產生纖維素酶的微生物很多。到目前為止,國內外已記錄了約53個屬的數千個菌株,包括細菌、真菌和放線菌。目前,真菌主要用於纖維素酶的生產,世界纖維素酶市場的20%來自木黴和曲黴,其中木黴是公認的纖維素酶產量最高的菌株之壹,目前在生產中被廣泛應用。
自從二戰中Reese從美軍軍服中發現木黴以來,木黴纖維素酶的工業化生產越來越受到關註,T.ressei已經成為世界上最重要的纖維素酶產生菌。其優點是培養面廣,適應性強,適合固體培養和深層發酵。其酶系統具有較高的纖維素酶活性,能產生大量胞外蛋白。其胞外纖維素系統由60% ~ 80%的外切葡聚糖酶、20% ~ 36%的內切葡聚糖酶和65,438+0%的β-葡聚糖酶組成,這些酶協同將纖維素轉化為葡萄糖。
誘變育種是提高菌株酶活的有效方法。以裏氏木黴Rut C-30突變株為例,通過三步突變獲得(秦玲玲等,2011)。首先,在代謝物抑制的條件下,通過對纖維素水解活性的篩選和紫外誘變,獲得菌株M7。其次,經過化學誘變(亞硝基胍)和類似於前者的更嚴格的酶活性篩選過程,從M7中分離出菌株NG14。在胞外蛋白和纖維素酶活性方面,NG14比其親本菌株和其他可用的纖維素酶突變體高出數倍(Eveleigh等人,1979)。最後,通過紫外線使NG14突變,並篩選對2-脫氧葡萄糖和菌株Rut C30的抗性(Kang等人,2006;威克等人,1957).當分離出Rut C30時,纖維素酶的產量可達15fp units/(L·h),並可產生約20mg/mL的胞外蛋白。與其親本菌株NG14相比,胞外蛋白產量提高了壹倍,達到2%,在工業發酵罐中產量超過30g/L,達到了產酶的工業需求。與其他木黴菌株相比,Rut C30產生的外切葡聚糖酶穩定性最高,在pH5.0和50℃培養30天時,只有28%的外切葡聚糖酶失活(Esterbauer H et al .,1991)。
裏氏木黴突變菌株QM9414、MCG77、MCG80、Rut C30、CL-847、VTT-D和SVG是產完整纖維素酶系的優良菌株。上述菌株在含纖維素(如濾渣、棉花、微晶纖維素等)的無機鹽培養基中培養時。)或處理過的木質纖維素(木材和稭稈),它們能分泌和產生纖維素酶(H.Esterbauera等,1991)。上述菌株在實驗室搖瓶發酵培養中,平均每消耗1 g碳源可產纖維素酶蛋白250mg,蛋白活力為0.5 ~ 1.0 u/mg,產量為50 ~ 150 FP units/(L·h)。補料分批連續培養可以提高酶濃度和產量。
Mach和Seiboth的研究發現,通過使用纖維素、木聚糖或其他工業和農業副產物如乳糖作為培養基,木黴也可以產生高濃度的纖維素酶和半纖維素酶(Mach等人,2003;Seiboth等人,2007年).木黴纖維素酶最近已經工業化。除了國際知名品牌公司Genencor和NovoNordisk,國內公司如Juttel Enzymes已經大規模生產纖維素酶。
木黴纖維素酶發酵主要有兩種方式:固體發酵和液體發酵。
固體發酵法以玉米等農作物稭稈為主要原料,投資少,工藝簡單,產品價格低。目前,我國大部分纖維素酶生產廠家都采用這種技術生產纖維素酶(齊等,2000)。中國科學院過程研究所陳紅璋等人在纖維素酶固態發酵領域進行了研究,設計了100m3纖維素酶固態發酵反應器及其配套設備,實現了汽爆稭稈纖維素酶的規模化生產,最高產量為210FPA/g幹曲。然而,固體發酵產生的纖維素酶很難提取和精制。目前,我國的纖維素酶生產廠家只能采用直接幹燥法得到固體酶制劑或水浸壓濾得到液體酶制劑。其產品外觀粗糙,質量不穩定,發酵水平不穩定,生產效率低,易汙染雜菌。
液體發酵的生產工藝是將玉米稭稈粉碎至20目以下滅菌,然後送入發酵釜發酵,同時添加纖維素酶菌種。發酵時間約70h,溫度低於60℃。滅菌後的無菌空氣從釜底通入通氣攪拌,發酵物料經壓濾機板框過濾,超濾濃縮,噴霧幹燥制得纖維素酶產品。液體深層發酵具有培養條件容易控制、雜菌汙染少、生產效率高等優點,已成為國內外重要的研發方向。李中興等(1999)以康寧木黴T215為菌種,在30t氣升式反應器中發酵纖維素酶,CMC酶活平均達到78.3IU/mL。
南京農業大學陸研究了用不同聚合物覆蓋的紗布固定化木黴細胞的纖維素酶活性,以聚載體固定化木黴的纖維素酶活性最高,達到3.5IU/mL。固定化木黴細胞產生的纖維素酶不經純化分離,直接水解經輻射和低濃度NaOH預處理的稻草,其葡萄糖產量隨輻射劑量和水解時間的增加而增加。電子輻照和4%NaOH處理的稻草葡萄糖產率達到65,438±09%,而小麥稭稈的葡萄糖產率達到22%。認為固定化木黴細胞酶液能很好地水解經輻射預處理的稻草。研究成果“輻射與生物技術相結合提高纖維素酶水解效率的基礎研究”獲農業部科技進步二等獎1999。
由於纖維素酶是多組分復合體,各組分的底物特異性不同,不同來源的纖維素酶各組分的組成和比例差異較大,導致纖維素酶活力的測定方法復雜且不統壹。傳統的測定纖維素酶活性的方法有很多,如微晶纖維素酶活法、濾紙酶活(FPA)法、水楊苷酶活法、染色纖維素法、濾紙塌陷法、棉線切斷法、羧甲基纖維素鈉鹽(cmC-Na)酶活法、棉花糖法、cmC降粘法、熒光測糖法等(尹娟等,2009)。使用新的傳感器來測量纖維素酶的活性已經越來越多地用於生產過程中。生物傳感器適用於復雜體系的實時在線測定,具有快速、簡便、便攜、高靈敏度和特異性等優點。而且檢測樣品可重復使用,無需添加其他試劑、預處理和樣品澄清,在監測和控制方面顯示出很大的優勢。