纤维素酶的应用

纤维素酶是一种复合酶，主要由葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶等组成，具有很高的木聚糖酶活力。生产纤维素酶的方法主要有两种：一种是筛选优良菌株，生产多纤维素酶复合体；另一种是用基因工程技术构建含纤维素酶基因的克隆菌株，表达具有较高酶活力的纤维素酶。而用筛选菌株的方法生产纤维素酶代表性菌体有木霉、青霉和曲霉等，里氏木霉是产纤维素酶的优良菌株。

纤维素酶的生产方法包括固体发酵和液体发酵2种方法，生产原料有麸皮、秸秆粉、废纸、玉米粉和无机盐等。在纤维素酶的作用下，纤维素可以分解成容易被进一步发酵为乙酸、乳酸和乙醇等的小分子纤维素、纤维寡糖、纤维二糖和葡萄糖。

一、纤维素酶的特性

纤维素酶是一类能够将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶系的总称，它们协同作用，分解纤维素产生寡糖和纤维二糖，最终水解为葡萄糖。

1、纤维素酶的组成

一般将纤维素酶分为三类：

(1)葡聚糖内切酶，这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维分子切断，产生大量非还原性末端的小分子纤维素；

(2)葡聚糖外切酶，这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子，故又称纤维二糖水解酶；

(3)β-葡萄糖苷酶，大分子首先在EC酶和CBH酶的作用下逐步降解成纤维素二糖，再由BG酶水解成2个葡萄糖。

纤维素酶系可分为完全酶系和不完全酶系，其中能够降解无定性纤维素和结晶纤维素的酶系称为完全酶系或全值酶系，仅能降解无定性纤维素的酶系称为不完全酶系或低值酶系，不同种类的微生物所形成的纤维素酶系之间在组分的种类和性质上均有很大差异。

2、纤维素酶的性质

纤维素酶来源广泛，不同菌属来源和不同发酵方式所生产的纤维素酶的酶学性质存在差异。纤维素酶合适的反应温度为30℃～45℃，最适反应温度为35℃～37℃。另纤维素酶具有较高的热稳定性，一般最适温度为40℃～65℃，温度稳定范围为50～70℃，但各组分酶的热稳定性也有差异，并受到PH的影响。

3、纤维素酶的作用方式

许多研究人员对纤维素酶使纤维素转化为葡萄糖的过程提出了许多不同的看法。目前一般公认的理论是，首先由葡聚糖内切酶作用于微纤维的非结晶区，使其露出许多末端供外切酶作用，纤维二糖水解酶从非还原末端依次分解，产生纤维二糖，然后，部分降解的纤维素进一步由葡聚糖内切酶和外切酶协同作用，分解生成纤维二糖、三糖等低聚糖，最后由β-葡萄糖苷酶作用分解成葡萄糖。

二、纤维素酶在食品发酵中的应用

1、纤维素酶在酱油酿造中应用

酱油的酿造需极强的蛋白酶活力，为使大豆蛋白酶从组织中充分裸露，又需植物崩裂酶活力(果胶酶、半纤维素酶和纤维素酶等)。

纤维素酶制剂用于固态无盐酱油生产上，强化了原料组织结构的破裂，使蛋白裸露，便于蛋白酶对蛋白质的分解，提高了酱油的收得率，加快了发酵速度，增加了酱油中的还原糖和色度，改善了酱油的风味和质量，缩短了生产周期，效果较为明显。

2、纤维素酶在食醋酿造中的作用

在食醋酿造过程中，将纤维素酶与糖化酶混合使用，可明显提高原料利用率和出品率。根据河南农大报告，应用正交试验设计研究了黑曲霉UV-11(糖化酶菌株)和黑曲霉F27(纤维素酶菌株)液体混合发酵条件，与UV-11单菌株发酵相比，糖化酶活力提高16%，CMC酶活提高266%，在以薯干粉为原料液态酿造食醋时，食醋出品率高达1kg原料产8.14～9.57kg食醋。将纤维素酶用于液态发酵酿造食醋，酒精产量、食醋产量和主料出品率都得到明显提高。

3、纤维素酶在乙醇生产中的应用

日本、丹麦、美国、巴西、印度及俄罗斯等有许多关于纤维素酶应用于酒精生产的报道，应用较好的丹麦等国原料出酒率可提高1%～3%，以黑麦为原料可达5%。加入纤维素酶后，纤维素首先被纤维素酶分解为纤维二糖，然后由β-葡糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖，葡萄糖由酵母发酵生成乙醇；葡萄糖对β-葡糖苷酶有阻碍作用，纤维二糖对纤维素酶有阻碍作用，但随着发酵的进行，葡萄糖不断为酵母所利用，这些阻碍作用就会被解除，纤维素在纤维素酶作用下不断生成葡萄糖，为酵母作用生成酒精。

原料薯干中的纤维成分，由于受淀粉、果胶质、蛋白质等的影响，同样对水解具有抗力，不易直接为纤维素酶作用，也必须作相应的预处理。酒精生产过程中原料的状态及变化，在很大程度上满足了这种预处理需求，就成了纤维素酶能否有效地应用于酒精生产的关键，预处理过程主要包括粉碎和蒸煮等。

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、降低醪液的粘度、缩短发酵时间，若使用野生植物的淀粉作为发酵工业原料，添加纤维素酶对原料利用率的提高更明显。

4、纤维素酶在啤酒生产中的应用

在啤酒生产过程中，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，再经酵母分解全部转化为酒精，使出酒率提高3%～5%，淀粉和纤维利用率高达90%。用于啤酒工业的发芽生产中可增加麦粒溶解性，加快发芽，减少糖化液中β-葡萄糖含量，改善过滤性能。另外，啤酒糟对环境的污染日益加剧，处理成本费高。目前，大多作低价饲料和肥料直接出售，销量有限。因其含水量高，不能久存，易霉烂，从而造成资源浪费。利用纤维素酶水解啤酒糟，将酶解液和残渣分别进行有效利用，可大大提高啤酒糟的经济效益和环境效益。

5、纤维素酶在味精生产中的应用

研究发现在小麦淀粉生产味精中加入纤维素酶，谷朊粉纯蛋白收率由9.70%升到10.16%，淀粉蛋白却由1.75%降到了1.67%，戊聚糖的固含量略有下降，总量大大降低(降幅达21.34%)。另外，由于纤维素酶的作用，淀粉液化时普遍反映容易且蛋白絮凝较好，糖水过滤速度提高20%，所得糖液透光提高35%。纤维素酶在小麦淀粉生产味精使用可提高味精的产量和缩短生产时间。

三、纤维素酶在食品加工中应用

1、水果与蔬菜加工

大多数果蔬材料中不同程度地含有纤维素，在果蔬加工过程中采用纤维素酶作适当处理，可以使植物组织软化，改善口感，简化工艺。利用纤维素酶对纤维素类物质的降解，可促进果汁的提取与澄清，能提高可溶性固形物的含量，并可将果皮渣综合利用。目前已成功地将柑橘皮渣酶解制取全果饮料，其中的粗纤维有50%降解为短链低聚糖，全果饮料中的膳食纤维，具有一定的保健医疗价值。

2、纤维素酶在大豆加工和方便面中的应用

纤维素酶用于处理大豆，可促使其脱皮，同时，由于它能使胞壁破坏，使包含其中的蛋白质和油脂完全分离，增加了从大豆和豆饼中提取优质水溶性蛋白质和油脂的收得率，既降低了成本，缩短了时间，又提高了产品质量。在方便面中的应用，用酶制剂(葡萄糖氧化酶、半纤维素酶、纤维素酶、脂肪酶)与面粉预混合，从酥脆性、弹性、筋力、爽滑度、耐泡性来评分，可一定程度改善方便面的泡吃效果。

3、纤维素酶在速溶茶生产中的应用

速溶茶饮用方便，要求其速溶后无不溶渣，生产上常用热水浸提法提取茶叶中的有效成分。若用纤维素酶低温抽提，既可提高收得率，又能保持茶叶原有的色香味。若将沸水浸泡和酶法结合，既可缩短抽提时间，又可提高水溶性较差的茶单宁、咖啡因等的抽提率。

4、纤维素酶在饮料行业的应用

日本有专利报道，用纤维素酶处理豆腐渣后接入乳酸菌进行发酵，可制得高营养、高品味的发酵饮料。将纤维素酶应用于果蔬榨汁、花粉饮料中，可提高汁液的提取率和促进汁液澄清，使汁液透明，不沉淀，提高可溶性固体物的含量，并可将果皮渣综合利用。目前，有报道已成功地将柑桔皮渣酶解制取全果饮料，其中的粗纤维有50%降解为短链低聚糖，这种膳食纤维，具有一定的保健价值。