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淺論產(chǎn)纖維素酶黑曲霉菌的探究進展論文
作為地球上含量最為豐富，分布最為廣泛的可再生生物質(zhì)資源，纖維素的開發(fā)與利用對于解決能源危機、環(huán)境污染、糧食資源緊張等問題意義重大。纖維素由D - 葡萄糖分子以β - 1，4 糖苷鍵組成的大分子多糖，其分子結(jié)構(gòu)結(jié)晶度與聚合度高，需要利用纖維素酶的水解作用，將其降解成為單糖，繼而進行纖維素的合理利用與轉(zhuǎn)化。
纖維素酶是一組復合酶系，通過多種酶的協(xié)同作用水解降解纖維素，纖維素酶主要來源于可產(chǎn)纖維素酶的細菌和真菌。其中，由于絲狀真菌纖維素酶產(chǎn)量高于細菌和酵母菌等真菌，被廣泛應用于纖維素酶產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。作為絲狀真菌中的一員，黑曲霉菌高產(chǎn)纖維素酶，且安全、無毒素，在產(chǎn)纖維素酶微生物研究領(lǐng)域，黑曲霉菌是開發(fā)、利用最為廣泛的真菌之一。近年來，在高產(chǎn)纖維素酶微生物，發(fā)酵產(chǎn)酶工藝，應用領(lǐng)域等方面國內(nèi)外均開展了相關(guān)研究，且取得了一定的進展。
1 纖維素酶的組成與催化機制
纖維素酶是由三種不同酶組成的復合酶系，主要包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或纖維二塘水解酶、β - 葡萄糖苷酶。三種酶通過協(xié)同作用將纖維素降解為寡糖和纖維二塘，并最終水解為葡萄糖。內(nèi)切葡聚糖酶主要作用于纖維素分子的非結(jié)晶區(qū)，隨機水解β - 1，4 糖苷鍵并產(chǎn)生大量帶有非還原末端的小分子纖維，此外，也能水解纖維素的某些基團取代產(chǎn)物，如羧甲基纖維素和羥乙基纖維素等。外切葡聚糖酶主要作用于微晶纖維素分子的還原端和非還原端，水解β - 1，4 糖苷鍵，從而裂解下二糖分子。β - 葡萄糖苷酶可將纖維二糖和其他可溶性寡糖水解為葡萄糖。
2 產(chǎn)纖維素酶微生物
產(chǎn)纖維素酶的微生物主要包括細菌、真菌和放線菌。放線菌和細菌纖維素酶產(chǎn)量相對較低，放線菌生長緩慢，相關(guān)研究較少，細菌纖維素酶多為內(nèi)切葡聚糖酶，對結(jié)晶纖維素無活性，且分離難度較大，影響其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。高產(chǎn)纖維素酶的真菌主要包括曲霉菌屬、木霉菌屬、青霉菌屬、鐮孢菌屬和枝頂孢雄屬等。其中，絲狀真菌是纖維素酶產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與利用的首選微生物。曲霉菌屬是絲狀真菌中著名的高產(chǎn)纖維素酶菌屬之一，而作為曲霉菌屬中的一員，黑曲霉菌除高產(chǎn)纖維素酶外，還能合成木聚糖酶、果膠酶、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，可促進生物質(zhì)的高效降解，且安全、無毒素，其研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)也較為廣泛。
3 黑曲霉菌產(chǎn)酶工藝與影響因素
由于黑曲霉菌需在低含水量固態(tài)發(fā)酵底物中生長、傳代，其生產(chǎn)纖維素酶工藝通常采用固體發(fā)酵法。固體發(fā)酵法的最大優(yōu)點是可以利用木質(zhì)纖維素廢棄物作為發(fā)酵底物，且固體發(fā)酵法提供的生長環(huán)境與黑曲霉菌的天然生長環(huán)境相似，更有利于其生長、傳代。此外，固體發(fā)酵法還具備成本低，工藝簡單，酶產(chǎn)物回收率高，能源需求低，污水排放少等優(yōu)點。主要缺點是發(fā)酵過程中溫度、pH、營養(yǎng)成分含量等工藝條件的控制與監(jiān)測較為復雜與困難。另外，國外也有學者改良了黑曲霉菌發(fā)酵產(chǎn)酶工藝，Cunha 等選用黑曲霉菌為生產(chǎn)菌，甘蔗廢棄物為發(fā)酵底物，應用固液連續(xù)發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶，研究結(jié)果表明，應用固液連續(xù)發(fā)酵法獲得內(nèi)切葡聚糖酶和木聚糖酶產(chǎn)量高于傳統(tǒng)的固體發(fā)酵法。
黑曲霉菌纖維素酶產(chǎn)量受到多種因素影響，主要包括發(fā)酵培養(yǎng)工藝，產(chǎn)酶誘導因子，菌株產(chǎn)酶效率，發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)效率等均可影響黑曲霉菌的生長狀態(tài)，從而影響其酶合成量。其中，發(fā)酵培養(yǎng)條件( 如pH、溫度、培養(yǎng)基氮源、碳源、陽離子等) 可通過優(yōu)化實驗改良。在固體發(fā)酵底物中添加不同種類的纖維素和木質(zhì)素，乳糖等誘導因子，可在一定程度上誘導黑曲霉菌提高纖維素酶產(chǎn)量。
4 產(chǎn)纖維素酶黑曲霉菌應用研究
黑曲霉菌高產(chǎn)纖維素酶，在乙醇等生物燃料開發(fā)領(lǐng)域具有一定應用前景。此外，在食品加工，木質(zhì)纖維素廢棄物降解，動物飼料添加劑等領(lǐng)域也取得了相關(guān)研究進展。
4. 1 生物燃料
2010 年我國可收集秸稈資源量約為7 億t，加上工業(yè)和林業(yè)纖維廢棄物，每年木質(zhì)纖維素資源總量將超過20 億t。產(chǎn)纖維素黑曲霉菌可將農(nóng)作物的秸稈、工業(yè)和林業(yè)纖維廢棄物等木質(zhì)纖維素原料水解為葡萄糖，用于生產(chǎn)乙醇、有機酸和其他化學制品，從而緩解人們對礦物燃料的依賴。Bjorn 等將甘蔗渣和云杉木水解液作為發(fā)酵底物，研究了重組黑曲霉菌D15 菌株的產(chǎn)酶特性，結(jié)果表明，重組黑曲霉菌D15 不僅可降解木質(zhì)纖維素，還可降解和轉(zhuǎn)化其衍生物，如乙酸、呋喃醛、紫錐菊多酚等，有利于酵母菌乙醇發(fā)酵，從而促進以木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料第二代生物乙醇工廠的發(fā)展。
4. 2 食品加工
在保健食品、果汁和蔬菜汁加工和茶葉加工等領(lǐng)域，國內(nèi)外學者報道了相關(guān)研究。Dhillon 等選用蘋果醬、稻殼、藜蘆醇、硫酸銅、乳糖等原料配制固體發(fā)酵培養(yǎng)基，研究了黑曲霉菌NRRL - 567 纖維素酶粗提液中非特異性殼多糖酶和殼聚糖酶的活性，殼多糖酶和殼聚糖酶活性分別達到了70. 28 U/g 和64. 20 U/g，且保存1 個月后酶活性仍達到92% ~94%。高殼多糖酶和殼聚糖酶活性的黑曲霉菌纖維素酶提取液，可用于生產(chǎn)低分子量殼多糖和殼聚糖低聚體。在保健食品生產(chǎn)方面具有重要的用途。Ajay等從黑曲霉菌DFR - 5 酶液中提純木聚糖酶，并研究了木聚糖酶與果膠酶和纖維素酶混合物對菠蘿汁產(chǎn)量和澄清度的影響。與對照組相比，木聚糖酶試驗組菠蘿汁的生產(chǎn)率和澄清度分別達到了71. 3% 和64. 7%，均高于對照組( 61. 8% 和57. 8%) 。結(jié)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領(lǐng)域具有一定的應用前景。另外，在茶葉加工領(lǐng)域，黑曲霉菌是普洱茶發(fā)酵過程中的優(yōu)勢菌，通過合成多種酶類，促進酚類物質(zhì)、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解，可一定程度上改善茶葉感官特性，縮短加工時間，提高茶葉品質(zhì)。
4. 3 木質(zhì)纖維素廢棄物降解
纖維素類城市固體廢棄物作為一類可再生生物質(zhì)，其資源量巨大，可用于生產(chǎn)纖維素酶，Gautam等選用城市固體廢棄物作為碳源，研究了黑曲霉菌和木霉菌纖維素酶活，固體廢棄物、蛋白胨、酵母提取液為最理想的碳源和氮源，黑曲霉菌和木霉菌培養(yǎng)物中酶的總量比其他真菌高40% ~ 60%。結(jié)果表明，纖維素類城市固體廢棄物作為一種碳源，可由黑曲霉菌和木霉菌降解、利用。此外，黑曲霉菌還可降解農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣、椰殼廢棄物等纖維素廢棄物資源，合成纖維素酶，變廢為寶，從而減少資源浪費，降低環(huán)境污染。
4. 4 動物飼料添加劑
由于黑曲霉菌安全，無毒素，且高產(chǎn)纖維素酶，在動物飼料添加劑研究與應用領(lǐng)域，已引起國內(nèi)外學者的關(guān)注。Chandra 等分別以牛落花生飼草、麥麩、米糠、鋸屑等木質(zhì)纖維素作為固體發(fā)酵底物，研究了黑曲霉菌濾紙酶活、羧甲基纖維素酶活和葡萄糖苷酶酶活，比較了各種底物發(fā)酵前后蛋白含量。其中，黑曲霉菌發(fā)酵落花生飼草和麥麩底物后濾紙酶活、羧甲基纖維素酶活、β - 葡萄糖苷酶酶均顯著高于其他實驗組。此外，發(fā)酵后的牛落花生飼草蛋白含量有所提高。結(jié)果表明，黑曲霉菌可發(fā)酵牛落花生飼草、麥麩等木質(zhì)纖維素合成纖維素酶，且提高了牛落花生飼草營養(yǎng)價值。張福元等研究了黑曲霉發(fā)酵玉米秸稈產(chǎn)纖維素酶及降解基質(zhì)的營養(yǎng)條件，優(yōu)化營養(yǎng)條件后可使黑曲霉菌株產(chǎn)CMCase、FPase 酶活性達到最高。此外，經(jīng)黑曲霉菌發(fā)酵后，玉米秸稈粗蛋白含量提高了1. 2 倍，粗纖維、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維含量分別下降了34%、19%、23%。結(jié)果表明，黑曲霉菌可發(fā)酵玉米秸稈合成纖維素酶，且提高了玉米秸稈營養(yǎng)價值，為玉米秸稈青貯、黃貯發(fā)酵飼料的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和應用提供了科學依據(jù)。
5 小結(jié)
纖維素資源產(chǎn)量巨大，纖維素類廢棄物也日漸增多，科學、高效降解纖維素類生物質(zhì)資源，促進其可循環(huán)利用可在一定程度上減少資源浪費，降低環(huán)境污染。纖維素酶可高效降解纖維素，然而，降解纖維素耗酶量巨大，如何提高纖維酶產(chǎn)量是關(guān)鍵。微生物發(fā)酵是纖維素酶產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑，可研究、選育高產(chǎn)纖維素酶菌株進行生物發(fā)酵產(chǎn)酶。
隨著微生物學、生物化學，生物遺傳學，基因工程學等學科的不斷發(fā)展，應進一步開展高產(chǎn)纖維素酶黑曲霉菌菌株選育，發(fā)酵產(chǎn)酶工藝優(yōu)化，纖維素酶生物活性與作用機制等研究，提高纖維素酶活，縮短加工時間，降低生產(chǎn)成本，從而促進產(chǎn)纖維素黑曲霉菌的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與利用。
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