纤维素酶的研究、生产及其报在纺织上的应用

jiabenwang

1 纤维素酶的研究
    纤维素酶(celtutase)是降解纤维素生成纤维素分子链、纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称 它存在于许多生物中，以微生物为主，细菌、真菌线菌、酵母、白蚁及牛、马消化道中的厌氧菌和某些植物中都有纤维素酶存在，纤维素酶系一般有十到十几种组分，不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性也不尽相同，通常以真菌产生的纤维素酶系为研究对象。
    纤维素酶虽初于l 906年由Seilliere于蜗牛的消化液中发现 。1950年，Reese等人提出纤维素酶作用方式的cl—cx酶假说，随后逐步发展成c． cx酶学说。纤维素酶系分为三类具有协同作用但性质不同的酶，作用原理如下：

      
    不同真菌产生的c，和C 酶的数量是不同 的，康氏木霉(trichoderma koningil)产生1种外切酶、5种内切酶和2种葡萄糖苷酶 ．青霉菌(P·chrysosporium)除产生上述8种酶外，还产生纤维二糖氧化酶。里氏木霉(trichoderma reese)只有4种内切酶和1种外切酶、1种C 酶和1种p一葡萄糖苷酶 ，纤维素酶是一种糖蛋白，对康氏术霉CI酶分析，碳水化合物的含量占7．20％，主要是甘露糖、半乳糖和氨基葡萄糖 。纤维素酶的糖基化对其免受蛋白酶水解有一定保护作用
    纤维素酶分子是由球状的催化结构域(cD)通过一个富含脯氨酸或羟基氡基酸的连接(Linker)和纤维索结台结构域(CBD)三部分组成如下:

        
    整个酶分子呈楔形．球形核区表示了包含催化位点和底物结合位点的CD区，B区代表高度糖基化的连接桥，A区代表纤维素酶结合结构域。连接桥的作用可能是保持CD和CBD之间的距离 纤维素结合结构域执行着调节酶对可溶和非可溶性底物专一性活力的作用．对酶的催化活力是非必需的。催化结构域的三维结构极其复杂．对酶的催化活力起决定作用。
    随着所发现纤维素酶种类的增加，特别是出现不同类型酶蛋白之间的序列、免疫反应及功能上的交叉，原来按功能简单分类的系统已不能足纤维素酶的分类要求。为此，Henrissat等E 提出在催化区氨基酸序列同源性分类基础上再结合疏水簇分析(HCA)技术分析酶蛋白的二级结构进行证实．并加以扩充 Gilkes等根据催化区的保守序列和疏水簇分析将纤维素酶和木聚糖酶分成九类 。。这种分娄方法打破了生源的界限，也使分类更为合理 但是．纤维素酶系的复杂陛及其作用方式的复杂I生，致使研究进展缓慢．迄今尚没有有关纤维素酶的新的理论出现，因此c．一c 酶系理论仍较为普遍被人们所接受.
2 纤维素酶的生产
    纤维素酶生产有固体发酵和液体发酵两种方法。固件发酵法以秸杆、麸皮等为主要原料．投资少t工艺简单．产品价格低廉，现在国内纤维素酶市场上，固体发酵法生产的酶制剂己占据相当份额t形成了一定规模．生产厂家主要分布在上海、江苏，另外湖北、黑龙江等也有生产 国内液体发酵法生产纤维素酶由于菌种和工艺水平均较低．尚处于初级阶段。如无锡酶制剂厂曾以玉米秸杆芯为碳源，菌种采用绿色木霉．进行纤维素酶液体发酵中试，未成功。最近西安、宁夏、广东等地均有报道液体发酵生产纤维素酶．但市场上很少有他们的产品出现。
      固体发酵法有其根本上的缺陷。固体发酵不是现代生产方式，不可能像液体发酵那样随着规模的扩大．成本大幅度下降。以秸杆为原料的固体发酵生产纤维素酶很难提取精制，目前生产厂家只能采用直接干燥粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，产品外观粗糙(人称“垄榛酵素”)，质量低且不稳定 因此，随着市场的成熟，液体发酵工艺的发展 及菌种性能的提高，采用液体发酵法生产纤维素酶是必然趋势。我们已经成功地研究出纤维素酶液体发酵生产工艺 菌种为里氏术霉DF 98 工艺路线如下：

         
      我们的生产工艺在I 5吨发酵罐上已经正常运行两年，产品在江浙两省供不应求．产品质量经过多家企业的使用．特别是温州俊尔印染公司的长期使用，证实我们生产的纤维素酶完全达到进口纤维素酶和国产固体发酵纤维素酶的使用效果，在用量上与进I：1酶相当，为国产固体发酵酶的五分之一。
       我们的生产工艺具备的优势有：
(1)菌种产酶水平居国内领先地位，菌种稳定性好．连续传代十多次未发生明显退化
(2)发酵工艺简单，设备通用性强．控制方便．如温度、接种量、培养时间等均可在较大范围内波动而对生产影响不大。
(3)水、电、汽消耗都明显低于一般发酵
(4)培养基中不含蛋白质和淀粉类多糖原料，为提取精制创造了有利条件。
(5)成品酶制剂稳定性高，贮存要求低
3 纤维素酶在纺织上的应用
    纤维素酶用途极广，可用于一切以植物及植物籽实为原料的加工业 在饲料、酿造、食品加工、中草药有效成份提取、果蔬加工、环保、造纸、石油开采等行业的应用中，能有效地改善产品质量，提高产量，从而获得显著的经济效益。在纺织后整工艺上，利用纤维素酶对纤维素纤维织物进行生物整理即酶降解整理，被认为是“生物工程技术纺织工程技术的完美结合”。其原理为：纺织天然纤维素纤维结构复杂，结晶度高，很难被酶全分解成葡萄糖，但在产生可测出还原糖以前，其物理性质发生变化，横向断裂，强力降低，聚合度下降，吸湿能力和吸碱能力增加，裂解成短的可分离的纤维碎片等。根据这一原理，对纺织物进行有控制的纤维素酶处理 可使强力适当下降的同时，表面变得光滑，纺织物获得膨给，手感厚实柔软，增大了纤维素的无定形区。所以。纤维索酶的应用，目前主要集中在纺织业。
    服装是我国大宗出口商品之一。据《光明日报》报道，尽管我国服装出口数量1995年超过80亿件，刨汇240多亿美元，但每件的价格却平均仅有3．2美元。纺织界人士已经清楚地认识到，是量低决定了价格低。质量低的主要原因之一是出口服装的档次低。服装档次的关键在于后整理 纤维素酶整理技术，投资少、上马快，工艺简单、污染轻，产品使用性能好．不需添 专用新设备，不需要大量的化工原料及昂贵的进口染整助剂 使处理后的纺织物在强度影响不大的情况下，既改进了外观，又提高了内在质量，而且这种改变是不可逆的，所以，近几年来，纤维素酶整理技术在国内纺织行业的应用越来越广。
纤维素酶在纺织的应用主要有：
3．1 纤维素酶在纤维素纤维加工中应用很广表现在：
3 1．1 改善纤维素针织物的外观的性能
    染色棉织物经纤维素酶处理后，表面毛羽、棉结明显地被清除，织物结构较清晰，染色织物的色泽也明显地明亮和增深。织物的表面粗糙度以及抗挠刚度显著降低，从而有助于织物手感的明显改善。
3．1．2 增强纤维素纤维的柔软度，及至增强黄麻的漂白已证实，有效地控制棉纤维用纤维素酶的水解程度，可使棉织物变成比较柔软，丰满而且稍许挺爽，且有较好的悬垂性，另外 还证实黄麻经纤维素酶和水聚糖酶的混合物预处理，漂白和柔软作用增强。
3．2 纤维素酶在提高纺织品附加价值方面正起着越来越引人注目的作用表现在：
3．2．1 牛仔水洗鉴于浮石对织物损伤较大，现代生物技术提供了牛仔用酶水洗工艺，具有下列优点：
(1)加工服装的质量优良；(2)有利于环境保护；(3)设备磨损少；(4)无需处理浮石，也无需额外的柔软剂；(5)地面和污水管易于处理。在某些情况下，将纤维素酶和浮石水洗相结合。
3．2．2 生物抛光
    生物抛光是日本最先开发的新颖织物整理，织物经过纤维素酶处理，其表面伸出的小纤维末端被除去，有效地减少织物的起毛和起球，获得持久的柔软度和光滑度，并导致织物光泽和色泽鲜艳度的明显改善。生物抛光适用于包括棉、粘胶、麻在内的所有纤维素纤维及其织物

jiabenwang

纤维素类物质是地球上产量巨大而又未得到充分利用的可再生资源。纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称，在食品、饲料、医药、纺织、洗涤剂和造纸等众多的工业领域有广泛的应用价值。从酶的作用特性出发可分成两大类：碱性纤维素酶和酸性纤维素酶。纤维素酶的组成比较复杂。通常所说的碱性纤维素酶是具有3～10种或更多组分构成的多组分酶，根据其作用方式一般又可将纤维素酶分为3类：外切β-1，4-葡聚糖苷酶（简称CBH）.内切β-1，4-葡聚糖苷酶（简称EG）和β-1，4-葡萄糖苷酶（简称BG）。在这3种酶的协同作用下，最终将其分解成葡萄糖。到目前为止，还没有能够在碱性条件下分解天然纤维素的纤维素酶。碱性纤维素酶是一种单组分或多组分的酶，只具有内切β-1，4-葡聚糖苷酶（又称CMC酶）的活性，有的还与中性CMC酶组分共存[1-3]。自从1906年Seilliere从蜗牛消化液中发现纤维素酶以来，人们对纤维素酶做了大量的研究，特别是80年代以来，由于分子生物学的发展及生物工程技术的兴起，纤维素酶的研究出现了新的前景。



1　纤维素酶的作用机理

纤维素酶在提高纤维素、半纤维素分解的同时，可促进植物细胞壁的溶解使更多的植物细胞内溶物溶解出来并能将不易消化的大分子多糖、蛋白质和脂类降解成小分子物质有利于动物胃肠道的消化吸收。同时，纤维素酶制剂可激活内源酶的分泌，补充内源酶的不足，并对内源酶进行调整，保证动物正常的消化吸收功能，起到防病，促生长的作用。消除抗营养因子，促进生物健康生长。半纤维素和果胶部分溶于水后会产生粘性溶液，增加消化物的粘度，对内源酶造成障碍，而添加纤维素酶可降低粘度，增加内源酶的扩散，提高酶与养分接触面积，促进饲料的良好消化。而纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物，在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物，从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素，促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外，还和其他酶共同作用提高奶牛对饲料营养物质的分解和消化。



2　纤维素酶的应用

2.1  食品方面

2.1.1  酿酒

在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒的出酒率和原料的利用率，降低溶液的黏度，缩短发酵时间，而且酒的口感醇香，杂醇油含量低。纤维素酶提高出酒率的原因可能有两方面：一是原料中部分纤维素分解成葡萄糖供酵母使用；另外，由于纤维素酶对植物细胞壁的分解，有利于淀粉的释放和被利用。将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中可增加麦粒溶解性，加快发芽，减少糖化液中单一葡萄糖含量，改进过滤性能，有利于酒精蒸馏。用纤维素酶预处理啤酒糟，可提高啤酒糟蛋白酶解率10%以上[4]；纤维素酶在清香型优质白酒中的应用，出酒率可提高13%，而且不影响酒的感官品质[5]；在日本清酒生产中浸米时加入0.02%～0.1%的纤维素酶浸泡17h，米的溶解性好，糖化发酵顺利，酒渣少，出酒率高[6]。

2.1.2  酱油酿造

在酱油的酿造过程中添加纤维素酶、可使大豆类原料的细胞膜膨胀软化破坏，使包藏在细胞中的蛋白质和碳水化合物释放，这样既可提高酱油浓度，改善酱油质量，又可缩短生产周期，提高生产率，并且使其各项主要指标提高3%。采用固体制曲、固态酒精发酵和固态醋酸发酵生产工艺对纤维素酶在食醋酿造方面的应用进行了系统研究，结果表明纤维素酶添加量为10～50umol/min，产酒精量比CK提高7.5%～23.8%，食醋产量提高0.25～1.36kg，主料出品率提高5.1%～27.2%[7，8]。

2.2  农牧业上的应用

2.2.1  纤维素酶在反刍动物中的应用

在瘤胃微生物区系结构正常的情况下，添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度，提高消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时，高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构，恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程[9，10]。有试验表明在瘤胃正常状态下，添加纤维素酶饲喂奶牛5昼夜以后，其粪便干物质和饲喂前相比，减少了30%左右;1周以后，封闭牛舍氨气含量下降70%左右，粗饲料采食量提高10%～20%，粪便中蛋白质提高8%～10%，尿液中尿素下降58.9%。

2.2.2  纤维素酶在单胃动物中的应用

除肠道中的微生物可以降解部分纤维素外，单胃动物不能分泌断裂β-1,4糖苷键的内源酶，所以饲料中含有的纤维素对单胃动物而言几乎不具有营养价值。此外，由于纤维素的交链、缠绕和粘附，阻碍营养物质的消化和吸收并影响肠道微生物菌群的平衡。因此在单胃动物日粮中添加纤维素酶具有营养和保健的双重功效。

在日粮中添加纤维素酶饲喂肉鸡可使肉鸡饲料消耗量下降16.25%，体重增加2.88%，料肉比降低10.18%；同时使用纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶喂以大麦饲料为基础的雏鸡，结果使饲料消耗降低2.9%，体重提高1.3%。对饲喂添加纤维素酶的肉鸡进行各阶段的体重分析，结果试验鸡于2周末、4周末体重在各日粮间差异极显著，说明酶制剂对肉鸡前期的生长作用显著;6周末、8周末试验鸡体重在各日粮间也呈增高趋势。说明添加外源酶制剂补充了内源酶的不足，因而在肉鸡发育前期具有更显著的效果[11]。在蛋鸡常规饲料中添加0.1%复合纤维素酶，试验组的产蛋率比对照组提高10.8%，蛋重提高1.7%，料蛋比下降14.6%[12]。用纤维素酶添加日粮饲喂蛋鸡，对蛋形指数、蛋壳厚度未产生明显影响，但添加0.1%和0.3%的纤维素酶降低了破蛋率[13]。用前期含草粉10%、后期含草粉15%的日粮添加纤维素酶喂肥育猪，试验组比对照组日增重提高0.255kg，料肉比下降0.24，每头每日增加效益0.95元[17]。

2.3  纤维素酶在纺织上的应用

纤维素酶在染整上广泛应用，特别在棉织物整理上，经过纤维素酶整理后，棉织物的手感和外观获得很大的改善，因为织物表面的绒毛被除去，处理后织物更光洁，颜色更鲜艳。根据处理的目的不同，可进行生化抛光、柔软滑爽、改善光泽以及石磨水洗等加工。

2.3.1  减量处理

纤维素纤维织物用纤维素酶处理都伴随着纤维的减量或失重，并引起许多性能变化。减量处理主要是改善织物的柔软、弹性和悬垂性。减量加工大多数采用液体染色机和水洗机。若织物被减量过大，纤维的强度会受到损伤。棉织物的失重率一般控制在3%–5%范围为好。

棉织物经过纤维素酶整理后，手感和外观可以有很大的改善。因为织物表面的绒毛被去除，处理后的织物更光洁、颜色更鲜艳。织物的硬挺度和刚性降低，光滑度和悬垂性提高，使织物获得更好的手感。因此在保证处理效果的同时，避免织物强力过度损失就显得非常重要。

2.3.2  水洗和石磨处理

纤维素酶还广泛应用于牛仔裤产品的洗涤加工，代替石洗加工工艺。最早应用在靛蓝牛仔服装的洗涤整理上，以获得与石磨相同的染料脱色、洗白等褪色防旧效果。这种加工的原理是，首先将牛仔服装上的浆料充分去除，充分发挥纤维素酶对牛仔服装表面的剥蚀作用。纤维素酶仅对牛仔服装表面部分水解，造成纤维在洗涤时发生脱落，在纤维素酶处理时，牛仔服装在转鼓中不断发生摩擦，加速服装表面纤维的脱落，并使吸附在纤维表面的靛蓝等染料一起去除，产生石磨洗涤的效果，并具有独特的外观和柔软的手感。

纤维素酶用于牛仔服装水洗石磨加工，加工后的服装雪花点多、立体感强、色光好。与传统的石磨工艺相比，酶洗工艺条件温和，耗能降低，减少了服装和设备的磨损，水洗效率高；与传统的化学助剂整理工艺相比，酶洗工艺大大减少了污水排放，有利于环境保护。

2.4  造纸业上的应用

近几年，旧纸的循环利用越来越多，酶法处理造纸纤维是一个普遍感兴趣的话题。尤其在旧纸脱墨中的使用，及其对纸纤维的影响等方面已有广泛的研究。传统的脱墨方法是漂洗和浮选，需使用NaOH、Na2CO3、硅酸钠、H2O2等化学药品，且要在40℃，pH10以上。在这样条件下，易使纸的网状结构崩溃，纤维溶胀，纸和墨之间粘接力下降。用纤维素酶和半纤维素酶结合处理，可促进脱墨过程，并且能在低pH值的纸浆中进行脱墨。现在采用的透印版印刷法，其采用的油墨中含有的干性油和干性树脂，能与纸张形成广泛的交联网络，因而传统方法较难将这种墨脱去。帕拉萨德等用纤维素酶和半纤维素酶共处理，已能将这种油墨脱下，并使纸纤维的洁白度、自由度和强度均有所上升，同时也节约了在传统方法中使用的化学原料。但在用纤维素酶脱墨时要严格控制酶剂量和作用时间。

葡萄糖作为纤维素酶解的终产物，仍保留纤维素所有的化学能。不仅广泛用作食品和医药，还可以作为许多发酵产品的发酵原料。乙醇的微生物发酵是很重要的方向之一，因为它能部分缓解当今日益严重的能源危机。城市垃圾富含纤维素材料，如此废料处理中产生纤维素酶微生物的贡献是不可低估的，近年正在开发以纤维素为添加剂的可分解塑料，也正是充分利用这类微生物的一个方面。从天然界寻找或通过基因工程手段构建高活性菌株一直是同行们努力的方向。天然纤维素的降解需要三种纤维素酶的协同作用，加之天然纤维素常伴以木质素和果胶，所以需获得高产完整活性的工程菌首先需要有高效且稳定的表达系统，显然难度很大。但随着蛋白质化学及基因分子遗传学方法的日臻完善，相信在不久的将来，人类将能够利用纤维素直接发酵生产有用的产品，造福人类。

billzjm

纤维素酶应用情况介绍（原创）
纤维素是地球上最丰富的可再生生物资源。据报道，全球每年通过光合作用产生的纤维素高倒1000亿吨以上，但能被利用的极少。当前，饲料原料资源的严重匮乏阻碍了我国畜牧业的发展，如何提高饲料原料的消化利用率，已经成为科研工作者研究的重要课题。因此，成功开发这一潜在饲料资源显得尤为迫切和重要。
一、    纤维素酶的营养作用：
在动物饲料中添加纤维素酶的作用机制在于：1、可打破植物细胞壁，使胞内原生质暴露出来，由内源酶进一步降解，所以除了细胞壁被降解功能外，还提高了胞内物质的消化率，从而提高了饲料的有效能值。2、可补充草食动物内源酶的不足。草食动物胃中虽有一定量的微生物，可以分泌纤维素酶分解纤维素，但纤维素酶分泌量有限，而添加纤维素酶制剂可显著提高草食动物对粗纤维的消化利用率。另外，对但胃动物而言，纤维素酶可改善消化道环境，使酸度增加，以激活胃蛋白酶。消化酶不足可能与酶产量低、各种应激（如断奶、接种疫苗和环境应激有关），外源酶可以补充幼龄动物消化酶的不足。3、消除抗营养因子。果胶、半纤维素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中产生黏性，增加了动物胃肠内容物的黏度，对内源酶而言是一个物理障碍，导致饲料消化吸收利用率降低，同时粘稠的消化道内容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃肠疾病的发生率。而添加纤维素酶可降低粘稠度，促进内源酶的扩散，增强养分的消化吸收，增大肠道内容物的流动性，有效降低有害微生物附着滋生的可能性。提高畜禽体增重、降低料肉比。由固态发酵产生的纤维素酶制剂本身就含有蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等。在这种多酶符合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物，从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素，促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外，还和其他酶共同作用提高畜禽对饲料营养物质的分解和消化。5、纤维素酶还具有维持小肠绒毛完整、调节肠道内有益菌群平衡、促进营养物质吸收的功能。
二、    纤维素酶的应用：
1、    纤维素酶在养牛业中应用：
近年来，研究表明，在牛饲料中无论以何种形式添加纤维素酶均可起到改善生产性能的作用，这是对传统的反刍动物营养理论的一种突破。通过实验证明在奶牛饲料中添加0.05～0.1%纤维素酶对其产奶、产肉等个方面有显著影响。
2、    纤维素酶在养羊业中的应用：
Antunovic等在研究中指出添加纤维素酶为住的复合酶要比对照组的混合料转化率高出1.8%，干草转化率高出5.6%，日增重高出8.83%，并且表现出良好的屠宰指数。
3、    纤维素酶在养猪业中的应用：
纤维素酶能降低猪饲料成本减少饲料浪费。它和蛋白酶组成的酶制剂应用于仔猪时，能提高仔猪日增重降低仔猪死亡率，且能使蛋白酶效率提高3%。
4、    纤维素酶在养禽业中的应用：
大量的实验报道说明由纤维素酶为主的复合酶在肉鸡、蛋鸡、樱桃谷肉鸭等禽类养殖上都有明显的提高产量，降低料肉比的效果。
5、    纤维素酶在养兔业中的应用：
高振华在兔基础日粮中添加0.75%和1.5%的纤维素酶后发现，实验组比对照组小注提高日增重分别为16.88%和20.53%，料重比分别较对照组下降13.60%和19.41%，并且添加纤维素酶后干物质、粗纤维、组蛋白、粗脂肪的消化率得到不同程度提高。另外还发现，添加纤维素酶能提高兔胃酸活力与胃蛋白酶活性，这也是纤维素酶能提高粗蛋白质消化率的原因之一。
据了解，我国目前每年实际消耗的配合饲料超过2亿吨，如果都按1‰添加量加入全价料中将需要酶制剂2万吨，而我国饲用酶制剂的生产能力不到1万吨，且存在着质量差和稳定性都很落后的缺陷。由于目前的畜牧业生产中还出现了能量饲料的短缺局面，因此充分开发和利用我国高纤维饲料资源具有十分客观的潜在价值。总之，纤维素酶以及其他饲用酶必将在未来的畜牧业发展中发挥出其所具有的巨大潜力和作用。