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半纤维素降解菌的筛选及特性研究


半纤维素降解菌的筛选及特性研究 半纤维素降解菌的筛选及特性研究
摘要: 其主要成分是木聚糖, 摘要 半纤维素是一种广泛存在于各种植物资源中的多糖。 半纤维素的降解主要就是由木聚糖酶降解木聚糖生成单糖木糖。 现在就半纤维素 降解菌的筛选培养及产酶优化、 木聚糖酶酶活测定方法等方面的研究现状和发展 前景进行了综述。 关键词:半纤维素、降解、木聚糖酶、筛选、优化 关键词 前言

我国纤维资源丰富,小麦、水稻、玉米等已经成为世界上分布最广、种植面 积最大、总产量最高的粮食作物,其农产品的废弃物中纤维素、半纤维素含量较 高,经纤维素酶水解后可作为生物质资源而被再次加以利用。然而,在前些年这 些潜在的资源无论作为动物饲料还是制浆造纸原料都没有得到充分利用。近年 来,纤维原料资源因丰富性和可再生性引起人们的广泛兴趣,特别是半纤维素的 方面的研究取得较快进展。 国外已有不少的研究者对降解半纤维素的真菌和细菌 进行了研究。国内陆续出现了有关降解半纤维素菌的研究报道。 半纤维素是植物性材料的重要组成成分之一,是由己糖和戊糖组成的异质 多糖,占 15 - 30 % ,是陆生植物细胞壁的一种主要组分 ,较集中于初级和次级细 胞壁中。半纤维素酶是分解半纤维素的一类酶的总称,主要由各种细菌和霉菌发 酵产生,在自然界中是仅次于纤维素的可再生有机资源。与纤维素(β-1,4-葡聚 糖主链)相比,半纤维素的结构与组成十分复杂,包括木聚糖、甘露聚糖、阿拉 伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多种组分,而其中又以木聚糖和甘露聚糖 两种多糖与食品、饲料及制浆造纸工业关系最大。 微生物产生的半纤维素酶可降解半纤维素生成木糖及其它少量单糖,对研究 半纤维素生物转化具有重要意义,如在生物制浆 ,转化半纤维素为单糖、 酒精 , 处理造纸厂废水的环境污染等方面具有广阔的应用前景。在煤、石油、天然气的 储量日益减少的今天,纤维素可作为一种可持续发展的资源来研究和开发。而且 天然植物纤维资源丰富、 价格低廉, 突出的优点是具有生物可降解性和可再生性, 在解决人类所面临的能源、资源和环境问题方面有重要意义。

1. 半纤维素的提取 半纤维素的提取原料十分广泛,从小麦秸秆、稻草、玉米芯、麸皮、甘蔗渣 中都能提取出半纤维素来。半纤维素的提取方法很多,一般都采用碱提醇沉得方 法。现半纤维素就以稻草为原料提取。 从稻草中提取半纤维素, 首先用 6%的 NaOH 浸泡稻草粉 2h(在 100℃水浴中) (浸泡固液比为 1:15) ,过滤得滤液,用浓盐酸调 pH 值至 7.0 后,加入 95 % 乙醇以沉淀半纤维素(滤液:乙醇=1:0.8) ,过滤或离心得沉淀,用无水乙醇洗 涤沉淀 2 次,再将沉淀于 45℃下烘干,即得浅黄色,粉末状半纤维素。用做半 纤维素降解菌的筛选。 2. 半纤维素降解菌的筛选 半纤维素降解菌的筛选,一般先将采集回来的样品作预处理。以提取的半纤 维素为能源,配制选择性培养基和透明圈测定培养基来筛选样品中的菌株。初筛 是用选择性培养基将样品中能以半纤维素为能源的菌株筛选出来。 然后将初筛出 来的菌株用双层的透明圈测定培养基再次复筛,选择透明圈明显且大的菌株。这 样就初步筛选出所需的半纤维素降解菌。这些菌株的来源很广泛,包括细菌、真 菌、放线菌和酵母菌等,后面可做各种生理生化试验来鉴定这些菌株。 3. 菌株的产酶优化 影响微生物发酵生产木聚糖酶的因素很多, 通常是发酵条件, 如碳源、 氮源、 pH、温度和通气量等。此外不同的菌还会有一些其他的因子, 各种因子对于木聚 糖酶的表达有综合效应, 包括底物的可接近性, 低聚木糖的释放速率和数量及其 化学特性和所能够产生的木糖的数量。木聚糖酶与底物的结合紧密, 在发酵过程 产生的一部分木聚糖酶会结合在不溶性底物上而被丢失。 此外影响到木聚糖酶产 生菌的代谢酶, 包括蛋白酶和糖苷转移酶类, 都会影响到木聚糖酶的产率, 这些 代酶通常在微生物的对数生长末期得到最佳的表达, 在确立木聚糖酶的培养时 间须要考虑到这些酶存在于培养基中。 4. 半纤维素酶酶活测定 半纤维素酶酶活测定 测定菌株的酶活是采用的 DNS 间接法,其原理是半纤维素被定义为碱溶性 植物细胞壁的一类多糖,其中包括木聚糖,葡甘露聚糖,半乳糖甘露聚糖等多糖 成分。木聚糖是半纤维素中最丰富的一种,植物界也分布最广。本法用半纤维素

酶水解底物产生还原糖(以木糖计)与 3, 5—二硝基水杨酸(DNS)反应, 产生颜色变 化,这种颜色变化与释放的还原性糖(以木糖计)的量成正比关系,即与酶样品中 的酶活性成正比。通过在 550nm 的光吸收值查对木糖标准曲线可以确定还原性 糖产生的量,从而确定出酶的活力单位。1g 酶粉(或 1ml 酶液)于 50℃pH4.8 条件 下,每分钟分解 1%木聚糖溶液产生 1 微克还原糖(以木糖)的酶量定义为一个半 纤维素酶活力单位。 5. 半纤维素酶的应用 半纤维素酶的应用 在造纸工业中的应用,半纤维素酶被用于造纸和制浆过程, 可以减少后道工 序漂白过程中氯的需求量。应用木聚糖酶的漂白工艺将使投资成本降低, 并且在 环境和经济两方面均具有优势,木聚糖酶在造纸工业中还用于废纸脱墨, 不仅使 脱墨变得更容易, 而且可减少化学药品的用量。 在食品行业中的应用,主要体现在它能从棉籽壳、甘蔗渣和玉米皮芯等天然 食物半纤维中分解得到木糖和低聚木糖等用低聚木糖可制成不同甜度的食品, 可代替葡萄糖, 作为糖尿病人的疗效食品。 木聚糖的水解产物( 木糖和低聚木糖) 还可在食品行业作为增稠剂、脂肪替代物或抗冷冻食品的添加剂加以应用; 在制 药工业中木聚糖会与其他物质结合使用, 添加木聚糖酶可改善药物成分的释放。 木聚糖的水解产物还可以进一步转化为液体燃料、单细胞蛋白、溶剂和低热量甜 味剂。木聚糖酶在酿酒行业中也有重要的作用,结果发现木聚糖酶有助于提高发 酵效率,增加酒精的产率, 原因在于木聚糖酶对谷物细胞壁中木聚糖的作用有助 于加快淀粉酶的作用。 在饲料行业中的应用,由于小麦、黑麦、稻谷、麸皮、米糠和统糠等饲料原 料中含有较多的非淀粉多糖( Non- starchpolysaccharides,NSPS) , 主要包括木聚 糖、 β- 葡聚糖、 α- 半乳糖苷、 果胶和纤维素等, 而单胃动物不能分解NSPS, 因 此, 直接采用会对动物消化吸收产生一定的抗营养作用。因此, 在这些饲料中添 加木聚糖酶、半乳糖酶、β- 葡聚糖酶和果胶酶等复合酶制剂, 不仅可以将NSPS 转化为营养性物质, 还消除了其抗营养作用,具有十分重要的意义。

参考文献: 参考文献:
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