黑曲霉产纤维素酶的研究进展

周艳华，张春艳

（长沙环境保护职业技术学院，湖南长沙 410004）

纤维素是植物细胞壁的主要成分，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，其基本结构是由葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成的纤维二糖[1]。纤维素酶是糖苷水解酶的一种，能够水解纤维素水解终产物葡萄糖，可用于饲料、食品和燃料乙醇的生产。黑曲霉菌是公认的安全菌株，它不产生对人和动物有害的物质，由黑曲霉生产的酶制剂，如糖化酶、果胶酶等，已广泛应用于食品工业。因此，利用黑曲霉生产纤维素酶的研究越来越引起人们的重视。纤维素酶系是一类复杂的复合酶，一般被认为包括3种水解酶，即内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶[2]。纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的生物催化剂，可破坏细胞壁，使细胞内容物溶解出来，再由复合酶中的蛋白酶和淀粉酶等进一步降解，增加吸收率，同时也增加了非淀粉多糖的消化，进而提高了多纤维原料的利用率。纤维素酶是一种糖苷水解酶，能够水解纤维素，其终产物是葡萄糖。

1 黑曲霉产纤维素酶发酵方法

黑曲霉对人和动物无毒性，且生长较快、酶系丰富，当前黑曲霉产纤维素酶的发酵方法主要有固体发酵法和液体发酵法。

1.1 固体发酵法

固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸秆为主要原料，其操作简易、工艺简单、能耗低、无废水废渣产生、不造成对环境的二次污染、产品价格低廉等，成为国内外重要的研究和生产工艺。目前，对黑曲霉进行固体发酵生产纤维素酶的研究，主要是考察其培养条件对产酶及酶性质的影响。培养条件包括碳源、氮源、pH值、培养时间、温度等。其中影响最大的是碳源和氮源。

魏丹华[3]研究了海洋黑曲霉生料固态发酵产纤维素酶及酶的固定化。张聪聪[4]研究了黑曲霉固态发酵产纤维素酶条件优化及秸秆糖化，选育出一株产高活力纤维素酶的黑曲霉，应用于秸秆发酵产纤维素酶降解纤维素。毛婷等[5]研究了产纤维素酶混合菌发酵优化及秸秆降解，结果表明降解效果良好。刘淼等[6]也研究了黑曲霉固态发酵秸秆生产纤维素酶工艺条件，效果良好。郭凯等[7]以棉花秸秆作为发酵基质，优化黑曲霉ZD固体发酵产纤维素酶的发酵条件。高大响等[8]以豆渣为主要原料，利用黑曲霉为产酶菌株，通过固态发酵法生产纤维素酶。郑渊洁等[9]研究了黑曲霉产纤维素酶混合发酵条件。赵华等[10]研究了黑曲霉固态发酵对甘薯渣的影响。张曈等[11]研究了黑曲霉产纤维素酶发酵条件的优化及酶学性质。

1.2 液体发酵法

与固体发酵法相比较，采用黑曲霉液体发酵法产纤维素酶具有培养条件易控制、生产效率高效、不易沾染杂菌等特点。因其独特的优势，现在越来越受到科研工作者的青睐。殷休[12]研究了黑曲霉液体发酵香菇残次品产纤维素酶的培养基优化，陈作国等[13]选用响应面法和变温培养相结合的方法，优化了一种海洋黑曲霉生产耐盐性纤维素酶的液体发酵条件。周晨妍等[14]研究了黑曲霉菌株产纤维素酶的固态发酵条件，结果表明，经条件优化后，酶活性较强。张丽影等[15]研究了以羧甲基纤维素钠培养基和液体发酵培养基筛选菌株，菌株的最佳碳源和氮源分别为1.0%CMC-Na和0.3%酵母膏。孙科[16]研究了碳源、氮源、时间、温度pH、接种量等因素对产纤维素酶酶活的影响，确定了黑曲霉产纤维素酶的最优条件。从前期研究可知，黑曲霉产纤维素酶其产酶活力会受到碳源、氮源、pH值、培养温度、培养时间、孢子悬液接种的体积分数、氧通气量等因素的影响。

2 纤维素酶的纯化

目前，纤维素酶分离纯化的方法主要包括凝胶过滤层析、离子交换层析、超滤等。胡亚冬等[17]采用DEAE阴离子交换层析、凝胶过滤层析两种分离纯化技术从纤维素酶系中成功分离出单一组分，即内切葡聚糖酶。朱年青等[18]采用硫酸铵分级沉淀、凝胶过滤层析、离子交换层析等技术从纤维素酶系中成功分离纯化到3个组分。王婷婷等[19]采用硫酸铵分级沉淀、阴离子交换层析和疏水层析等技术成功分离纯化得到1种纤维素酶。江小妹等[20]采用凝胶过滤层析和阳离子交换层析分离纯化得到一种内切型纤维素酶。

3 纤维素酶的应用

黑曲霉产纤维素酶的应用较早，主要是由于黑曲霉在产纤维素酶的过程中不会产生毒素，因此被广泛应用于纤维素酶的生产中。目前，纤维素酶作为工业中一种重要的酶制剂，被广泛地应用于食品、饲料、造纸等领域。

3.1 食品领域

纤维素酶在食品加工中的应用最为广泛，常伦峰等[21]在果蔬汁加工中时，加入适量纤维素酶，可改善果蔬汁的口感，提高果蔬汁的澄清度。董玉玮等[22]将纤维素酶用于辅助提取牛蒡多糖，并将其应用于复合保健茶饮料中，得到营养丰富、口感良好、感官评分高、符合国家标准的保健茶饮料。此外，纤维素酶还可应用于发酵食品，如白酒、酱油、食醋、啤酒、饮料、茶叶等[23]。

3.2 饲料领域

纤维素酶在饲料加工中的应用有着广阔的应用前景。余枭等[24]在动物饲料中加入纤维素酶，降解饲料中的纤维素，将其转化为营养物质，从而提高动物对纤维素的消化率。同时，纤维素酶还可调整动物体内的酸碱度，有助于提高胃蛋白酶的消化作用[25]。

3.3 造纸领域

采用纤维素酶处理纸浆，可使纸张韧性和保水性增强[26]。此外，纤维素酶还可应用于纸张回收中的废纸脱墨工艺中，纤维素酶可降低纸张与墨之间的结合力，纤维溶胀，墨慢慢溶解出来，从而达到废纸脱墨的目的[27]。

3.4 能源领域

当前人类对能源的需求日益增大，特别是生物能源，乙醇作为一种生物能源也被普遍应用。采用纤维素酶可将纤维素降解为乙醇等清洁能源，不仅能缓解全球对能源的短缺，而且有助于环境保护[28]。