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论产纤维素酶黑曲霉菌的探究进展

   发布时间:2018-01-05   [点击量:422]  


作为地球上含量最为丰富,分布最为广泛的可再生生物质资源,纤维素的开发与利用对于解决能源危机、环境污染、粮食资源紧张等问题意义重大。纤维素由D - 葡萄糖分子以β - 1,4 糖苷键组成的大分子多糖,其分子结构结晶度与聚合度高,需要利用纤维素酶的水解作用,将其降解成为单糖,继而进行纤维素的合理利用与转化。

  纤维素酶是一组复合酶系,通过多种酶的协同作用水解降解纤维素,纤维素酶主要来源于可产纤维素酶的细菌和真菌。其中,由于丝状真菌纤维素酶产量高于细菌和酵母菌等真菌,被广泛应用于纤维素酶产业化生产。作为丝状真菌中的一员,黑曲霉菌高产纤维素酶,且安全、无毒素,在产纤维素酶微生物研究领域,黑曲霉菌是开发、利用最为广泛的真菌之一。近年来,在高产纤维素酶微生物,发酵产酶工艺,应用领域等方面国内外均开展了相关研究,且取得了一定的进展。

  1 纤维素酶的组成与催化机制

  纤维素酶是由三种不同酶组成的复合酶系,主要包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或纤维二塘水解酶、β - 葡萄糖苷酶。三种酶通过协同作用将纤维素降解为寡糖和纤维二塘,并最终水解为葡萄糖。内切葡聚糖酶主要作用于纤维素分子的非结晶区,随机水解β - 1,4 糖苷键并产生大量带有非还原末端的小分子纤维,此外,也能水解纤维素的某些基团取代产物,如羧甲基纤维素和羟乙基纤维素等。外切葡聚糖酶主要作用于微晶纤维素分子的还原端和非还原端,水解β - 1,4 糖苷键,从而裂解下二糖分子。β - 葡萄糖苷酶可将纤维二糖和其他可溶性寡糖水解为葡萄糖。

  2 产纤维素酶微生物

  产纤维素酶的微生物主要包括细菌、真菌和放线菌。放线菌和细菌纤维素酶产量相对较低,放线菌生长缓慢,相关研究较少,细菌纤维素酶多为内切葡聚糖酶,对结晶纤维素无活性,且分离难度较大,影响其产业化开发。高产纤维素酶的真菌主要包括曲霉菌属、木霉菌属、青霉菌属、镰孢菌属和枝顶孢雄属等。其中,丝状真菌是纤维素酶产业化开发与利用的首选微生物。曲霉菌属是丝状真菌中著名的高产纤维素酶菌属之一,而作为曲霉菌属中的一员,黑曲霉菌除高产纤维素酶外,还能合成木聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、α - 半乳糖苷酶、β - 葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、甘露聚糖酶、植酸酶、蛋白酶等酶,可促进生物质的高效降解,且安全、无毒素,其研究与产业化开发也较为广泛。

  3 黑曲霉菌产酶工艺与影响因素

  由于黑曲霉菌需在低含水量固态发酵底物中生长、传代,其生产纤维素酶工艺通常采用固体发酵法。固体发酵法的最大优点是可以利用木质纤维素废弃物作为发酵底物,且固体发酵法提供的生长环境与黑曲霉菌的天然生长环境相似,更有利于其生长、传代。此外,固体发酵法还具备成本低,工艺简单,酶产物回收率高,能源需求低,污水排放少等优点。主要缺点是发酵过程中温度、pH、营养成分含量等工艺条件的控制与监测较为复杂与困难。另外,国外也有学者改良了黑曲霉菌发酵产酶工艺,Cunha 等选用黑曲霉菌为生产菌,甘蔗废弃物为发酵底物,应用固液连续发酵法生产纤维素酶,研究结果表明,应用固液连续发酵法获得内切葡聚糖酶和木聚糖酶产量高于传统的固体发酵法。

  黑曲霉菌纤维素酶产量受到多种因素影响,主要包括发酵培养工艺,产酶诱导因子,菌株产酶效率,发酵设备生产效率等均可影响黑曲霉菌的生长状态,从而影响其酶合成量。其中,发酵培养条件( 如pH、温度、培养基氮源、碳源、阳离子等) 可通过优化实验改良。在固体发酵底物中添加不同种类的纤维素和木质素,乳糖等诱导因子,可在一定程度上诱导黑曲霉菌提高纤维素酶产量。

  4 产纤维素酶黑曲霉菌应用研究

  黑曲霉菌高产纤维素酶,在乙醇等生物燃料开发领域具有一定应用前景。此外,在食品加工,木质纤维素废弃物降解,动物饲料添加剂等领域也取得了相关研究进展。

  4. 1 生物燃料

  2010 年我国可收集秸秆资源量约为7 亿t,加上工业和林业纤维废弃物,每年木质纤维素资源总量将超过20 亿t。产纤维素黑曲霉菌可将农作物的秸秆、工业和林业纤维废弃物等木质纤维素原料水解为葡萄糖,用于生产乙醇、有机酸和其他化学制品,从而缓解人们对矿物燃料的依赖。Bjorn 等将甘蔗渣和云杉木水解液作为发酵底物,研究了重组黑曲霉菌D15 菌株的产酶特性,结果表明,重组黑曲霉菌D15 不仅可降解木质纤维素,还可降解和转化其衍生物,如乙酸、呋喃醛、紫锥菊多酚等,有利于酵母菌乙醇发酵,从而促进以木质纤维素生物质为原料第二代生物乙醇工厂的发展。

  4. 2 食品加工

  在保健食品、果汁和蔬菜汁加工和茶叶加工等领域,国内外学者报道了相关研究。Dhillon 等选用苹果酱、稻壳、藜芦醇、硫酸铜、乳糖等原料配制固体发酵培养基,研究了黑曲霉菌NRRL - 567 纤维素酶粗提液中非特异性壳多糖酶和壳聚糖酶的活性,壳多糖酶和壳聚糖酶活性分别达到了70. 28 U/g 和64. 20 U/g,且保存1 个月后酶活性仍达到92% ~94%。高壳多糖酶和壳聚糖酶活性的黑曲霉菌纤维素酶提取液,可用于生产低分子量壳多糖和壳聚糖低聚体。在保健食品生产方面具有重要的用途。Ajay等从黑曲霉菌DFR - 5 酶液中提纯木聚糖酶,并研究了木聚糖酶与果胶酶和纤维素酶混合物对菠萝汁产量和澄清度的影响。与对照组相比,木聚糖酶试验组菠萝汁的生产率和澄清度分别达到了71. 3% 和64. 7%,均高于对照组( 61. 8% 和57. 8%) 。结果表明,黑曲霉菌木聚糖酶提取液可用于提高果汁澄清度,在果汁和蔬菜汁加工领域具有一定的应用前景。另外,在茶叶加工领域,黑曲霉菌是普洱茶发酵过程中的优势菌,通过合成多种酶类,促进酚类物质、纤维素、果胶、蛋白质等物质的分解,可一定程度上改善茶叶感官特性,缩短加工时间,提高茶叶品质。

  4. 3 木质纤维素废弃物降解

  纤维素类城市固体废弃物作为一类可再生生物质,其资源量巨大,可用于生产纤维素酶,Gautam等选用城市固体废弃物作为碳源,研究了黑曲霉菌和木霉菌纤维素酶活,固体废弃物、蛋白胨、酵母提取液为最理想的碳源和氮源,黑曲霉菌和木霉菌培养物中酶的总量比其他真菌高40% ~ 60%。结果表明,纤维素类城市固体废弃物作为一种碳源,可由黑曲霉菌和木霉菌降解、利用。此外,黑曲霉菌还可降解农作物秸秆、甘蔗渣、椰壳废弃物等纤维素废弃物资源,合成纤维素酶,变废为宝,从而减少资源浪费,降低环境污染。

  4. 4 动物饲料添加剂

  由于黑曲霉菌安全,无毒素,且高产纤维素酶,在动物饲料添加剂研究与应用领域,已引起国内外学者的关注。Chandra 等分别以牛落花生饲草、麦麸、米糠、锯屑等木质纤维素作为固体发酵底物,研究了黑曲霉菌滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活和葡萄糖苷酶酶活,比较了各种底物发酵前后蛋白含量。其中,黑曲霉菌发酵落花生饲草和麦麸底物后滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活、β - 葡萄糖苷酶酶均显著高于其他实验组。此外,发酵后的牛落花生饲草蛋白含量有所提高。结果表明,黑曲霉菌可发酵牛落花生饲草、麦麸等木质纤维素合成纤维素酶,且提高了牛落花生饲草营养价值。张福元等研究了黑曲霉发酵玉米秸秆产纤维素酶及降解基质的营养条件,优化营养条件后可使黑曲霉菌株产CMCase、FPase 酶活性达到最高。此外,经黑曲霉菌发酵后,玉米秸秆粗蛋白含量提高了1. 2 倍,粗纤维、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量分别下降了34%、19%、23%。结果表明,黑曲霉菌可发酵玉米秸秆合成纤维素酶,且提高了玉米秸秆营养价值,为玉米秸秆青贮、黄贮发酵饲料的产业化开发和应用提供了科学依据。

  5 小结

  纤维素资源产量巨大,纤维素类废弃物也日渐增多,科学、高效降解纤维素类生物质资源,促进其可循环利用可在一定程度上减少资源浪费,降低环境污染。纤维素酶可高效降解纤维素,然而,降解纤维素耗酶量巨大,如何提高纤维酶产量是关键。微生物发酵是纤维素酶产业化生产的有效途径,可研究、选育高产纤维素酶菌株进行生物发酵产酶。

  随着微生物学、生物化学,生物遗传学,基因工程学等学科的不断发展,应进一步开展高产纤维素酶黑曲霉菌菌株选育,发酵产酶工艺优化,纤维素酶生物活性与作用机制等研究,提高纤维素酶活,缩短加工时间,降低生产成本,从而促进产纤维素黑曲霉菌的产业化开发与利用。

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