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纖維素酶是一種重要的酶產品,是一種復合酶,主要由外切β-葡聚糖酶、內切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成,還有很高活力的木聚糖酶活力。
纖維素酶是酶的一種,在分解纖維素時起生物催化作用。
纖維素酶廣泛存在于自然界的生物體中。細菌、真菌、動物體內等都能產生纖維素酶。一般用于生產的纖維素酶來自于真菌,比較典型的有木酶屬(Trichoderma)、曲霉屬(Aspergillus)和青霉屬(Penicillium)。
產生纖維素酶的菌種容易退化,導致產酶能力降低。
纖維素酶在食品行業和環境行業均有廣泛應用。在進行酒精發酵時,纖維素酶的添加可以增加原料的利用率,并對酒質有所提升。
由于纖維素酶難以提純,實際應用時一般還含有半纖維素酶和其他相關的酶,如淀粉酶(amylase)、蛋白酶(Protease)等。
纖維素酶種類繁多,來源很廣。不同來源的纖維素酶其結構和功能相差很大。由于真菌纖維素酶產量高、活性大,故在畜牧業和飼料工業中應用的纖維素酶主要是真菌纖維素酶。
1、纖維素酶的組成與功能
纖維素酶根據其催化反應功能的不同可分為內切葡聚糖酶(1,4-β-D-glucan glucanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase,EC3.2.1.4),來自真菌的簡稱EG,來自細菌的簡稱Cen、外切葡聚糖酶(1,4-β-D-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase,EC.3.2.1.91),來自真菌的簡稱CBH,來自細菌的簡稱Cex) 和β-葡聚糖苷酶(β-1,4- glucosidase,EC.3.2.1.21)簡稱BG。內切葡聚糖酶隨機切割纖維素多糖鏈內部的無定型區,產生不同長度的寡糖和新鏈的末端。外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端,釋放葡萄糖或纖維二糖。β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖產生兩分子的葡萄糖。真菌纖維素酶產量高、活性大,在畜牧業和飼料工作中主要應用真菌來源的纖維素酶。
2、纖維素酶降解纖維素的機理研究
纖維素酶反應和一般酶反應不一樣,其最主要的區別在于纖維素酶是多組分酶系,且底物結構極其復雜。由于底物的水不溶性,纖維素酶的吸附作用代替了酶與底物形成的ES復合物過程。纖維素酶先特異性地吸附在底物纖維素上,然后在幾種組分的協同作用下將纖維素分解成葡萄糖。
1950年,Reese等提出了C1-Cx假說,該假說認為必須以不同的酶協同作用,才能將纖維素徹底的水解為葡萄糖。協同作用一般認為是內切葡聚糖酶(C1酶)首先進攻纖維素的非結晶區,形成Cx所需的新的游離末端,然后由CX酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位,最后由β-葡聚糖苷酶將纖維二糖水解成二個葡萄糖。不過,纖維素酶的協同作用順序不是絕對的,隨后的研究中發現,C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必須同時存在才能水解天然纖維素。若先用C1酶作用結晶纖維素,然后除掉C1酶,再加入Cx酶,如此順序作用卻不能將結晶纖維素水解。