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1、浅论产纤维素酶黑曲霉菌的探究进展作为地球上含量最为丰富,分布最为广泛的可再生生物质资源,纤维素的开发与利用对于解决能源危机、环境污染、粮食资源紧张等问题意义重大。纤维素由D-葡萄糖分子以β-1,4糖苷键组成的大分子多糖,其分子结构结晶度与聚合度高,需要利用纤维素酶的水解作用,将其降解成为单糖,继而进行纤维素的合理利用与转化。纤维素酶是一组复合酶系,通过多种酶的协同作用水解降解纤维素,纤维素酶主要来源于可产纤维素酶的细菌和真菌。其中,由于丝状真菌纤维素酶产量高于细菌和酵母菌等真菌,被广泛应用于纤维素酶产业化生产。作为丝状真菌
2、中的一员,黑曲霉菌高产纤维素酶,且安全、无毒素,在产纤维素酶微生物研究领域,黑曲霉菌是开发、利用最为广泛的真菌之一。近年来,在高产纤维素酶微生物,发酵产酶工艺,应用领域等方面国内外均开展了相关研究,且取得了一定的进展。1纤维素酶的组成与催化机制纤维素酶是由三种不同酶组成的复合酶系,主要包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或纤维二塘水解酶、β-葡萄糖苷酶。三种酶通过协同作用将纤维素降解为寡糖和纤维二塘,并最终水解为葡萄糖。内切葡聚糖酶主要作用于纤维素分子的非结晶区,随机水解β-1,4糖苷键并产生大量带有非还原末端的小分子纤维,此外
3、,也能水解纤维素的某些基团取代产物,如羧甲基纤维素和羟乙基纤维素等。外切葡聚糖酶主要作用于微晶纤维素分子的还原端和非还原端,水解β-1,4糖苷键,从而裂解下二糖分子。β-葡萄糖苷酶可将纤维二糖和其他可溶性寡糖水解为葡萄糖。2产纤维素酶微生物产纤维素酶的微生物主要包括细菌、真菌和放线菌。放线菌和细菌纤维素酶产量相对较低,放线菌生长缓慢,相关研究较少,细菌纤维素酶多为内切葡聚糖酶,对结晶纤维素无活性,且分离难度较大,影响其产业化开发。高产纤维素酶的真菌主要包括曲霉菌属、木霉菌属、青霉菌属、镰孢菌属和枝顶孢雄属等。其中,丝状真菌
4、是纤维素酶产业化开发与利用的首选微生物。曲霉菌属是丝状真菌中着名的高产纤维素酶菌属之一,而作为曲霉菌属中的一员,黑曲霉菌除高产纤维素酶外,还能合成木聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、甘露聚糖酶、植酸酶、蛋白酶等酶,可促进生物质的高效降解,且安全、无毒素,其研究与产业化开发也较为广泛。3黑曲霉菌产酶工艺与影响因素由于黑曲霉菌需在低含水量固态发酵底物中生长、传代,其生产纤维素酶工艺通常采用固体发酵法。固体发酵法的最大优点是可以利用木质纤维素废弃物作为发酵底物,且固体发酵法提供的生长环境
5、与黑曲霉菌的天然生长环境相似,更有利于其生长、传代。此外,固体发酵法还具备成本低,工艺简单,酶产物回收率高,能源需求低,污水排放少等优点。主要缺点是发酵过程中温度、pH、营养成分含量等工艺条件的控制与监测较为复杂与困难。另外,国外也有学者改良了黑曲霉菌发酵产酶工艺,Cunha等选用黑曲霉菌为生产菌,甘蔗废弃物为发酵底物,应用固液连续发酵法生产纤维素酶,研究结果表明,应用固液连续发酵法获得内切葡聚糖酶和木聚糖酶产量高于传统的固体发酵法。黑曲霉菌纤维素酶产量受到多种因素影响,主要包括发酵培养工艺,产酶诱导因子,菌株产酶效率,发
6、酵设备生产效率等均可影响黑曲霉菌的生长状态,从而影响其酶合成量。其中,发酵培养条件(如pH、温度、培养基氮源、碳源、阳离子等)可通过优化实验改良。在固体发酵底物中添加不同种类的纤维素和木质素,乳糖等诱导因子,可在一定程度上诱导黑曲霉菌提高纤维素酶产量。4产纤维素酶黑曲霉菌应用研究黑曲霉菌高产纤维素酶,在乙醇等生物燃料开发领域具有一定应用前景。此外,在食品加工,木质纤维素废弃物降解,动物饲料添加剂等领域也取得了相关研究进展。4.1生物燃料2010年我国可收集秸秆[1][2][3]下一页ok3等选用城市固体废弃物作为碳源,研究
7、了黑曲霉菌和木霉菌纤维素酶活,固体废弃物、蛋白胨、酵母提取液为最理想的碳源和氮源,黑曲霉菌和木霉菌培养物中酶的总量比其他真菌高40%~60%。结果表明,纤维素类城市固体废弃物作为一种碳源,可由黑曲霉菌和木霉菌降解、利用。此外,黑曲霉菌还可降解农作物秸秆、甘蔗渣、椰壳废弃物等纤维素废弃物资源,合成纤维素酶,变废为宝,从而减少资源浪费,降低环境污染。4.4动物饲料添加剂由于黑曲霉菌安全,无毒素,且高产纤维素酶,在动物饲料添加剂研究与应用领域,已引起国内外学者的关注。Chandra等分别以牛落花生饲草、麦麸、米糠、锯屑等木质纤维
8、素作为固体发酵底物,研究了黑曲霉菌滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活和葡萄糖苷酶酶活,比较了各种底物发酵前后蛋白含量。其中,黑曲霉菌发酵落花生饲草和麦麸底物后滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活、β-葡萄糖苷酶酶均显着高于其他实验组。此外,发酵后的牛落花生饲草蛋白含量有所提高。结果表明,黑曲霉菌可发酵牛落花生饲草、麦麸等
