纤维素酶成本

国科大博士生导师王曙阳团队在利用废纸资源发酵产纤维素酶研究方面取得进展

纤维素酶是继淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工业用酶制剂，被广泛的应用于生物能源、食品、造纸、纺织洗涤、医药、动物饲料以及农业废弃物处理等领域。但是昂贵的发酵生产成本是目前制约纤维素酶行业快速发展的主要瓶颈。而废纸作为可回收利用的废弃物资源之一，由于其纤维素含量高、价格低廉、来源广泛、易获取及产生量大等特点具有良好的开发应用潜力。因此，利用废纸资源进行纤维素酶的发酵生产，不仅可以有效降低纤维素酶发酵成本，而且还能实现废纸资源的高值化利用。

近日，国科大导师王曙阳研究员团队在利用废纸发酵产纤维素酶研究方面取得进展。相关成果发表在环境科学领域顶级期刊Journal of Cleaner Production.

不同类型废纸结构表征结果

左：SEM（×1000）和EDS能谱测定结果（A 办公废纸；B 餐巾废纸；C 杂志纸；D 硬纸板纸）

右：XRD（10-50°）测定结果

长枝木霉突变菌株LC-M4利用硬纸板纸和麸皮混合碳源发酵产酶结果

该研究得到国家自然科学基金面上项目(12075294)、中国科学院院地合作项目(YD-2021-01)和甘肃省科学院合作项目(2020HZ-01)的资助。

文章链接：Efficient utilization of waste paper as an inductive feedstock for simultaneous production of cellulase and xylanase by Trichoderma longiflorum

责任编辑：张婧睿

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目录1 拼音2 英文参考3 纤维素酶概述4 纤维素酶的来源5 纤维素酶的生产方法6 纤维素酶的应用7 纤维素酶说明书 7.1 药品名称7.2 英文名称7.3 纤维素酶的别名7.4 分类7.5 剂型7.6 纤维素酶的药理作用7.7 纤维素酶的适应证7.8 纤维素酶的禁忌证7.9 注意事项7.10 纤维素酶的不良反应7.11 纤维素酶的用法用量7.12 纤维素酶与其它药物的相互作用7.13 专家点评 1 拼音

xiān wéi sù méi

2 英文参考

cellulase [21世纪双语科技词典]

3 纤维素酶概述

纤维素酶（cellulase）是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单成分酶，而是由多个酶起协同作用的多酶体系。人们已对纤维素酶的作用机制及工业化应用等方面进行了大量的研究，为纤维素酶的生产和应用打下了良好的基础。其在扩大食品工业原料和植物原料的综合利用，提高原料利用率，净化环境和开辟新能源等方面具有十分重要的意义。

4 纤维素酶的来源

纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、微生物、细菌、放线菌、真菌、动物体内等都能产生纤维素酶。由于放线菌的纤维素酶产量极低，所以研究很少。细菌产量也不高，主要是葡萄糖内切酶，但大多数对结晶纤维素没有活性，并且所产生的酶是胞内酶或吸附在菌壁上，很少能分泌到细胞外，增加了提取纯化的难度，在工业上很少应用。目前，用于生产纤维素酶的微生物菌种较多的是丝真菌，其中酶活力较强的菌种为木霉属（Trichoderma）、曲霉属（Aspergillus）和青霉属（Penicillium）,特别是绿色木霉（Trichodermavirde）及其近缘菌株等较为典型，是目前公认的较好的纤维素酶生产菌。现已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉等纤维素酶。同时，反刍动物依靠瘤胃微生物可消化纤维素，因此可以利用瘤胃液获得纤维酶的粗酶制剂。另外，也可利用组织培养法获得所需要的微生物。

5 纤维素酶的生产方法

目前，纤维素酶的生产主要有固体发酵和液体发酵两种方法。

固体发酵法固体发酵法是以玉米等农作物秸秆为主要原料，其投资少，工艺简单，产品价格低廉，目前国内绝大部分纤维素生产厂家均采用该技术生产纤维素酶。然而固体发酵法存在根本上的缺陷，以秸秆为原料的固体发酵法生产的纤维素酶很难提取、精制。目前，我国纤维素酶生产厂家只能采用直接干燥法粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，其产品外观粗糙且质量不稳定，发酵水平不稳定，生产效率较低，易污染杂菌，不适于大规模生产。

液体发酵法液体发酵生产工艺过程是将玉米秸秆粉碎至20目以下进行灭菌处理，然后送发酵釜内发酵，同时加入纤维素酶菌种，发酵时间约为70h，温度低于60℃。采用除菌后的无菌空气从釜低通入进行通气搅拌，发酵完毕后的物料经压滤机板框过滤、超滤浓缩和喷雾干燥后制得纤维素酶产品。液态深层发酵由于具有培养条件容易控制，不易染杂菌，生产效率高等优点，已成为国内外重要的研究和开发方向。

6 纤维素酶的应用

制酒在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒的出酒率和原料的利用率，降低溶液的黏度，缩短发酵时间，而且酒的口感醇香，杂醇油含量低。纤维素酶提高出酒率的原因可能有两方面：一是原料中部分纤维素分解成葡萄糖供酵母使用；另外，由于纤维素酶对植物细胞壁的分解，有利于淀粉的释放和被利用。

将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中可增加麦粒溶解性，加快发芽，减少糖化液中单一葡萄糖含量，改进过滤性能，有利于酒精蒸馏。

酱油酿造在酱油的酿造过程中添加纤维素酶、可使大豆类原料的细胞膜膨胀软化破坏，使包藏在细胞中的蛋白质和碳水化合物释放，这样既可提高酱油浓度，改善酱油质量，又可缩短生产周期，提高生产率，并且使其各项主要指标提高3％。

饮料加工日本有专利报道，用纤维素酶处理豆腐渣后接入乳酸菌进行发酵，可制得营养、品味俱佳的发酵饮料。将纤维素酶应用于果蔬榨汁、花粉饮料中，可提高汁液的提取率（约10％）和促进汁液澄清，使汁液透明，不沉淀，提高可溶性固形物的含量，并可将果皮综合利用。目前，有报道已成功地将柑橘皮渣酶解制取全果饮料，其中的粗纤维有50％降解为短链低聚糖，即全果饮料中的膳食纤维，具有一定的保健医疗价值。

纤维废渣的回收利用应用纤维素酶或微生物把农副产品和城市废料中的纤维转化成葡萄糖、酒精和单细胞蛋白质等，这对于开辟食品工业原料来源，提供新能源和变废为宝具有十分重要的意义。

此外，在果品和蔬菜加工过程中如果采用纤维素酶适当处理，可使植物组织软化膨松，能提高可消化性和口感。

将纤维素酶用于处理大豆，可促使其脱皮，同时，由于它能使细胞壁破坏，使包含其中的蛋白质、油脂完全分离，增加其从大豆和豆饼中提取优质水溶性蛋白质和油脂的获得率，既降低了成本，缩短了时间，又提高了产品质量。

植物纤维原料是地球上最丰富、最廉价而又可再生的资源，其主要成分是纤维素和半纤维素，纤维素和半纤维素的利用一直是国际国内的研究热点课题。利用的途径和整体思路是利用纤维素酶和半纤维素酶先将纤维素和半纤维素降解成可发酵糖，进而通过发酵制取酒精、单细胞蛋白、有机酸、甘油、丙酮及其他重要的化学化工原料。此外，纤维素、半纤维素通过纤维素酶的限制性降解还可制备成功能性食品添加剂，如微晶纤维素、膳食纤维和功能性低聚糖等。

总之，纤维素酶具有非常广阔的应用前景，但由于液态发酵生产技术含量较高，在大规模生产上还有一定的困难，因此对纤维素酶液态发酵的研究与开发具有重要的现实意义。今后若能加强这方面的研究，则可以使之早日进入工业化生产，一方面可以提高纤维素酶的产量和质量；另一方面可以较好地解决纤维素的生物转化问题，创造良好的社会效益和经济效益。

7 纤维素酶说明书7.1 药品名称

纤维素酶

7.2 英文名称

Cellulase

7.3 纤维素酶的别名

康彼身；康彼申；bizym

7.4 分类

消化系统药物 >助消化药物

7.5 剂型

0.5g。

7.6 纤维素酶的药理作用

每片含有胰酶220mg，相当于脂肪酶（lipase）74OOu（FIP），蛋白酶（protease）420u（FIP），淀粉酶（amylase）7000u（FIP）；含米曲菌提取酶120mg，相当于纤维素酶（cellulase）70u（FIP），蛋白酶（protease）10u（FIP），淀粉酶（amylase）170u（FIP）。

7.7 纤维素酶的适应证

用于各类消化不良症状，老年人消化不良。治疗胰酶分泌不足，在肠液中消化脂肪、碳水化合物及蛋白质，起促进食欲的作用。

7.8 纤维素酶的禁忌证

对纤维素酶过敏者、急性胰腺炎患者禁用。

7.9 注意事项

纤维素酶不可嚼碎。

7.10 纤维素酶的不良反应

偶有腹泻及软便。

7.11 纤维素酶的用法用量

每次2片，每日3次，饭前服。

7.12 药物相互作用

不宜与酸性或堿性药物同服。

7.13 专家点评

目前对木质纤维素原料的预处理方法有物理法、物理化学法、化学法及生物法，各方法各有优缺点，可同时选用多种方法，即组合法。

1.2.1 物理方法

机械粉碎通过剪切或研磨减小原料颗粒尺寸，提高反应面积，同时在一定程度上破坏植物纤维的高级结构，将结晶态纤维素转化成无定形态，使整个大分子结构松散，易于反应。纤维素分解性能与研磨时间和粉碎度直接相关，粒径越小，越容易反应，但需提供的能量也越多，因此存在最佳粉碎尺度。此法不足之处在于通过物理粉碎产生的无定形态非常不稳定，容易重新结晶化，使应用受限。

高能辐射、超声波、微波处理法是通过能量的作用产生物理化学效应，破坏分子间氢键和结晶态结构，降低聚合度，提高酶解速率。Youn 等用60Co的γ射线处理甘蔗渣使还原糖总量提高了约 3 倍。高能辐射可缩短工艺流程、无污染，但成本过高且辐射过程产生的游离基对后续反应有抑制作用。超声波通过能量作用打开氢键，破坏木质素和纤维素结晶区，使纤维的形态结构和超微结构发生变化，有效降低结晶度和规整度，利于酶解；微波处理主要是使物料内部分子发生碰撞，产生热量，导致物料升温，其处理机制为温度效应，研究表明微波可以改变植物纤维原料的超分子结构，使纤维结晶区尺寸发生变化，提高其反应活性。

1.2.2 物理化学方法

高压蒸汽爆破法不添加化学试剂，用高压蒸汽加热原料到一定温度（150~220℃），反应一段时间（10~30min）后迅速降压终止反应。突然减压时，产生二次蒸汽，使体积猛增，受机械力作用，细胞壁结构被破坏，木质素与纤维素分离，而半纤维素在这个过程中被水解并产生有机酸，酸可进一步催化水解得到可溶性糖。此法可去除大部分的半纤维素和少量的木质素，对纤维素几乎没有影响。经蒸汽爆破后的原料孔隙度增大，酶解率明显提高，但会产生有抑制作用的小分子副产物如醛类和有机酸，因此处理后原料需水洗及中和。该法处理费用低，酶解效果明显，已成功用于生产，加拿大Staketech 公司在这方面已取得很大成功。

氨纤维爆破法（AFEX），也称氨冷冻爆破，是利用液氨在相对较低的压力（1.5MPa）和温度(50~80℃)下对原料处理一段时间，然后突然释放压力爆破原料，此过程中液氨迅速汽化产生骤冷，使纤维素结构发生变化。与其他方法不同的是，AFEX 并没有直接分离出木质素和半纤维素，也不产生液态产物，该过程是通过氨与木质素作用改变木质纤维素微结构及超分子结构，使纤维素结构从Ⅰ态转化为Ⅲ态，提高反应活性，可降低酶用量至 1-5 IU/g，大大提高了酶解率。该法避免了高温处理引起的糖变性，不产生抑制性副产物，但成本比较高。类似的还有二氧化碳爆破法，不同的是处理过程中部分 CO2必须形成碳酸，作为后继水解反应的催化剂。

1.2.3 化学法

高温热水处理法是在高温（200℃以上）下，压力高于同温度下饱和蒸汽压时，使用液态水去除部分木质素及全部半纤维素，实质上是酸催化的自水解反应，但高温作用使产物有所损失，并产生一些有机酸抑制酶解及发酵。按水与底物的进料方式不同，分为流动水注入、水与物料相对进料及两者平行进料 3 种，它们都是利用高压液态沸水的高介电常数去溶解几乎所有的半纤维素和 1/3~2/3 的木质素，但反应的 pH 需要控制在 4 到 7 之间，以减少副反应。

稀酸处理植物纤维的研究已有大量报道，尤其在农作物原料中，酸分子的扩散速率很快，且较高温度下符合阿累尼乌斯方程。酸处理多采用稀硫酸（0.5%~1.0%），在 130~200℃与原料反应数分钟。处理后，半纤维素几乎全部水解为单糖（主要为木糖），但也有部分因过度降解转化为乙醛等小分子副产物；纤维素及木质素作为固体残留物不发生变化。半纤维素的转移，增加了纤维素表面积及反应活性，提高水解速率及糖化率。Todd 等通过优化实验条件，可提高还原糖产率至 93%。酸性物质的腐蚀性对反应器材要求高，且化学试剂的加入造成一定污染，该法工艺技术还有待进一步改善。

碱处理是通过碱对纤维素的润涨作用引起分子的消晶和晶格转化，可去除原料中的木质素，保留半纤维素和纤维素。相对酸处理而言，反映条件温和（55~130℃），但易产生不溶性副产物，同时碱用量大，处理时间长，甚至长达数周。最初选用的是 NaOH,它具有较强的脱木质素能力，但有约 50% 的半纤维素过度降解。常用的碱性物质还有熟石灰、氨等。用熟石灰与生物质反应时，氧气/空气的加入可以促进木质素的去除率，提高糖化率；与氨冷冻爆破（AFEX）不同，氨回收过滤法（ARP）是氨在较高温度（150~170℃）下与生物质反应，反应后液态氨被回收再利用。较高温度下，氨溶液可以有效润涨木质纤维素，破坏木质素与半纤维素间的化学键合，降低聚合度，且不会引起糖的降解，该法可有效去除 70%~80%的木质素、水解 40%~60%的半纤维素，保留 95%的纤维素。SEM，X-ray 等分析表明ARP 处理对原料结晶区无影响，但使非结晶区发生了变化，材料孔隙度和表面积明显增加，大大提高了酶解速率。总之碱法中碱耗量大，试剂需回收、中和、洗涤、工序多，应用于大规模生产还有待改进。

氧化处理即利用 O3 或 O2、H2O2 等氧化木质素分子，使其溶出，由此分离木质素和纤维素。常用的还有湿氧化法,即水与空气/氧气在 120℃以上与木质素中酚类物质反应并氧化苯丙烷单元侧链上的烯键，溶解木质素，可保留 70%的纤维素。对半纤维素而言，该法主要是将半纤维素从固相转移到液相，但并不催化液相中的半纤维素水解反应。反应过程产生一些副产物如糠醛及衍生物（如 HMF），对后续反应有一定抑制作用。

1.2.4 生物处理

可分解木质素的天然微生物大多是真菌类，主要有白腐菌、褐腐菌及软腐菌，其中软腐菌分解木质素能力较低，褐腐菌只能改变木质素结构但不能分解木质素，白腐菌分解木质素能力较强，能有效地选择性的分解植物纤维中的木质素。生物法处理条件温和、能耗低、无污染，但周期太长，而且微生物分解木质素的同时也能产生纤维素和半纤维素酶，影响得糖率，有待于通过基因工程或代谢工程选育选择性更强的分解木质素的微生物。

总之，处理方法各异，视具体情况，可协调利用多种方法（组合法）以获得更好效果。如蒸汽爆破法与碱性过氧化物协同作用，微波处理与碱同时作用，沸水处理与氨溶液处理联用等均取得良好效果。预处理方法的选择、工艺过程的设计及工艺参数的确定需要根据原料种类、预处理目的和要求而定，还需兼顾环境友好和低能耗原则。

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