香菇转化利用秸秆进程中多聚物降解酶作用研究现状

信召哲，赵庆新，唐伯平**

（1．南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 210009；2．盐城师范学院江苏省盐土生物资源研究重点实验室，江苏 盐城 224051）

香菇转化利用秸秆进程中多聚物降解酶作用研究现状

信召哲1，2，赵庆新2，唐伯平2**

（1．南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 210009；2．盐城师范学院江苏省盐土生物资源研究重点实验室，江苏 盐城 224051）

香菇是一种木腐菌，能将木材中的木质素、纤维素和半纤维素等大分子降解为小分子作为主要碳源。通过对香菇转化利用秸秆过程中多聚物降解酶进行综述。漆酶、愈创木酚氧化酶、多酚氧化酶等木质素降解酶对秸秆中木质素的降解起关键作用；羧甲基纤维素酶（Cx酶）、滤纸纤维素酶（C1酶）、β－葡萄糖苷酶等纤维素降解酶对秸秆中纤维素的降解起关键作用；β－1,4－内切木聚糖酶、β－木糖苷酶等半纤维素降解酶对秸秆中半纤维素的降解起关键作用。在秸秆利用过程中，果胶酶和脂肪酶等也发挥一定作用。

香菇；秸秆；多聚物；降解酶

香菇（Lentinus edodes）是一种木腐菌，属于能够分解木材获得营养而生存的一类真菌，能将木材中的木质素、纤维素和半纤维素等大分子降解为小分子作为主要的碳源[1]。香菇是世界第二大[2]栽培食用菌，属于伞菌目（Agaricales） 侧耳科（Pleurotaceae） 香菇属（Lentinus）[3]，又名花菇、香蕈和香菌等。对香菇菌的药用和食用价值研究表明，其富含B族维生素、铁、钾、维生素D等物质，其中香菇多糖具有抗癌和增强人体免疫力作用[4]。随着香菇需求量的不断增加，相应的栽培规模不断扩大，对木材类等相关原料的需求量也会增加，这势必会对森林资源的保护与开发带来一定的负面影响。因此，扩大香菇栽培原料的来源，有效地利用农作物秸秆资源，将会成为香菇研究领域的热点课题。

秸秆通常指小麦、水稻、玉米、甘蔗等在收获籽实后的剩余部分。农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中，秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，秸秆粗纤维含量高（30%～40%），并含有木质素等，是一种可再生的生物资源，可成为香菇利用的基质。另外，秸秆原料分布广泛且容易获得、价格便宜。

香菇体内没有叶绿素，不能进行光合作用，主要依靠分解吸收生长基质内的营养为生[5]，前人研究表明香菇具有分解秸秆中木质素、纤维素、半纤维素和木质素等大分子的能力[6]，在生长过程中,香菇菌丝细胞合成和分泌出大量的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶酶和脂肪酶等[7-9],分解秸秆中木质素、纤维素、果胶和少量的脂肪,并将其分解转化为葡萄糖、木糖、半乳糖醛酸等小分子物质，作为菌丝细胞可直接吸收和利用的营养物质，以满足香菇生长的营养需要。

本文对香菇转化利用秸秆过程中多聚物降解酶的作用，进行了详细、系统的叙述，希望为相关的研究提供理论支持。

1　木质素降解酶

漆酶、愈创木酚酶、多酚氧化酶等酶的活性可以衡量香菇对木质素的降解能力[7]。香菇的孢子成熟后，遇到适宜的温度和湿度条件就会萌发生成菌丝。相关研究发现，在香菇菌丝降解秸秆或其它培养基质中的木质素过程中，其木质素酶系中漆酶、愈创木酚酶、多酚氧化酶起了关键的作用，在香菇菌丝营养生长阶段，这些酶的活性较高[7，10-11]。由于木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共扼双键等活性基团[12]，因此在漆酶、愈创木酚酶、多酚氧化酶存在的情况下可以进行氧化、还原、水解、醇解、梭基、光解、酞化、磺化、烷基化、卤化、硝化等化学反应[7，9，13]，从而将秸秆中的木质素降解为香菇可以利用的营养物质,完成生物系统中的物质循环，为生长发育提供相应的物质基础。

2　纤维素降解酶

香菇纤维素酶系包括羧甲基纤维素酶（Cx酶）、滤纸纤维素酶（C1酶）、β-葡萄糖苷酶[14-16]。在子实体生长期，3种酶酶活达到高峰值，在这一阶段秸秆或者培养基质中大量的纤维素被降解为葡萄糖等可以被利用的物质，为香菇的正常生长提供碳源，进而满足子实体生长的营养需求。滤纸纤维素酶（C1酶）是对纤维素最初起作用的酶，破坏纤维素链的结晶结构。羧甲基纤维素酶（Cx酶）是作用于经C1酶活化的纤维素、分解β-1，4-糖苷键的纤维素酶[17]。β-葡糖苷酶可以将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖，从而为香菇提供生长发育所需营养物质。

3　半纤维素降解酶

半纤维素酶[18]活性在香菇生长前期菌丝生长阶段较弱，高峰期出现在转色期。在这个阶段，由于半纤维素酶的存在，促使香菇丝生长发育进入生理成熟期，表面白色菌丝在一定条件下，逐渐变成棕褐色的一层菌膜，这是香菇生长过程中十分重要的一个环节[7-9]。但是随着子实体的生长，其酶活性逐渐减弱。

半纤维素是仅次于淀粉和纤维素的一大类碳水化合物，秸秆中半纤维素的含量占其干重的25%～50%[19-20]。半纤维素是由多种不同类型的单糖构成的异质多聚体，其单体主要是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。木聚糖半纤维素在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，构成了坚硬的细胞相网络。木腐菌降解半纤维素需要β-1，4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-阿拉伯呋喃糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶、α-葡萄糖醛酸酶等共同作用[21]。β-1，4-内切木聚糖酶（endo-1,4-β-xylanase,EC 3.2.1.8），简称木聚糖酶，主要作用于木聚糖主链的β-1，4-糖苷键，产生低聚木糖或带有侧链的寡聚木糖，降低聚合度。β-木糖苷酶（β-xylosidase,EC 3.2.1.37）主要水解短链的低聚木糖或木二糖，并从非还原性末端释放出木糖[22]，产生菌体能直接利用的糖。α-阿拉伯呋喃糖苷酶（α-L-arabinofuranosidase,EC 3．2．1．55）[23]、α-葡萄糖醛酸酶（α-glucosiduronase,EC 3.2.1.139）[24]、乙酰木聚糖酯酶(acetylxylan esterase，EC 3.1.1.72)等主要分解侧枝，与木聚糖酶和木糖糖苷酶协同起作用[25-26]。

在香菇中存在的蔗糖酶[27]又称转化酶，它是糖苷酶的一种，主要作用就是催化蔗糖水解为果糖和葡萄糖等单糖，为香菇生长发育所需要。蔗糖酶的蔗糖底物也是香菇培养料中的一种糖类[28-30]，是一种二糖，在香菇定植期有利于菌种恢复和生长。香菇菌丝在接种过程中会受到损伤，接入料中后还没有分解和吸收木屑营养成分的能力，需要一定时间的恢复，且恢复后的菌丝生命力虽然很旺盛，但在分泌胞外酶方面还不很活跃，而菌丝侵入秸秆内部需要很强的侵蚀力，需消耗能量来满足生长需要，此时单糖、双糖最容易被吸收利用[31-32]。

4　果胶酶

果胶（pectin）是一种异质型多糖，组成单元以半乳糖醛酸为主，覆盖在纤维素与半纤维素网络的表面和沉积在网络网孔中[33]，部分半乳糖醛酸可发生甲氧基化（甲酯化，也就是形成甲醇酯），残留的羧基单元以酸的形式存在或形成铵、钾钠和钙等盐[34]。果胶酶[35-36]是指分解植物细胞壁果胶质的酶类，广泛分布于高等植物和微生物中，可分为果胶酸酯降解酶、果胶酸降解酶和果胶酯酶三类[37-38]。其中果胶酸酯降解酶和果胶酸降解酶，根据降解的方式可以分别分为果胶酸酯水解酶与裂解酶、果胶酸水解酶与裂解酶。上述酶在香菇等中普遍存在，特别是某些感染植物的致病微生物、植物内生菌和秸秆腐生菌中。在香菇生长过程中，果胶酶的活性随子实体生长发育而迅速上升，则反映了这些酶在香菇生殖生长中的作用：活性的迅速上升，加速了培养基质的降解，满足子实体生长的营养需求[8-9]。

5　脂肪酶与烷烃降解酶

脂肪酶是广泛存在于动植物和微生物中的一种酶，催化三酰甘油的酯键水解，释放含更少酯键的甘油酯、甘油和脂肪酸。在细菌、真菌、酵母中脂肪酶的含量较丰富[39-40]。很多微生物都可以利用烷烃作为碳源和能源[41]。同样，烷烃降解酶在香菇生长过程中也发挥着重要的作用。

香菇的基因组中有编码脂肪酶和烷烃降解酶的基因存在。脂肪酶在香菇生长发育过程中是不可或缺的。相关文献报道，香菇中脂肪酶的含量是比较低的，在一定的pH和温度范围内才会发挥作用[42-43]。目前还没有相关的文献报道香菇中的烷烃降解酶，这有待于进一步的研究。

6　总结与展望

随着香菇需求量的增大与栽培范围的不断扩大，遵循对森林资源保护与开发的原则，扩大香菇栽培原料的来源势必会成为重中之重，也将会成为新的研究热点。本文对香菇转化利用秸秆过程中多聚物降解酶的研究进行了详细叙述。推测多聚物降解酶之间，可能存在一定的互补性：菌丝营养生长阶段，木质素酶系中相关酶的活性较高；到转色期，木质素酶系的活性减弱，半纤维素酶和淀粉酶的活性增强；再到子实体生长阶段，半纤维素酶和淀粉酶减弱，纤维素酶系的活性升高。这样的互补性更加有利于充分降解利用栽培基质中的各种营养成分，使香菇生长发育过程中能获得持续的营养供给[7，9，44-45]。对于秸秆等生长基质中的烷烃类物质和香菇体内的烷烃降解酶，还没有相关的文献报道，这需要广大科研工作者进一步研究和证实。

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Review on the Effect of Polymer-degrading Enzyme of Lentinus edodes in the Process of Transforming and Utilizing Straw

XIN Zhao-zhe1,2,ZHAO Qing-xin2,TANG Bo-ping2
(1．College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nangjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2．Jiangsu Key Laboratory for Bioresources of Saline Soils,Yancheng Teachers University,Yancheng 224051,China）

As the wood－decay fungi,Lentinus edodes can degradate macromolecules from wood into small molecules used as carbon resource,such as lignin,cellulose and hemicellulose．This review focused on the effect of polymer－degrading enzymes from L.edodes in the process of transforming and utilizing straw．Previous studies have shown that lignin－degrading enzymes such as laccase,guaiacol oxidase and polyphenol oxidase play a key role in lignin degradation,the cellulose－degrading enzymes such as carboxymethyl cellulose enzyme,filter paper cellulose and β－glucosidase play a critical role in the degradation of cellulose,the hemicellulose－degrading enzymes such as endo－1,4－β－xylanase and β－xylosidase have pivotal effect on the degradation of Hemicellulose．Additionally,the pectinase and lipase appear to play a certain role in the utilization process of straw．

Lentinus edodes;straw;polymer－degrading;enzymes

S646.1

A

1003-8310（2016）06-0010-04

10．13629/j．cnki．53－1054．2016．06．002

江苏省盐土生物资源研究重点实验室开放课题项目（6407126A37）。

信召哲（1990－），女，在读硕士研究生，主要研究方向为生物资源。E－mail:xinzhaozhe＠qq．com

**通信作者：唐伯平（1964－），男，博士，教授，主要从事滩涂生物的研究。E－mail:boptang＠163．com

2016－09－08