蘇教新課標(biāo)高一《ATP和酶》素材2

第1節(jié)ATP和酶——纖維素酶纖維素酶是酶的一種，在分解纖維素時(shí)起生物催化作用纖維素酶廣泛存在于自然界的生物體中細(xì)菌、真菌、動(dòng)物體內(nèi)等都能產(chǎn)生纖維素酶一般用于生產(chǎn)的纖維素酶來(lái)自于真菌，比較典型的有木酶屬(Trichoderma)、曲霉屬（Aspergillus）和青霉屬(Penicillium）產(chǎn)生纖維素酶的菌種容易退化，導(dǎo)致產(chǎn)酶能力降低纖維素酶在食品行業(yè)和環(huán)境行業(yè)均有廣泛應(yīng)用在進(jìn)行酒精發(fā)酵時(shí)，纖維素酶的添加可以增加原料的利用率，并對(duì)酒質(zhì)有所提升由于纖維素酶難以提純，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般還含有半纖維素酶和其他相關(guān)的酶，如淀粉酶（amylase）、蛋白酶（Protease）等纖維素酶種類繁多，來(lái)源很廣不同來(lái)源的纖維素酶其結(jié)構(gòu)和功能相差很大由于真菌纖維素酶產(chǎn)量高、活性大，故在畜牧業(yè)和飼料工業(yè)中應(yīng)用的纖維素酶主要是真菌纖維素酶一、真菌纖維素酶的種類1.纖維素酶的組成與功能纖維素酶根據(jù)其催化反應(yīng)功能的不同可分為內(nèi)切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucanglucanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase，3.2.1），來(lái)自真菌的簡(jiǎn)稱EG,來(lái)自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cen、外切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucancellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase，），來(lái)自真菌的簡(jiǎn)稱CBH,來(lái)自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cex)和β-葡聚糖苷酶（β-1,4-glucosidase，）簡(jiǎn)稱BG內(nèi)切葡聚糖酶隨機(jī)切割纖維素多糖鏈內(nèi)部的無(wú)定型區(qū),產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的寡糖和新鏈的末端外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端,釋放葡萄糖或纖維二糖β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖產(chǎn)生兩分子的葡萄糖真菌纖維素酶產(chǎn)量高、活性大，在畜牧業(yè)和飼料工作中主要應(yīng)用真菌來(lái)源的纖維素酶2.纖維素酶降解纖維素的機(jī)理研究纖維素酶反應(yīng)和一般酶反應(yīng)不一樣，其最主要的區(qū)別在于纖維素酶是多組分酶系，且底物結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜由于底物的水不溶性，纖維素酶的吸附作用代替了酶與底物形成的ES復(fù)合物過(guò)程纖維素酶先特異性地吸附在底物纖維素上，然后在幾種組分的協(xié)同作用下將纖維素分解成葡萄糖1950年，Reese等提出了C1-Cx假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為必須以不同的酶協(xié)同作用，才能將纖維素徹底的水解為葡萄糖協(xié)同作用一般認(rèn)為是內(nèi)切葡聚糖酶(C1酶)首先進(jìn)攻纖維素的非結(jié)晶區(qū)，形成Cx所需的新的游離末端，然后由CX酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位，最后由β-葡聚糖苷酶將纖維二糖水解成二個(gè)葡萄糖不過(guò)，纖維素酶的協(xié)同作用順序不是絕對(duì)的，隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必須同時(shí)存在才能水解天然纖維素若先用C1酶作用結(jié)晶纖維素，然后除掉C1酶，再加入Cx酶，如此順序作用卻不能將結(jié)晶纖維素水解二、纖維素酶菌種選育菌種選育是纖維素酶生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，國(guó)內(nèi)外許多專家進(jìn)行了大量研究，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維素酶產(chǎn)品，王家林等（1996）在吸收國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，先后引進(jìn)了綠色木霉木10、綠色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15、黑曲霉XX-15A，在此基礎(chǔ)上，采用了紫外線、特定電磁波輻射、線性加速器，亞硝基胍等物理、化學(xué)的誘變方法，獲得了高產(chǎn)菌株NT15-H、NT15-H1、XT-15H、XT-15H1其中木霉NT-15H固體培養(yǎng)活力經(jīng)輕工部食品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心南京站檢測(cè)表明，濾紙活力為3670u/g,C1-酶活力24460u/g，Cx-酶活力1800u/g，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平此菌種在工廠化生產(chǎn)中性能穩(wěn)定張苓花等（1998）采用康氏木霉W-925，J-931，經(jīng)過(guò)濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線（15W、30cm、2min）復(fù)合誘變后，得到了產(chǎn)酶活性高的Wu-932菌種，該菌種CMC糖化力達(dá)到2975，濾紙?zhí)敲富钚詾?31，比出發(fā)菌W-925分別提高了100%和81%化工部飼料添加劑技術(shù)服務(wù)中心王成書等（1997）采用該中心的里氏木霉A3先進(jìn)行紫外線和亞硝基胍復(fù)合誘變后，將處理過(guò)的孢子接種于纖維雙層平板上，30℃培養(yǎng)5-8天，15℃放置7-10天，挑選透明圈直徑和菌落直徑比較大的單菌落進(jìn)行三角瓶固態(tài)發(fā)酵再篩選，得到了產(chǎn)纖維素酶活力很高的里氏木霉91-3菌株纖維素酶菌種易退化，退化后其產(chǎn)酶力明顯降低，其原因可能有三個(gè)方面：①經(jīng)誘變篩選的菌種發(fā)生回復(fù)突變②自然負(fù)突變③菌種長(zhǎng)時(shí)間低溫斜面保藏，會(huì)在分生孢子上長(zhǎng)出次生菌絲，而次生菌絲所形成的分生孢子生命力弱，這可能是菌種退化的主要原因?yàn)榱吮苊饫w維素酶菌種退化，張苓花等（1998）報(bào)道，采用砂土管保藏菌種即將過(guò)篩洗凈的砂子與土以3：2比例混合分裝在試管內(nèi)，用1kg/cm2壓力滅菌30分鐘共三次，將欲保存的斜面菌種制備成1000ml孢子懸浮液，每個(gè)砂土管注入，搖勻，放入盛有無(wú)水CaCl2真空干燥器內(nèi)保存經(jīng)測(cè)定，在所測(cè)的121天內(nèi)，酶的活性基本不變；酶活性下降50%的時(shí)間，由常規(guī)方法的60天延長(zhǎng)至160天，明顯地減緩了菌種退化速度三、發(fā)酵工藝?yán)w維素酶的生產(chǎn)工藝主要有兩種，即固體發(fā)酵和液體發(fā)酵，其工藝如下(見(jiàn)下頁(yè))：1、影響產(chǎn)酶量和活力的因素：影響纖維素酶產(chǎn)量和活力的因素很多，除菌種外，還有培養(yǎng)溫度、pH、水分、基質(zhì)、培養(yǎng)時(shí)間等這些因素不是孤立的，而是相互聯(lián)系的張中良等（1997）采用均勻設(shè)計(jì)Cl12(1210)，以綠色木霉（）為菌種，研究了影響產(chǎn)纖維素酶的五大因素對(duì)產(chǎn)酶量和活力的作用，認(rèn)為基質(zhì)粗纖維含量為40%、初始、加水4倍、在26-31℃條件下培養(yǎng)45h可獲得最大產(chǎn)酶量26mg/g和CMC酶活力20mg/g·h王成華等（1997）也研究了其誘變篩選的里氏木霉91-3的產(chǎn)酶條件，結(jié)果表明該菌種以7：3的秸稈粉和麥麩，另添加4%硫酸銨、%磷酸二氫鉀、%硫酸鎂為最佳培養(yǎng)基，28-32℃為適宜培養(yǎng)溫度，30℃為最佳溫度，4%為最佳接種量，96h到達(dá)發(fā)酵高峰張苓花等（1998）研究了以康氏木霉W-925為出發(fā)菌，經(jīng)誘變后得到的Wu-932纖維素酶高產(chǎn)菌的最佳發(fā)酵條件結(jié)果表明，以1：2的麥麩和稻草粉為培養(yǎng)基，5%的接種量，稻草粉碎平均長(zhǎng)度3-5mm，初始pH4-5，溫度在28-35℃，發(fā)酵時(shí)間72h為最佳發(fā)酵條件2、污染菌的控制：目前，在用康氏木霉發(fā)酵生產(chǎn)飼用纖維素酶中，普遍存在一種俗稱的“白毛菌”污染污染后輕者酶活性下降，重者發(fā)酵失敗為此，研究控制發(fā)酵污染意義很大張苓花等（1998）研究“白毛菌”的菌落特征、來(lái)源、生長(zhǎng)和生理特征及控制方法，找到了一種與康氏木霉Wu-932呈共生關(guān)系，而與“白毛菌”呈競(jìng)爭(zhēng)性抑制關(guān)系的熱帶假絲酵母菌J-931利用此菌進(jìn)行混合發(fā)酵，可有效地控制“白毛菌”的污染其微生態(tài)關(guān)系如下：四、纖維素酶在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用常見(jiàn)的畜禽飼料如谷物、豆類、麥類及加工副產(chǎn)品等都含有大量的纖維素除了反芻動(dòng)物借助瘤胃微生物可以利用一部分外，其它動(dòng)物如豬、雞等單胃動(dòng)物則不能利用纖維素近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外利用真菌纖維素酶成為提高畜禽生產(chǎn)性能和飼料利用率的重要措施之一1、在牛日糧中的應(yīng)用焦平林等（1996）用閹牛試驗(yàn)，在日糧中按每頭每日添加纖維素酶40g，飼喂60天，結(jié)果表明加酶組日增重，對(duì)照組日增重，差異極顯著（P<）焦平林又用30頭荷斯坦奶牛進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)組按每頭每日添加50g纖維素酶，結(jié)果表明，試驗(yàn)組15頭奶牛在68天總產(chǎn)奶量為2916kg,而對(duì)照組15頭奶牛在68天的總產(chǎn)奶量為2689kg，差異顯著（P<）付連勝等（1998）報(bào)道，在瘤胃功能正常狀態(tài)下，成年奶牛及育成牛飼喂纖維素酶5天后，其糞便干物質(zhì)和飼喂前相比，減少30%，一周后，封閉式牛舍氨含量下降70%左右，粗飼料采食量提高8-10%，尿中尿素下降%，懷孕奶牛在產(chǎn)前30天始飼喂纖維素酶，分娩后，不產(chǎn)生生理性消化不良癥狀，胎兒體重可增加，并無(wú)畸形和弱胎產(chǎn)牛體質(zhì)恢復(fù)快，產(chǎn)奶高峰維持時(shí)間長(zhǎng)（一直至第四個(gè)泌乳月）趙長(zhǎng)友等（1998）綜述了纖維素酶在草食動(dòng)物日糧中的應(yīng)用，均取得了顯著效果2、在雞日糧中的應(yīng)用肉雞日糧一般以高魚粉、高玉米、高豆粕為主為減少這些常規(guī)原料的使用量，廣泛采用廉價(jià)的飼料原料，秦江帆等（1996）在肉雞日糧中提高富含纖維的麥麩比例，添加0、%、%纖維素酶制劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，添加%纖維素酶組比對(duì)照組在1-2、3-6、7-8周三個(gè)生長(zhǎng)階段日增重分別提高%、%、%，耗料比分別下降%、%、%徐奇友（1998）在蛋雞日糧中添加%、%、%纖維素酶，結(jié)果表明，在1-10月的產(chǎn)蛋期間，產(chǎn)蛋率分別提高%、%、%，酶水平%和%組的破蛋率降低%、%，蛋殼強(qiáng)度分別提高%和%3、在豬日糧中的應(yīng)用據(jù)尹清強(qiáng)等（1992）報(bào)道，在基礎(chǔ)日糧中添加%和%纖維素復(fù)合酶，結(jié)果生長(zhǎng)育肥豬增重比對(duì)照組分別提高%和%Wank等（1993）報(bào)道，添加纖維素酶，使中性洗滌纖維消化率由%提高到%，酸性洗滌纖維消化率從%提高到%，能量消化率由%提高到%五、展望我國(guó)是一個(gè)飼料資源十分緊張的國(guó)家，土地少、人口多，人畜爭(zhēng)糧的矛盾十分突出要保持我國(guó)飼料工業(yè)和畜牧業(yè)的持續(xù)發(fā)展，必須解決好飼料問(wèn)題，否則將嚴(yán)重制約其發(fā)展纖維素是自然界中十分豐富的資源，是800-1200個(gè)葡萄糖分子聚合而成因此，可通過(guò)微生物發(fā)酵充分利用農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、秸稈、糠生產(chǎn)纖維素酶添加劑，用于提高畜禽生產(chǎn)性能，提高飼料利用率，改善飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，降低飼料成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)纖維素酶研究和開(kāi)發(fā)工作主要有如下幾方面：1、進(jìn)一步加強(qiáng)纖維素酶的作用機(jī)制研究纖維素酶應(yīng)用于飼料，作用于動(dòng)物消化道，其機(jī)制尚未清楚從理論上決定其添加量還很困難，目前只能從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)決定，受影響因素很多，往往效果不夠理想對(duì)于單用多種原料的纖維素酶最佳添加量也研究不多，這將嚴(yán)重制約纖維素酶的