MDL | MFCD00081510 |
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InChIKey | XLNZEKHULJKQBA-UHFFFAOYSA-N |
Inchi | InChI=1S/C9H21O2PS3/c1-6-10-12(13,11-7-2)15-8-14-9(3,4)5/h6-8H2,1-5H3 |
SMILES | [Cellulase] |
水溶性 | Soluble in cold water. |
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沸点 | 319.6±44.0 °C at 760 mmHg |
熔点 | No data available |
闪点 | 147.1±28.4 °C |
溶解度 | deionized water: soluble5.0mg/mL (Sterile; In the presence of 0.15% polyhexamethylene biguanide (PHMB).) |
颜色与性状 | 灰白色无定形粉末或液体。 |
溶解性 | 溶于水几乎不溶于乙醇氯仿和乙醚。 |
敏感性 | 对热及湿度敏感 |
密度 | 1.10-1.30 g/mL |
精确分子量 | 504.16903493g/mol |
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氢键供体数量 | 11 |
氢键受体数量 | 16 |
可旋转化学键数量 | 7 |
同位素质量 | 504.16903493g/mol |
重原子数量 | 34 |
复杂度 | 641 |
同位素原子数量 | 0 |
确定原子立构中心数量 | 15 |
不确定原子立构中心数量 | 0 |
确定化学键立构中心数量 | 0 |
不确定化学键立构中心数量 | 0 |
共价键单元数量 | 1 |
疏水参数计算参考值(XlogP) | -6.9 |
拓扑分子极性表面积 | 269Ų |
EINECS | 232-734-4 |
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PubChemId | 87565257 |
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Reaxys RN | 8476219 |
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概述
纤维素酶(β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶)是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称,它不是单体酶,而是起协同作用的多组分酶系,是一种复合酶,主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成,还有很高活力的木聚糖酶。作用于纤维素以及从纤维素衍生出来的产物。微生物纤维素酶在转化不溶性纤维素成葡萄糖以及在果蔬汁中破坏细胞壁从而提高果汁得率等方面具有非常重要的意义。
分类
按组成与功能
纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡聚糖酶(1,4-β-D-glucan glucanohydrolase或
纤维素和几丁质分子结构图
纤维素和几丁质分子结构图
endo-1,4-β-D-glucanase,EC3.2.1.4),来自真菌的简称EG,来自细菌的简称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),来自真菌的简称CBH,来自细菌的简称Cex) 和β-葡聚糖苷酶(β-1,4- glucosidase,EC.3.2.1.21)简称BG。内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区,产生不同长度的寡糖和新链的末端。外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖。β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。真菌纤维素酶产量高、活性大,在畜牧业和饲料工作中主要应用真菌来源的纤维素酶。
按降解机理
纤维素酶反应和一般酶反应不一样,其最主要的区别在于纤维素酶是多组分酶系,且底物结构极其复杂。由于底物的水不溶性,纤维素酶的吸附作用代替了酶与底物形成的ES复合物过程。纤维素酶先特异性地吸附在底物纤维素上,然后在几种组分的协同作用下将纤维素分解成葡萄糖。
1950年,Reese等提出了C1-Cx假说,该假说认为必须以不同的酶协同作用,才能将纤维素彻底的水解为葡萄糖。协同作用一般认为是(C1酶)首先进攻纤维素的非结晶区,形成Cx所需的新的游离末端,然后由CX酶从多糖链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位,最后由β-葡聚糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖。不过,纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的,随后的研究中发现,C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必须同时存在才能水解天然纤维素。若先用C1酶作用结晶纤维素,然后除掉C1酶,再加入Cx酶,如此顺序作用却不能将结晶纤维素水解。
纤维素酶物理化学性质
【密度】1.2 g/mL at 25 °C 【储存条件】 2-8°C 【form】 powder 【color】 white
化学性质
灰白色无定形粉末或液体。溶于水,几乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚。对热较稳定,即使在100℃下保持10min,仍可保持原活性的20%。一般最适作用温度为50~60℃,最适Ph值4.5~5.5。由黑曲霉及李氏木霉提取的产品ADI不作特殊规定,由青霉制得ADI未作规定(FAO/WHO,1994)。
纤维素酶产品用途
用途一: 酶制剂。主要用于谷类、豆类等植物性食品的软化、脱皮;淀粉、琼脂和海藻类食品的制造,最大使用量5~6g/kg干物质;酿造原料的预处理;消除果汁、葡萄酒、啤酒等中由纤维素类所引起的混浊等;红茶、绿茶等的速溶化等。
用途二: 纤维素酶是一种消化酶。用于治疗消化不良、食欲不振。
用途三: 1、酶制剂。2、主要用于谷类、豆类等植物性食品的软化、脱皮;3、用于降低咖啡提物的粘度,最高允许用量为100mg/kg;4、用于酿造原料的预处理;5、用于脱脂大豆粉和分离大豆蛋白制造中的抽提;6、用于淀粉、琼脂和海藻类食品的制造;7、消除果汁、葡萄酒、啤酒等中由纤维类所引起的混浊;绿茶、红茶等的速溶化等。
用途四: 酶制剂。主要用于谷类、豆类等植物性食品的软化、脱皮;控制(降低)咖啡抽提物的粘度,最高允许用量为100mg/kg;酿造原料的预处理;脱脂大豆粉和分离大豆蛋白制造中的抽提;淀粉、琼脂和海藻类食品的制造;消除果汁、葡萄酒、啤酒等中由纤维素类所引起的浑浊;绿茶、红茶等的速溶化等。
用途五: 用于生化研究、植物细胞杂交研究,用以催化水解纤维素分子为低聚纤维素和酶,医药上常用作消化酶。
用途六: 纤维素酶主要用于谷物、豆类等植物食品的软化、脱皮;控制(降低)咖啡抽进物黏度,最高允许用量100mg/kg;酿造原料预处理;淀粉、琼脂和海藻类食品的制造;消除果汁中由纤维素类引起的混浊;绿茶、红茶等的速溶。作为饲料添加剂,有助于动物对饲料的消化吸收。它能将纤维素多糖中的β-1,4-葡聚糖水解为β-糊精
制备方法
生产方法一: 以绿色木酶菌种为原料,发酵后硫酸铵分级沉淀、精制得产品。
生产方法二: 一般用黑曲霉(Aspergillus niger)或李氏木霉菌(Trichoderma reesei;T. longibrachiatum)进行培养,然后将发酵液用盐析法使之沉淀并精制而成。由此所制得的商品中除纤维素酶外,尚含有半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和淀粉葡糖苷酶。
生产方法三: 一般用黑曲霉或李氏木霉菌进行培养,然后将发酵液用盐析法使之沉淀并精制而成。由此所制得的商品中除纤维素酶外,尚含有半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和淀粉葡萄苷酶。
生产方法四: 一般用黑曲霉或李氏木霉进行培养,再将发酵液用盐析法使之沉淀并精制而成。由此所制得的商品中除纤维素酶外,尚含有纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和淀粉葡糖苷酶。
影响纤维素酶作用的因素
纤维素酶的最适pH一般在4.5~6.5。葡萄糖酸内酯能有效的抑制纤维素酶,重金属离子如铜和汞离子,也能抑制纤维素酶,但是半胱氨酸能消除它们的抑制作用,甚至进一步激活纤维素酶。植物组织中含有天然的纤维素酶抑制剂;它能保护植物免遭霉菌的腐烂作用,这些抑制剂是酚类化合物。如果植物组织中存在着高的氧化酶活力,那么它能将酚类化合物氧化成醌类化合物,后者能抑制纤维素酶。
菌种选育
菌种选育是纤维素酶生产的基础性工作,国内外许多专家进行了大量研究,为了生产高质量的纤维素酶产品,王家林等(1996)在吸收国内外经验的基础上,先后引进了绿色木霉木10、绿色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15、黑曲霉XX-15A,在此基础上,采用了紫外线、特定电磁波辐射、线性加速器,亚硝基胍等物理、化学的诱变方法,获得了高产菌株NT15-H、NT15-H1、XT-15H、XT-15H1。其中木霉NT-15H固体培养活力经轻工部食品质量监督检测中心南京站检测表明,滤纸活力为3670u/g, C1-酶活力24460u/g,Cx-酶活力1800u/g,已达到国际先进水平。此菌种在工厂化生产中性能稳定。张苓花等(1998)采用康氏木霉W-925,J-931,经过浓度为2%硫酸二乙酯和紫外线(15W、30cm、2min)复合诱变后,得到了产酶活性高的Wu-932菌种,该菌种CMC糖化力达到2975,滤纸糖酶活性为531,比出发菌W-925分别提高了100%和81%。化工部饲料添加剂技术服务中心王成书等(1997)采用该中心的里氏木霉A3先进行紫外线和亚硝基胍复合诱变后,将处理过的孢子接种于纤维双层平板上,30℃培养5-8天,15℃放置7-10天,挑选透明圈直径和菌落直径比较大的单菌落进行三角瓶固态发酵再筛选,得到了产纤维素酶活力很高的里氏木霉91-3菌株。
纤维素酶菌种易退化,退化后其产酶力明显降低,其原因可能有三个方面:
①经诱变筛选的菌种发生回复突变。
②自然负突变。
③菌种长时间低温斜面保藏,会在分生孢子上长出次生菌丝,而次生菌丝所形成的分生孢子生命力弱,这可能是菌种退化的主要原因。为了避免纤维素酶菌种退化,张苓花等(1998)报道,采用砂土管保藏菌种。即将过筛洗净的砂子与土以3:2比例混合分装在试管内,用1kg/cm2压力灭菌30分钟共三次,将欲保存的斜面菌种制备成1000ml孢子悬浮液,每个砂土管注入0.5ml,摇匀,放入盛有无水CaCl2真空干燥器内保存。经测定,在所测的121天内,酶的活性基本不变;酶活性下降50%的时间,由常规方法的60天延长至160天,明显地减缓了菌种退化速度。
发酵工艺
纤维素酶的生产工艺主要有两种,即固体发酵和液体发酵,其工艺如下:
影响产酶量和活力的因素
影响纤维素酶产量和活力的因素很多,除菌种外,还有培养温度、pH、水分、基质、培养时间等。这些因素不是孤立的,而是相互联系的。张中良等(1997)采用均匀设计Cl12(1210),以绿色木霉(T.ViriclePers.expr)为菌种,研究了影响产纤维素酶的五大因素对产酶量和活力的作用,认为基质粗纤维含量为40%、初始pH7.5、加水4倍、在26-31℃条件下培养45h可获得最大产酶量26mg/g和CMC酶活力20mg/g·h。王成华等(1997)也研究了其诱变筛选的里氏木霉91-3的产酶条件,结果表明该菌种以7:3的秸秆粉和麦麸,另添加4%硫酸铵、0.4%磷酸二氢钾、0.1%硫酸镁为最佳培养基,28-32℃为适宜培养温度,30℃为最佳温度,4%为最佳接种量,96h到达发酵高峰。张苓花等(1998)研究了以康氏木霉W-925为出发菌,经诱变后得到的Wu-932纤维素酶高产菌的最佳发酵条件。结果表明,以1:2的麦麸和稻草粉为培养基,5%的接种量,稻草粉碎平均长度3-5mm,初始pH4-5,温度在28-35℃,发酵时间72h为最佳发酵条件。
污染菌的控制
饲用纤维素酶普遍存在一种俗称的“白毛菌”污染。污染后轻者酶活性下降,重者发酵失败。为此,研究控制发酵污染意义很大。张苓花等(1998)研究“白毛菌”的菌落特征、来源、生长和生理特征及控制方法,找到了一种与康氏木霉Wu-932呈共生关系,而与“白毛菌”呈竞争性抑制关系的热带假丝酵母菌J-931。利用此菌进行混合发酵,可有效地控制“白毛菌”的污染。
应用领域
农业应用
纤维素酶在畜禽生产中的应用:
常见的畜禽饲料如谷物、豆类、麦类及加工副产品等都含有大量的纤维素。除了反刍动物借助瘤胃微生物可以利用一部分外,其它动物如猪、鸡等单胃动物则不能利用纤维素。
以下是纤维素酶在牛、鸡、猪日粮中的应用:
牛日粮
焦平林等(1996)用阉牛试验,在日粮中按每头每日添加纤维素酶40g,饲喂60天,结果表明加酶组日增重892.78g,对照组日增重746.8g,差异极显著(P<0.01)。焦平林又用30头荷斯坦奶牛进行试验,试验组按每头每日添加50g纤维素酶,结果表明,试验组15头奶牛在68天总产奶量为2916kg,而对照组15头奶牛在68天的总产奶量为2689kg,差异显著(P<0.05)。付连胜等(1998)报道,在瘤胃功能正常状态下,成年奶牛及育成牛饲喂纤维素酶5天后,其粪便干物质和饲喂前相比,减少30%,一周后,封闭式牛舍氨含量下降70%左右,粗饲料采食量提高8-10%,尿中尿素下降58.9%,怀孕奶牛在产前30天始饲喂纤维素酶,分娩后,不产生生理性消化不良症状,胎儿体重可增加1.5-3kg,并无畸形和弱胎。产牛体质恢复快,产奶高峰维持时间长(一直至第四个泌乳月)。赵长友等(1998)综述了纤维素酶在草食动物日粮中的应用,均取得了显著效果。
鸡日粮
肉鸡日粮一般以高鱼粉、高玉米、高豆粕为主。为减少这些常规原料的使用量,广泛采用廉价的饲料原料,秦江帆等(1996)在肉鸡日粮中提高富含纤维的麦麸比例,添加0、0.05%、0.1%纤维素酶制剂进行试验,结果表明,添加0.1%纤维素酶组比对照组在1-2、3-6、7-8周三个生长阶段日增重分别提高4.31%、4.54%、4.13%,耗料比分别下降1.56%、4.50%、4.3%。徐奇友(1998)在蛋鸡日粮中添加0.1%、0.15%、0.5%纤维素酶,结果表明,在1-10月的产蛋期间,产蛋率分别提高0.53%、1.25%、2.88%,酶水平0.15%和0.5%组的破蛋率降低34.49%、16.19%,蛋壳强度分别提高14.71%和8.41%。
猪日粮
据尹清强等(1992)报道,在基础日粮中添加0.6%和1.2%纤维素复合酶,结果生长育肥猪增重比对照组分别提高16.84%和21.86%。Wank等(1993)报道,添加纤维素酶,使中性洗涤纤维消化率由30.3%提高到34.1%,酸性洗涤纤维消化率从68.8%提高到73.9%,能量消化率由69.3%提高到71.8%。
纤维素酶在洗涤剂工业中的应用
纤维织物,特别是棉纤维织物,经过穿用和多次洗涤之后,往往会出现很多微纤维的绒毛。这些绒毛同玷污在衣物上的有机、无机污渍一起缠绕成许多小球,结果使衣物表面变得灰暗,板结。为解决这一问题,早在1970年国外专利中就提出了用纤维酶来消除这些微纤维的想法,但这个想法久久未能变成现实。直到1985年,采用腐殖根霉发酵的方法,制得了世界上第一个洗涤剂用的纤维素酶,其商品命名为Cellulase。1987年又推出了一种细菌纤维素酶,并成功地用于Attack洗衣粉。从此,纤维素酶也就正式加入了洗涤剂酶的行列。现在,纤维素酶在洗涤剂中的应用还不算太普及,但一些大公司的名牌产品已在采用,如美国P&G公司的一些洗衣粉中,就含有了这种纤维素酶。
纤维素酶与其他洗涤剂酶的作用机理不同,它不是直接催化污渍中的某种物质分解,使其变为洗涤水可溶解的物质而达到洗净的目的,而是由纤维素酶对织物上的微纤维作用,达到整理、翻新织物的目的。因为天然纤维,特别是棉纤维,是由葡萄糖构成的高分子物质。分子中的糖仅以β-1,4-葡萄糖方式联结,形成一个直线型的大分子。这种分子集结成束,就称为原纤维,很多原纤维的集结,就成为微纤维。在正常情况下,纤维是以晶体方式排列,所以它的表面光滑,柔软,外观光亮。但经穿着、摩擦和反复洗涤之后,一些微纤维就会脱离其结晶区域,在纤维表面或纤维之间形成很多微纤维。这些微纤维相互缠绕成绒球后,不仅因裹入的污物使衣物变脏,而且由于光在小球上发生了散射,不论单色或彩色衣物都显得灰暗。若要从衣物上去掉这些绒球,那么就需要选择适当的纤维素酶,才可很好地完成这一任务。也就是说,必须选用符合下述条件的酶,才可在洗涤剂中应用。
毒性
由黑曲霉及李氏木霉提取者,ADI不作特殊规定。由青霉(Penicillium。funicolosum)制得者,ADI未作规定(FAO/WHO,2001)。
使用限量 GB 2760-2002:食品发酵工艺用,5~6g/kg干物质(指得自绿色木霉)。
纤维素酶检测
虽然纤维素酶的检测方法很多,但真正能适合饲料的检测方法还没有,这给实际应用工作带来困难,如无法比较不同厂家的产品质量,确定纤维素酶添加量也很困难,应组织有关力量,制订出统一的检测方法标准,供生产中应用。
化学品安全说明书(MSDS)
储运特性