纖維素酶cellulase 是酶的一種，在分解纖維素時起生物催化作用，利用真菌纖維素酶成為提高畜禽生產性能和飼料利用率的重要措施之一。
基本介紹
- 中文名：工業纖維素酶
- 外文名：Industrial cellulase
產生纖維素酶的菌種容易退化，導致產酶能力降低。
纖維素酶在食品行業和環境行業均有廣泛套用。在進行酒精發酵時，纖維素酶的添加可以增加原料的利用率，並對酒質有所提升。
由於纖維素酶難以提純，實際套用時一般還含有半纖維素酶和其他相關的酶，如澱粉酶（amylase）、蛋白酶（Protease）等 纖維素酶種類繁多，來源很廣。不同來源的纖維素酶其結構和功能相差很大。由於真菌纖維素酶產量高、活性大，故在畜牧業和飼料工業中套用的纖維素酶主要是真菌纖維素酶。
一、真菌纖維素酶的種類
自然界中很多真菌都能分泌纖維素酶。由許多具有高協同作用的酶組成，習慣上，將纖維素酶分成三類： 內切葡聚糖酶(Cx )、外切葡聚糖酶(C1 )、β一葡萄糖苷酶(βG )。
1、C1-酶：這是對纖維素最初起作用的酶，它破壞纖維素鏈的結晶結構，起水化作用。即C1-酶是作用於不溶性纖維素表面，使結晶纖維素鏈開裂、長鏈纖維素分子末端部分游離，從而使纖維素鏈易於水化。
2、Cx-酶：這是作用於經C1-酶活化的纖維素、分解β-1，4鍵的纖維素酶。主要包括內切-1,4-β-葡聚糖酶和外切-1,4-β-葡聚糖酶。前者是從高分子聚合物內部任意位置切開β-1,4鍵，主要生成纖維二糖、纖維三糖等。後者作用於低分子多糖，從非還原性末端游離出葡萄糖。
3、β-葡萄糖苷酶：即為將纖維二糖、纖維三糖及其它低分子纖維糊精分解為葡萄糖。
上述三種纖維素酶在分解纖維素時，任何一種酶都不能裂解晶體纖維素，只有三種酶共同存在並協同作用時，才能完成水解過程。
二、纖維素酶菌種選育
菌種選育是纖維素酶生產的基礎性工作，國內外許多專家進行了大量研究，為了生產高質量的纖維素酶產品，王家林等（1996）在吸收國內外經驗的基礎上，先後引進了綠色木霉木10、綠色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15、黑麴黴XX-15A，在此基礎上，採用了紫外線、特定電磁波輻射、線性加速器，亞硝基胍等物理、化學的誘變方法，獲得了高產菌株NT15-H、NT15-H1、XT-15H、XT-15H1。其中木霉NT-15H固體培養活力經輕工部食品質量監督檢測中心南京站檢測表明，濾紙活力為3670u/g, C1-酶活力24460u/g，Cx-酶活力1800u/g，已達到國際先進水平。此菌種在工廠化生產中性能穩定。張苓花等（1998）採用康氏木霉W-925，J-931，經過濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15W、30cm、2min）複合誘變後，得到了產酶活性高的Wu-932菌種，該菌種CMC糖化力達到2975，濾紙糖酶活性為531，比出發菌W-925分別提高了100%和81%。化工部飼料添加劑技術服務中心王成書等（1997）採用該中心的里氏木霉A3先進行紫外線和亞硝基胍複合誘變後，將處理過的孢子接種於纖維雙層平板上，30℃培養5-8天，15℃放置7-10天，挑選透明圈直徑和菌落直徑比較大的單菌落進行三角瓶固態發酵再篩選，得到了產纖維素酶活力很高的里氏木霉91-3菌株。
纖維素酶菌種易退化，退化後其產酶力明顯降低，其原因可能有三個方面：①經誘變篩選的菌種發生回復突變。②自然負突變。③菌種長時間低溫斜面保藏，會在分生孢子上長出次生菌絲，而次生菌絲所形成的分生孢子生命力弱，這可能是菌種退化的主要原因。為了避免纖維素酶菌種退化，張苓花等（1998）報導，採用砂土管保藏菌種。即將過篩洗淨的砂子與土以3：2比例混合分裝在試管內，用1kg/cm2壓力滅菌30分鐘共三次，將欲保存的斜面菌種製備成1000ml孢子懸浮液，每個砂土管注入0.5ml，搖勻，放入盛有無水CaCl2真空乾燥器內保存。經測定，在所測的121天內，酶的活性基本不變；酶活性下降50%的時間，由常規方法的60天延長至160天，明顯地減緩了菌種退化速度。
三、發酵工藝
纖維素酶的生產工藝主要有兩種，即固體發酵和液體發酵，其工藝如下(見下頁)：
1、影響產酶量和活力的因素：影響纖維素酶產量和活力的因素很多，除菌種外，還有培養溫度、pH、水分、基質、培養時間等。這些因素不是孤立的，而是相互聯繫的。張中良等（1997）採用均勻設計Cl12(1210)，以綠色木霉（T.ViriclePers.expr）為菌種，研究了影響產纖維素酶的五大因素對產酶量和活力的作用，認為基質粗纖維含量為40%、初始pH7.5、加水4倍、在26-31℃條件下培養45h可獲得最大產酶量26mg/g和CMC酶活力20mg/g·h。王成華等（1997）也研究了其誘變篩選的里氏木霉91-3的產酶條件，結果表明該菌種以7：3的秸稈粉和麥麩，另添加4%硫酸銨、0.4%磷酸二氫鉀、0.1%硫酸鎂為最佳培養基，28-32℃為適宜培養溫度，30℃為最佳溫度，4%為最佳接種量，96h到達發酵高峰。張苓花等（1998）研究了以康氏木霉W-925為出發菌，經誘變後得到的Wu-932纖維素酶高產菌的最佳發酵條件。結果表明，以1：2的麥麩和稻草粉為培養基，5%的接種量，稻草粉碎平均長度3-5mm，初始pH4-5，溫度在28-35℃，發酵時間72h為最佳發酵條件。
2、污染菌的控制：在用康氏木霉發酵生產飼用纖維素酶中，普遍存在一種俗稱的“白毛菌”污染。污染後輕者酶活性下降，重者發酵失敗。為此，研究控制發酵污染意義很大。張苓花等（1998）研究“白毛菌”的菌落特徵、來源、生長和生理特徵及控制方法，找到了一種與康氏木霉Wu-932呈共生關係，而與“白毛菌”呈競爭性抑制關係的熱帶假絲酵母菌J-931。利用此菌進行混合發酵，可有效地控制“白毛菌”的污染。其微生態關係如下：
四、纖維素酶在畜禽生產中的套用
常見的畜禽飼料如穀物、豆類、麥類及加工副產品等都含有大量的纖維素。除了反芻動物藉助瘤胃微生物可以利用一部分外，其它動物如豬、雞等單胃動物則不能利用纖維素。國內外利用真菌纖維素酶成為提高畜禽生產性能和飼料利用率的重要措施之一。
