纤维素酶

纤维素酶是催化降解纤维素水解而生成葡萄糖和低聚合度纤维的一组酶的总称，包括葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和纤维二糖酶3个主要组分，它不是单一种酶，而是起协同作用的多组分酶系。纤维素酶是一种灰白色粉末或液体。1906年Seilliere在蜗牛的消化液中发现了纤维素酶。纤维素酶可将纤维中的β-1，4-葡萄糖苷键水解，生成可溶性的聚合物及D-葡萄糖。根据酶的来源，其相对分子质量最低为5000，最高达400000。最适pH值为4.0～5.0。最适温度 40～60℃。某些金属离子Mg2+、Cl2+及中性盐可使本酶活化，另外一些金属离子Ag2+、Cu2+、 Mn2+、Hg2+和染料可使本酶失活。
酿酒时添加纤维素酶能提高糖化效果和出酒率，并降低醪液的黏度。纤维素酶主要来源于黑曲霉和木霉。

图1为纤维素酶

纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌、真菌等都能产生纤维素酶。
1. 细菌:细菌产生纤维素酶的量较低，主要是EG，大多数对结晶纤维素没有活性，而且所产生的酶是胞内酶或吸附在细菌壁上，很少能分泌到细胞外，增加了提取纯化的困难，在工业上实际很少采用。目前研究较多的是纤维素粘菌属、生孢纤维粘菌属和纤维杆菌属。
2. 放线菌:对放线菌的研究很少。分枝杆菌和原放线菌几乎不产纤维素酶或产量极低，产量稍高的主要是黑红旋丝放线菌、玫瑰色放线菌、纤维放线菌和白玫瑰放线菌。
3. 真菌:目前用于生产纤维素酶的微生物大多属于真菌，研究较多的有木霉属、曲霉属、根霉属和漆斑霉菌。它们能产生大量的纤维素酶，其中尤以木霉属的产量居多。李氏木霉和绿色木霉等是木霉属中酶活性较高的菌种。真菌产生三类纤维素酶，能分泌到菌体，一般不聚集形成多酶复合体，但相互发生强烈的协同作用。目前已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉，以及拟青霉和斜卧青霉等纤维素酶。
4. 酵母:由于纤维素酶工业化生产的需要，要求提高酶的产量、外分泌性和耐热性。近来对纤维素酶基因克隆研究较多。虽然几乎所有已克隆的基因都能在大肠杆菌中表达，但由于提取困难和表达水平低，目前将基因表达方面的研究转向于真核表达系统，目前应用较多的是酵母表达系统。酵母不产生毒素，用其表达纤维素酶基因，其产物高度糖基化，经正确加工修饰后可直接分泌至培养基，表达水平高。如酵母表达的CHBⅡ、EGⅠ的产量可达100mg/L以上，并具有正常的生物学活性。

纤维素酶包括多种水解酶，是一类复合酶类，一般将纤维素酶分为三类：
1. 内切葡聚糖酶(endoglucanase)，又称内-(1→4)-β-D-葡聚糖酶、内纤维素酶或(1→4) -β-D-葡聚糖-1，4-葡聚糖水解酶(EC 3.2.1.4)，它可催化纤维素无定形区内或微纤丝表面上(1→4)-β-D-葡聚糖链内的任何位点。
2. 外切葡聚糖酶，又称外(1→4)-β-D-葡聚糖酶、外纤维素酶或(1→4)-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶(EC 3.2.1.91)，可从β-D-葡聚糖链的非还原性末端上酶解释放纤维二糖(有时还有少量葡萄糖)。
3. β-葡糖苷酶，又称纤维二糖酶或β-D-葡糖苷葡糖水解酶(EC 3.2.1.21)，可水解纤维二糖和水溶性纤维糊精为葡萄糖。
许多纤维素分解菌会产生多种同工酶。能降解纤维素的生物主要是大量真菌、部分细菌和少数原生动物，但其降解活力取决于纤维素的聚合和结晶度以及与半纤维素和木质素的结合程度。结晶纤维素对纤维素酶的降解呈高度抗性，在微纤丝中的多数葡聚糖链是纤维素酶不能进入的，且任何被内葡聚糖酶裂解后的氢键由于葡聚糖链的稳定倾向而极易重新形成。结晶纤维素的降解须由内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶两者的协同作用。外切葡聚糖酶因易从由内切葡聚糖酶作用而形成的新创造的末端中移除纤维二糖，因而可防止糖苷键的重新形成。这两种酶相互起着连贯和协调作用，但它们都受纤维二糖抑制，β-葡聚糖苷酶的作用通常是纤维素降解中的限速步骤。纤维素酶是一类诱导酶，并受分解代谢产物的阻遏。槐糖是纤维素酶的优良天然诱导物。阻遏物包括葡萄糖和其他易被利用的基质。依据浓度的不同，纤维二糖既可作诱导物也可作阻遏物。

纤维素酶现在已广泛地应用于纺织、日用化工、造纸、食品发酵、工业洗涤、烟草、石油开采、废水处理及饲料等各个领域，其应用前景十分广阔。天然纤维素酶存在于微生物、某些昆虫和植物中。植物种子萌发时，纤维素酶水解种皮纤维素，利于出苗。草食反刍动物消化道内的共生细菌和原生动物能分泌纤维素酶，将纤维素水解为可被吸收的糖。利用微生物分泌的纤维素酶进行农副产品加工，可生产优质饲料和葡萄糖。农业上应用绿色木霉(富含纤维素酶的一种真菌)进行饲料发酵，可提高纤维素类饲料的营养价值。纤维素酶制品是分离植物原生质体的主要试剂之一，在植物细胞融合实验中，常用纤维素酶或蜗牛酶分解去除细胞壁，以分离获得需要的原生质体。大多数工业用的纤维素酶都是葡萄糖苷内切酶，含有一个催化区和一个纤维素连接区。没有纤维素连接区则酶对于纤维素的活性很低。有人对纤维素酶和蛋白酶进行了对照研究，发现纤维素酶的活性与吸附的强弱关系更大。Trichoderma reesei的纤维二糖水解酶催化区域169位的氨基酸残基Tyr能协助葡萄糖环转换成更容易反应的构型。

图2为Sigma公司提供的纤维素酶 来源于黑曲霉
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纤维织物，特别是棉纤维织物，经过穿用和多次洗涤之后，往往会出现很多微纤维的绒毛。这些绒毛同玷污在衣物上的有机、无机污渍一起缠绕成许多小球，结果使衣物表面变得灰暗，板结。为解决这一问题，早在1970年国外专利中就提出了用纤维酶来消除这些微纤维的想法，但这个想法久久未能变成现实。直到1985年，采用腐殖根霉发酵的方法，制得了世界上第一个洗涤剂用的纤维素酶，其商品命名为Cellulase。1987年又推出了一种细菌纤维素酶，并成功地用于Attack洗衣粉。从此，纤维素酶也就正式加入了洗涤剂酶的行列。现在，纤维素酶在洗涤剂中的应用还不算太普及，但一些大公司的名牌产品已在采用，如美国P&G公司的一些洗衣粉中，就含有了这种纤维素酶。
纤维素酶与其他洗涤剂酶的作用机理不同，它不是直接催化污渍中的某种物质分解，使其变为洗涤水可溶解的物质而达到洗净的目的，而是由纤维素酶对织物上的微纤维作用，达到整理、翻新织物的目的。因为天然纤维，特别是棉纤维，是由葡萄糖构成的高分子物质。分子中的糖仅以β-1，4-葡萄糖方式联结，形成一个直线型的大分子。这种分子集结成束，就称为原纤维，很多原纤维的集结，就成为微纤维。在正常情况下，纤维是以晶体方式排列，所以它的表面光滑，柔软，外观光亮。但经穿着、摩擦和反复洗涤之后，一些微纤维就会脱离其结晶区域，在纤维表面或纤维之间形成很多微纤维。这些微纤维相互缠绕成绒球后，不仅因裹入的污物使衣物变脏，而且由于光在小球上发生了散射，不论单色或彩色衣物都显得灰暗。若要从衣物上去掉这些绒球，那么就需要选择适当的纤维素酶，才可很好地完成这一任务。也就是说，必须选用符合下述条件的酶，才可在洗涤剂中应用。

纤维素是一种由葡萄糖首尾相连而成的高分子化合物，是地球上含量最丰富的多糖类天然有机高分子化合物，棉花是自然界中纤维素含量最高的天然产物，此外，木材、作物秸秆等也富含纤维素，许多商品纤维素都是由天然纤维素制得的。
纤维素是直链的葡萄糖聚合物，以β-1，4键相连结。纤维素束通常以氢键相连结以形成一个较大的单体。关于在这样的单体中纤维素分子数以及它们是如何组织的，有许多不同的观点。有一种观点认为，一个纤维素分子中有些区域是有序结构，结构坚实且非柔性(晶态纤维素)，而另一些区域则是有柔性的像琴弦一样的“缠绕”结构(非晶态纤维素)，当纤维素纤维吸入水分时，它们会溶胀，溶胀作用只限于纤维的非晶态区域，晶态区域的坚实的氢键网格使它们不发生溶胀。酶所能起作用的键的数量取决于纤维素的溶胀程度，为了使纤维素酶能有效地水解纤维素，通常需进行预处理以提高纤维的溶胀性。
纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括三种组分，即C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，前两种酶使纤维素分解成纤维二糖，第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖，正是在这三种酶的协同作用下，纤维素最终被水解成葡萄糖，为微生物的生长提供营养，也可以为人类所利用。
参考资料：贺双桂等 主编.高中数理化生公式定理图解.桂林：广西师范大学出版社.2009.

由黑曲霉及李氏木霉提取者，ADI不作特殊规定。由青霉(Penicillium。funicolosum)制得者，ADI未作规定(FAO/WHO，2001)。 GB 2760-2002：食品发酵工艺用，5～6g/kg干物质(指得自绿色木霉)。 灰白色无定形粉末或液体。溶于水，几乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚。对热较稳定，即使在100℃下保持10min，仍可保持原活性的20%。一般最适作用温度为50～60℃，最适Ph值4.5～5.5。由黑曲霉及李氏木霉提取的产品ADI不作特殊规定，由青霉制得ADI未作规定(FAO/WHO，1994)。 纤维素酶是一种消化酶。用于治疗消化不良、食欲不振。 1、酶制剂。2、主要用于谷类、豆类等植物性食品的软化、脱皮；3、用于降低咖啡提物的粘度，最高允许用量为100mg/kg；4、用于酿造原料的预处理；5、用于脱脂大豆粉和分离大豆蛋白制造中的抽提；6、用于淀粉、琼脂和海藻类食品的制造；7、消除果汁、葡萄酒、啤酒等中由纤维类所引起的混浊；绿茶、红茶等的速溶化等。 用于生化研究、植物细胞杂交研究，用以催化水解纤维素分子为低聚纤维素和酶，医药上常用作消化酶。 纤维素酶主要用于谷物、豆类等植物食品的软化、脱皮；控制(降低)咖啡抽进物黏度，最高允许用量100mg/kg；酿造原料预处理；淀粉、琼脂和海藻类食品的制造；消除果汁中由纤维素类引起的混浊；绿茶、红茶等的速溶。作为饲料添加剂，有助于动物对饲料的消化吸收。它能将纤维素多糖中的β-1,4-葡聚糖水解为β-糊精 一般用黑曲霉(Aspergillus niger)或李氏木霉菌(Trichoderma reesei；T. longibrachiatum)进行培养，然后将发酵液用盐析法使之沉淀并精制而成。由此所制得的商品中除纤维素酶外，尚含有半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和淀粉葡糖苷酶。 以绿色木酶菌种为原料，发酵后硫酸铵分级沉淀、精制得产品。 一般用黑曲霉或李氏木霉菌进行培养，然后将发酵液用盐析法使之沉淀并精制而成。由此所制得的商品中除纤维素酶外，尚含有半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和淀粉葡萄苷酶。