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纤维素酶及其应用

来源:惠合制药设备厂 发布日期:2015-04-24 10:23:30作者:admin 点击次数:
介绍了纤维素酶的来源、组成功能、作用机理及其在食品等各个领域的应用研究,并展望其发展前景。
纤维素是自然界中含量多、分布为广泛的一种多糖物质。据不统计,地球上的纤维素的碳含量占植物界的 50%以上,其中仅有很少一部分纤维素得到利用,不仅造成资源浪费,而且给城市造成大量的垃圾,环境。富含纤维素的农副产品和工业废料可通过纤维素酶进行有效转化而加以利用。纤维素酶是由多种水解酶组成的复杂的酶系,能降解纤维素为结构简单的,可利用的葡萄糖。而葡萄糖是食品发酵的主要原料,同时也是人类生活的基本的营养物质。因此,不论是在国际上还是国内都在致力于研究纤维素酶的各种性质、功能及生产。

1纤维素酶的来源、组成及功能
纤维素酶的来源广泛,他广泛存在于自然界的生物体中。能产生纤维素酶的生物体多,主要有昆虫、细菌、放线菌、真菌等。其中,细菌和放线菌的产酶量低,且都是胞内酶,大多数酶对结晶纤维素不具活性,因此对其研究比较少。
目前,较多应用于生产纤维素酶的微生物为丝状真菌,其中木霉、曲霉、根霉和青霉是酶活力较强的菌种,而里斯木霉、康氏木霉、绿色木霉等比较典型,是目前为止公认的比较好的纤维素酶生产菌。现在,绿色木霉、镰刀霉、黑曲霉以及斜卧青霉和拟青霉等的纤维素酶已制成制剂。
通常纤维素酶可根据其不同的催化反应功能分为三种水解酶,分别为内切葡聚糖酶 (endoglu-canase,EC 3.2.1.4) 简称 C1或 EG、外切葡聚糖酶(exoglucanase 或 exoglucohydrolase,EC 3.2.1.91) 简称CBH 和 β- 葡聚糖苷酶 (β- glucosidase,EC3.2.1.21) 简称 BG。纤维素在这三种酶共同作用下可降解为葡萄糖,这三种酶被称为“纤维素酶系”。内切葡聚糖酶作用在纤维素分子内部的非结晶区域,随机切割纤维素多糖链 1,4- 糖苷键,产生不同长度的有非还原末端的小分子纤维素;外切葡聚糖酶主要作用于纤维素线状的分子末端,水解β- 1,4- 糖苷键,每次切下一个葡萄糖或纤维二糖分子;β- 葡萄糖苷酶水解纤维二糖及低分子量的纤维寡糖,产生两分子的葡萄糖。

2纤维素酶的作用机理
纤维素酶的作用机理有很多种说法,对其的作用机理的分歧主要集中在纤维素酶如何使纤维素转化为葡萄糖的过程上。目前,被接受的主要有三种理论,分别为:协同理论、碎片理论和原初反应假说。大部分研究人员比较认同的理论是协同理论,其原理是:内切葡聚糖酶首攻纤维素的非结晶区,露出许多纤维素酶需要的末端。纤维素外切酶从多糖连的非还原末端依次分解为纤维二糖单位,其中一部分的降解纤维素进一步由纤维二糖水解酶的协同作用,将其分解生成纤维低聚糖。再由β- 葡萄糖苷酶水解纤维二糖将其分解成为葡萄糖。

3纤维素酶的应用
目前,纤维素酶已经被广泛地应用于多个领域,主要有食品、酿酒、环保、饲料加工、纺织、农业、日化等方面。
3.1 水果和蔬菜加工
由于植物细胞壁的主要成分是果胶、纤维素和半纤维素等,因此,在水果与蔬菜加工的过程中适当使用纤维素酶,可将纤维素水解成葡萄糖等有效成分。另一方面,还可使植物细胞壁发生不同程度变化,如软化、膨胀、崩溃等,提高果蔬的可消化性,并使其口感更好。
在制备脱水蔬菜,如土豆、胡萝卜等的时候,先使用适当的纤维素酶处理后再干燥脱水,可以避免因热烫、酸碱处理等造成的营养物质损失。另外,果蔬中纤维素类物质经过纤维素酶的降解,可促进果蔬的汁液榨取和澄清,能提高植物细胞壁通透性,有利于内容物的渗出,从而提高细胞内含物,如淀粉、蛋白质、脂肪等的提取效率,减少压榨时间,简化工艺。
3.2 白酒及其酒精生产
以纤维素为原料发酵生产酒精,使用的是二段法,即先用纤维素酶将纤维素糖化,再经酵母发酵成酒精。若在发酵过程中同时接入酒精发酵的酵母,酵母会将产生的葡萄糖立刻发酵成酒精,从而消除了葡萄糖对纤维素酶的抑制作用,此称为一步法 (或称同时糖化发酵,SSF)。有实验证明一步法发酵的酒精得率是二段法的四倍。同时还提高了原料的利用率,降低了溶液的黏度。一步法不但缩短了发酵的时间,而且酿出的酒口感醇香,杂醇油的含量也极低。例如,在日本清酒的生产过程中,加入纤维素酶浸泡17 h 和酵母同时糖化发酵,得到的清酒的基质浓度为 25 g /100g,酶浓度为 0.5g/100g,单式糖化率可达58%。
另外,糖化发酵时的纤维素分解。
3.3 茶叶加工
由于速溶茶饮用方便,没有不容性的渣滓,并且可与果茶、奶茶等饮料调和,因此深受国际及国内市场的欢迎。我国是著名的产茶大国,品质和产量都居前列,因此速溶茶的制备有着重要点意义。茶叶中主要的有效成分为:①糖类、氨基酸以及由两者形成的酯香味成分;②由皂角、咖啡因形成的苦味成分;③由单宁形成的微量的造香成分及涩味成分。传统的生产常用热水浸提法来提取茶叶里的有效成分。酶法低温抽提,即先用纤维素酶将茶叶的细胞壁裂解抽提其中的有效成分,后将含有有效成分的抽提液浓缩干燥便可制成可溶性茶。与传统的热法浸提法相比,此方法可提高有效成分的得率,同时还可保持茶叶原有的色香味。
3.4 活性物质的提取
在活性物质,如淀粉、蛋白质、活性多糖等物质的提取过程中,加入纤维素酶能大幅提高产品的收率。例如,在淀粉制造方面,使用纤维素酶处理可缩短时间,并提高收率。王志民等用纤维素酶处理纤维素的发酵方法有固态发酵和液态发酵。如果用纤维素酶处理香菇 4 h,多糖和可溶性固形物的提取率可比传统的热法浸提法提高2.4 倍和 3.6 倍。以大豆为原料,用纤维素酶及半纤维素酶浸泡,可促使其脱皮。同时,还可破坏大豆细胞壁使其中的油脂和蛋白质分离,使满意蛋白质和水溶性蛋白质及油脂的收率提高,因此提高了产品的质量。李世敏等人的实验证明,在金针菇多糖提取过程中,将其实体用纤维素酶水解后,再经水浸提取,其收率显著提高。段作营等人通过实验证明,在玉米胚芽油的生产过程中,使用纤维素酶对其进行处理能提高玉米胚芽油的得率。
3.5 纤维素酶转变为单细胞蛋白
有许多成功利用纤维素产生单细胞蛋白的例子。利用纤维素酶生产单细胞蛋白的方式主要有两类。其中一类是先用纤维素酶将纤维素水解,然后再经微生物发酵生成单细胞蛋白。另一类是用纤维分解菌直接发酵来产生单细胞蛋白。

来源:惠合制药设备厂
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