纖維素酶解的研究進展

摘 要：纖維素酶是一類能夠水解纖維素的β-1，4-葡萄糖苷鍵生成葡萄糖的多組分酶總稱，其作用的底物比較復(fù)雜，各組分功能也存在差異。本文對纖維素酶以及各組分酶的功能進行了綜述。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維素；纖維素酶；纖維素酶解

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.185

1 引言

木質(zhì)纖維素原料來源十分廣泛，是儲量豐富的可再生資源[1]。據(jù)統(tǒng)計，全球每年生產(chǎn)該類物質(zhì)約200×109噸，其中有90%以上是木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，而它們當(dāng)中有8～20×109仍具有潛在的可利用性[2]。包括農(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈、蔗渣等）如何處理，對環(huán)境壓力以及可再生能源的利用具有現(xiàn)實意義。因此，在生物燃料、生物基化學(xué)品、分子材料、食品等領(lǐng)域這些廉價及豐富的木質(zhì)纖維素，都具有廣泛的應(yīng)用空間。

纖維素的結(jié)構(gòu)單位時D-葡萄糖，其分子式為：（C6H10O5）n，式中n為葡萄糖基數(shù)目，稱為聚合度。經(jīng)長期研究，已證實天然纖維素中D-葡萄糖基以吡喃環(huán)的形式存在，并且相互以β-1，4糖苷鍵構(gòu)成分子鏈，因為這對吡喃式D-葡萄糖具有最低的能態(tài)，這也是其二聚物（纖維二糖）及共衍生物的真正形式。由于葡萄糖上帶有多個羥基，因此纖維素分子間容易形成氫鍵，進而使得鏈與鏈之間氫鍵緊密連接易于聚集成結(jié)晶性的原纖結(jié)構(gòu)。如圖1所見，大量氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中存在著相對規(guī)則的結(jié)晶區(qū)，其阻礙了纖維素分子的進一步利用，故纖維素水解前需進行預(yù)處理，破壞它的氫鍵及結(jié)晶區(qū)，以便更好地水解纖維素，從而增加它的酶可及面積。

2 纖維素酶作用機理

纖維素酶是指能夠水解纖維素β-1，4-糖苷鍵，進而生成葡萄糖的一類酶的總稱，它是由幾種酶共同協(xié)同作用，而不是單一的酶，其中主要包括外切葡聚糖酶（CBH，C1）、內(nèi)切葡聚糖酶（EG，Cx）和β-葡萄糖苷酶（CB，纖維二糖酶）。長期的研究表明，結(jié)晶纖維素的徹底降解至少需要這3組纖維素酶的協(xié)同作用，如圖2所示，Cx能容易地降解接近類型的纖維素或衍生物，Cx只有和C1組分結(jié)合時才可以利用晶形式的纖維素。C1酶首先作用于結(jié)晶纖維素表面，使其形成結(jié)晶構(gòu)的纖維素鍵斷開，長鏈分子末端游離，從而其轉(zhuǎn)化成可被Cx酶作用的形式，Cx酶水解非結(jié)晶或纖維素、可溶性纖維素轉(zhuǎn)化為纖維二糖，最后由β-葡萄糖苷酶將纖維二糖、三水解為葡萄糖。

3 單一纖維素組分作用機理

（1）內(nèi)切葡聚糖酶（EG或Cx）。Cx酶作用于纖維素的β-1，4葡萄糖苷鍵，隨機切割，產(chǎn)生大量纖維素的還原性末端。測定Cx酶活力方法較多，通用的方法是利用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為底物測其酶活，由于它是一種高聚合度的可溶性纖維素衍生物，還原性所占比例較少，纖維素酶易于作用β-1，4葡萄糖苷鍵。

（2）外切葡聚糖酶（CBH，C1）。C1酶是指切割有Cx酶所產(chǎn)生的纖維素分子還原性末端，能夠是纖維素長鏈釋放出葡萄糖及小分子的寡糖。

有研究表明，已知外切葡聚糖酶具有2個獨立的活性結(jié)構(gòu)域：其一是指具有催化纖維素功能的結(jié)構(gòu)域CD，其二是指具有結(jié)合纖維素功能的結(jié)合于CBD，二者由高度糖基化鏈相連接。查閱大量文獻指出，C1對纖維素結(jié)晶區(qū)破壞作用極大，能夠產(chǎn)生纖維二糖。其原因是首先是利用CBD把C1吸附在纖維素結(jié)晶區(qū)表面，其次再由單根葡聚糖鏈（纖維素）快速準(zhǔn)確地進入CD中帶底物結(jié)合和催化部位的“隧道”，纖維二糖被準(zhǔn)確地從葡聚糖鏈上切割下來并被釋放出來的同時，C1分子沿著葡聚糖鏈向前滑動2個葡萄糖單位[3]。

（3）β-葡萄糖苷酶（CB，纖維二糖）。CB酶又稱β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，它能夠作用于結(jié)合在末端非還原性的β-D-葡萄糖苷鍵，水解生成部分β-D-葡萄糖以及相應(yīng)的配基。在水相系統(tǒng)中，CB酶能水解纖維二糖及一些聚合度小于6的纖維糊精為葡萄糖，隨著聚合度的增加，水解效果顯著下降。

4 總結(jié)

木質(zhì)纖維素廣泛的來源，如農(nóng)業(yè)廢棄物、餐廚垃圾以及部分工業(yè)殘余物等，可通過預(yù)處理和水解發(fā)酵轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，需要在理論研究做出深入解釋，以便更好的應(yīng)用于實踐。

參考文獻：

[1]Sánchez J & Cardona CA. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Bioresource Technology 2008（99）：5270-5295.

[2]Lin Y & Tanaka S.Ethanol fermentation from biomass resources：current state and prospects.Applied Microbiology & Biotechnology 2006（69）：627-642.

[3]方詡，秦玉琪，李雪芝，王祿山，汪天虹，朱明田，曲音波.纖維素酶與木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化的研究進展[J].生物工程學(xué)報，2010（26）：864-869.

作者簡介：燕亞平（1991-），男，陜西榆林人，碩士，研究方向：生物質(zhì)資源化利用。