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纤维素是地球上最丰富的可再生有机资源，其生物降解完全是微生物--细菌和真菌完成的。 1、真菌：分泌胞外游离的纤维素酶，以水解酶机制和氧化酶机制降解纤维素。 2、细菌纤维素酶则是以形成多酶复合体结构而起作用，能更加彻底有效地降解天然纤维素。 纤维素完全降解需要三类酶的协同作用：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖纤维二糖水解酶、B-葡萄糖苷酶。目前、纤维素酶的研究热点有： 1、以纤维素为添加剂 生产可完全降解的塑料。存在的问题是高产完整活性的工程菌的获得存在困难，对纤维素酶基因克隆酵母分泌表达系统是目前研究的热点。 2、中药活性成分的提取。植物药有效成分往往被包在细胞壁以内，用纤维素酶可以破坏细胞壁的纤维素，提高有效成分的提取率。 3、纤维素酶的作用机制 根据酶的作用方式纤维素酶分为C1酶、CＸ酶和纤维二糖酶等类型。C1酶主要作用于天然纤维素，使之转变为非结晶的纤维素。CＸ酶又分为CＸ1酶和CＸ2酶两种。CＸ1酶是一种内断型纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-（1，4)糖苷键，生成纤维糊精与纤维二糖。CＸ2酶是一种外断型纤维素酶，它从水合性纤维素分子的非还原端作用于β-（1，4)糖背键，逐步切断β-(1，4)糖节键生成葡萄糖。纤维二糖酶则作用于纤维二糖，生成葡萄糖(何明清，1994)。 在动物饲料中添加纤维素酶的作用机制在于:1)它可打破植物细胞壁使胞内原生质暴露出来，由内源酶进一步降解，所以除了细胞壁被降解供能外，还提高了胞内物质的消化率，从而有效地提高了饲料的有效能值。可补充草食动物内源酶的不足。在草食动物胃中虽有一定量的能分解纤维素的微生物存在，可以分解一定量的纤维素，但产生的纤维素酶量有限，而添加纤维素酶制剂可明显提高草食动物对粗纤维的消化利用率。另外，对单胃动物而言，纤维素酶可改善消化道环境，便酸度增加，以激活胃蛋白酶。3)消除抗营养因子。果胶、半纤维素、葡聚糖和戊聚精部分溶解在水中产生粘性，增加了动物胃肠道内容物的粘度，对内源酶而言是一个物理障碍，导致饲料消化吸收利用率降低，同时粘稠的消化道内容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃肠疾病的发生率。而添加纤维素酶可减低粘稠度，促进内源酶的扩散，增强养分的消化吸收，增大肠道内容物的流动性，有效降低有害微生物附着滋生的可能性。4)饲用纤维素酶之所以具有提高畜禽体增重、降低料肉比的功效，还因为纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物。在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物，从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素，促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外，还和其他酶共同作用提高畜禽对饲料营养物质的分解和消化。引纤维素酶还具有维持小肠绒毛形态完整、促进营养物质吸收的功能。 4、纤维素酶在养殖业中的应用 4.1纤维素酶在反刍动物中的应用在瘤胃微生物区系结构正常的情况下，添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度，提高消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时，高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构，恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程。 |
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有试验表明在瘤胃正常状态下，添加纤维素酶饲喂奶牛5昼夜以后，其粪便干物质和饲喂前相比，减少了30%左右;1周以后，封闭牛舍氨气含量下降70%左右，粗饲料采食量提高10%～20%，粪便中蛋白质提高8%～10%，尿中尿素下降58.9%(赵长发，1993)。有试验表明，在奶牛饲料中添加纤维素酶可在降低采食量的同时，提高增重和产奶量，提高饲料报酬，而在产奶量增加的同时对乳脂率没有明显影响。纤维素酶在降低采食量的同时提高产奶量的主要原因是:反刍动物的摄食量主要受血液内的挥发性脂肪酸(VFA)浓度的调节。挥发性脂肪酸是纤维素的分解产物，外派性纤维素酶增加了瘤胃中挥发性脂肪酸的生成量，而瘤胃对挥发性脂肪酸的吸收较快，大量的挥发性脂肪酸进入血液，并随其浓度的升高反馈性作用于食物调节中枢，导致采食量下降。一般认为奶牛的产奶量和乳脂率呈负相关，而试验表明在奶牛日粮中添加纤维素酶后，随着产奶量的上升乳脂率呈上升趋势。这说明纤维素酶通过提高奶牛血液中的各种营养物质的含量，增强乳腺细胞对各种营养物质的摄取能力，从而维持乳中的各种营养物质的含量始终处于平衡状态。
4.2纤维素酶在单胃动物中的应用除肠道中的微生物可以降解部分纤维素外，单胃动物不能分泌断裂β-1，4糖苷键的内源酶，所以饲料中含有的纤维素对单胃动物而言几乎不具有营养价值。此外，由于纤维素的交铅、缠绕和粘附，阻碍营养物质的消化和吸收并影响肠道微生物菌群的平衡。因此在单胃动物日粮中添加纤维素酶具有营养和保健的双重功效。 4.2.1肉鸡在日粮中添加纤维素酶饲喂肉鸡可使肉鸡饲料消耗量下降16.25%，体重增加2.88%，料肉比降低10.18%(尹清强等，1993)。Francesh等(1994)同时使用纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶喂以大麦饲料为基础的雏鸡，结果使饲料消耗降低2.9%，体重提高1.3%。秦江明等(1996)对饲喂添加纤维素酶的肉鸡进行各阶段的体重分析，结果试验鸡于2周末、4周末体重在各日粮间差异极显著，说明酶制剂对肉鸡前期的生长作用显著;6周末、8周末试验鸡体重在各日粮间也呈增高趋势。说明添加外源酶制剂补充了内源酶的不足，因而在肉鸡发育前期具有更显著的效果。 4.2.2蛋鸡王怀凡等(1995)在蛋鸡常规饲料中添加0.1%复合纤维素酶，试验组的产蛋率比对照组提高10.8%，蛋重提高1.7%，料蛋比下降14.6%。徐奇支等(1998)用纤维素酶添加日粮饲喂蛋鸡，对蛋形指数、蛋壳厚度未产生明显影响，但添加0.1%和0j%的纤维素酶降低了破蛋率。 4.2.3猪王尧等(1995)用前期含草粉10%、后期含草粉15%的日粮添加纤维素酶喂肥育猪，试验组比对照组日增重提高0.255kg，料肉比下降0.24，每头每日增加效益0.95元。 5、应用中存在的问题 纤维素酶作为畜禽饲料添加剂，从作用机理和实际生产中看，均能说明是个良好的添加剂。但目前在应用方面还存在一些问题。如:1)同种类动物不同发育阶段的酶系变化，以及饲喂纤维素复合酶后对动物消化酶系分泌的影响，需深入研究。2)各种动物的最佳添加量。3)加工、贮存对酶活的影响，以及饲料中的其他物质对纤维素酶的影响，都需深入研究。此外，添加纤维素酶后由于营养物质的利用率提高，如何对原有配方进行修订也是值得研究的问题。 纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶系的总称,在能源、食品、饲料、纺织、洗涤剂和造纸等众多的工业领域中具有广泛的应用价值。一般一个纤维素酶中有十几到几十个组分,这些组分可分为三类: 内切葡聚糖酶(endo-glucanases ED)纤维二糖水解酶(exo-glucanase or cellobiohydraoases CBH)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidases GL)。一般认为，纤维素的生物（微生物）降解主要是由于这三类酶系的协同作用来完成的。但纤维素酶的降解机制尚不完全清楚。 自从1906年在蜗牛消化道发现纤维素酶以来，纤维素的微生物降解问题就得到了足够的关注。1954 年开始，美军 Natick实验室就已研究了军用纤维素材料微生物降解的防护问题，后来发现纤维素经微生物降解后，可产生经济、丰富的生产原料；且有望解决自然界不断产生的固体废物问题。因而，纤维素酶得到了广泛的关注。 |
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由于利用纤维素酶的降解作用进行纤维素的生物转化有着广阔的前景。20 世纪70年代末，随着分子生物技术的发展，人们开始了纤维素酶基因的克隆，人们通过分子克隆等实验手段了解纤维素酶的遗传特性及催化机理。进而为研究纤维素酶的生物合成，构建高效纤维素分解菌开辟了新的途径。1982年Whittle等人首次报道Cellulomonas fimi的纤维素酶基因克隆，到目前为止，全球学者已从多种细菌和数种真菌中克隆到几十个纤维素酶基因，包括ED、CBH、GL。现已有80余个细菌和真菌的纤维素酶基因被测序。并且几乎所有已克隆的纤维素酶基因都已在大肠杆菌或者其他的宿主菌中得到表达。 对于玉米秸杆等纤维质资源的生产清洁燃料酒精，关键问题在于纤维素的降解，其他已经不成为技术难点了。也就是说由于纤维素的难降解性，纤维素酶的低效率导致纤维素酶的成本成为利用玉米秸杆等纤维质资源的生产清洁燃料酒精的最后关键问题。
另外在美国能源部的网站上有关于玉米秸杆等纤维质资源的生产清洁燃料酒精的详细介绍，可供参考。 |
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