因发生了突变进化，通过这种歧异进化，形成了一个复杂的真菌纤维素酶基因家族[10]。这种进化是纤维素酶对天然纤维素复杂结构的适应。
通过构建基因工程菌来提高纤维素酶产量和质量已成为推动纤维素酶广泛应用于饲料业生产中的重要手段。几乎所有已克隆的纤维素酶基因都已在大肠杆菌中得到表达。但是这一原核表达系统的表达水平很低，产生的酶多数不能分泌到胞外，因而难以提取。为了得到胞外分泌产物，一些纤维素酶基因已在枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、乳酸发酵短杆菌和变青链霉素等中得到了有效表达。但由于纤维素酶基因在异源宿主中的表达要遇到蛋白酶水解和糖基化等问题，其分泌机制尚不清楚，无法达到纤维素酶生产要求。所以现在大多采用真核表达系统来表达纤维素酶基因。真菌纤维素酶基因在酵母中的表达是纤维素酶用于工业生产的一个重要途径。这是因为，酵母可以克服在原核表达系统中无法进行特定翻译后修饰的缺陷，不产生毒素，是一种较为理想的真核表达系统；用其表达纤维素酶基因，其产物高度糖基化，表达水平高，而且产物直接分泌至胞外。如Godbole等[11] （1999）将T. reesei cbh1在Pichia pastoris中成功地转化并表达。肖志壮等[12](2001)利用PCR法从瑞氏木霉cDNA文库中扩增出内切葡聚糖酶1(egl1)全长基因并克隆到酿酒酵母非整合型表达载体pAJ401上，表达出具有活性的egl1酶蛋白。近年来，以Aspergillus oryzae为表达系统的研究也渐渐增多。Takashima等[13](1999)将T. reesei bgl2 基因在A. oryzae中表达成功，酶活检测显示了EG酶活性。
但是，目前利用酵母表达外源纤维素酶基因的水平有限，故如何建立有效的纤维素酶基因真菌表达体系，提高酵母表达纤维素酶的产量有待进一步研究[14]。
3 真菌纤维素酶的生产
生产真菌纤维素酶有固体发酵[15]和液体发酵两种方法。和固体发酵法相比，液体发酵有发酵动力消耗大、设备要求高等缺点，但具有原料利用率高、生产条件易控制、产量高、劳动强度小、产品质量稳定、不易污染、可大规模生产等优点，是发酵生产纤维素酶的必然趋势[16]。
目前，真菌纤维素酶的生产多采用液体深层发酵法，在此基础上又出现了流加培养法、分批发酵法、连续发酵法、二次发酵法及细胞循环法等。由于不同真菌的纤维素酶系在各组分均衡性方面有互补现象，纤维素酶各组分之间生化性质的复杂性和酶学作用的交迭及异构酶的存在，纤维素酶系均衡性的研究引起了人们的注意。因此，通过微生物混合发酵生产出优质高效的混合纤维素酶系显得尤为重要[17]，如应用最广泛的里氏木霉常常存在β－葡萄糖苷酶活力较低的不足，导致纤维二糖积累，降低酶解效率。为改善纤维素酶系各组分的相对含量，从而充分发挥它们之间的协同作用，曹健等[18]（2003）在优化里氏木霉培养条件提高酶活的同时，添加一定比例的黑曲霉进行混合培养，利用黑曲霉产生的β－葡萄糖苷酶明显改善了里氏木霉纤维素酶系的协同作用效果，在最适培养条件下，粗酶液的β－葡萄糖苷酶活和滤纸酶（FPA）酶活分别达到127.6U/ml和84.8U/ml，β－葡萄糖苷酶的产量是对照组的2.9倍，FPA酶活提高了近2.3倍。涂璇等[19]（2004）研究了2种曲霉(UF2和UA8)二元混菌体系和两种曲霉与1种酵母菌组成的三元混菌体系混合发酵对纤维素酶系3种酶组分活性的影响。结果表明：2种霉菌按一定比例接种进行混合发酵时3种纤维素酶组分的活性较单菌发酵大幅度提高，滤纸酶(FPA)、微晶纤维素酶(AVI)和羧甲基纤维素酶(CMC)活性分别较UA8单菌发酵提高2.2％～51.1％、20.7％～332.6％和29.4％～29.6％ ；向由两种霉菌组成的二元混菌发酵体系中接入酵母菌可显著降低3种纤维素酶组分的活性；3菌混合发酵能使纤维素酶3组分的产酶高峰出现时间较双菌混合发酵滞后约24h，但3菌与双菌混合发酵3种纤维素酶组分的酶活峰值无明显差异；双菌混合发酵有利于缩短纤维素酶生产发酵周期，为利用多菌混合发酵提高纤维素酶活性研究和技术开发提供参考。
4 在饲料上的应用
真菌纤维素酶作为饲料添加剂在动物体内的主要营养作用有：降解植物细胞壁，释放胞内养分；激活内源酶的分泌，补充内源酶的不足；消除抗营养因子，降低饲料粘性，提高酶的催化效率；改善胃中菌群结构及比例，同时增加单细胞蛋白含量；维持小肠绒毛形态完整、促进营养物质的吸收；能与半纤维素酶、果胶酶、β－葡聚糖酶等其它酶协同作用，因此，使用复合酶制剂要比单独使用纤维素酶的效果好[20]。近年来国内外大量的饲养试验、消化代谢试验[21-25]都已证明，在畜禽饲料中添加纤维素酶能明显提高动物对粗纤维、粗蛋白等营养物质的利用率，促进生长发育和改善生产性能。
另外，纤维素酶在草食性家畜胃肠疾病的治疗方面也有一定应用。纤维素酶降解纤维素的功能一方面直接降低了它们的致病因素；另一方面，使可溶性物质含量增加，促进有益微生物的活动。焦平林等（1996）给32头患白痢黄的犊牛每天服纤维素酶50g，并结合使用抗菌类药物，32头黄犊牛全部治愈，治愈率100％；对17头患前胃迟缓的黄牛每天内服纤维素酶40g，治愈16头，治愈率94.12％；对19头患瘤胃积食的黄牛，使用纤维素酶进行治疗，治愈16头，治愈率84.21％，总治愈率92.78％，表现出了理想的治疗效果[26]。陈侠甫等（1988）在多年研究的基础上认为，纤维素酶对马急慢性消化不良、便秘，牛前胃迟缓、瘤胃膨胀、瘤胃积食等疾病具有明显疗效[27]。
5 总结
我国是一个饲料资源十分紧张的国家，人畜争粮的矛盾比较突出，要保持我国饲料工业和畜牧业的持续发展，必须解决好饲料资源紧张的问题。纤维素是自然界十分丰富的资源，如能加以充分利用，必将产生巨大的经济效益。目前所选育的菌株虽然具有一定的产酶能力，但应用于生产还很不理想，仍然需要寻找新的产纤维素酶菌株或进一步选育高产菌株。高产真菌的基因克隆表达仍是一个重要的研究方向。此外，纤维素酶系的协同降解机制还需要进一步深入研究，以便更好地发挥各组分的作用，使纤维素充分水解。因此，今后应加强这些方面的研究以使其在实际生产中得到更广泛的应用。
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