全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 11 期
草本纤维提取技术中的 β -甘露聚糖酶研究
郑科 刘正初
(中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205)
摘 要: 采用生物法提取草本纤维是纤维质产业的重要发展方向，而利用 β-甘露聚糖酶降解非纤维素物质中的甘露聚
糖是纤维生物提取技术中的关键环节。分析 β-甘露聚糖酶降解和脱除非纤维素物质的机制，总结主要应用于生物脱胶和生
物制浆领域的 β-甘露聚糖酶及有关微生物的研究进展，提出草本纤维提取技术未来的重点研究方向，并对 β-甘露聚糖酶的应
用前景进行展望。
关键词: β-甘露聚糖酶 草本纤维 提取 进展
Research Progress on β-Mannanase for Herbaceous Fiber Extraction
Zheng Ke Liu Zhengchu
(Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205)
Abstract: Biological method is considered an important direction of herbaceous fiber industry，and degradation of mannan，which
is a type of noncellulose，is a key point of biological fiber extraction． This paper is a summary and analysis for mechanism research of
noncellulose degradation and removal by β-mannanase． Research progress of β-mannanase and its producing microorganisms which ap-
plied to bio-degumming and bio-pulping is reviewed，and further research direction of herbaceous fiber extraction，as well as correlated
application of β-mannanase is also discussed in this article．
Key words: β-mannanase Herbaceous fiber Extraction Research progress
收稿日期:2011-09-05
作者简介:郑科，男，助理研究员，研究方向:农产品加工微生物学;E-mail:baggio@ caas． net． cn
通讯作者:刘正初，男，研究员，研究方向:草本植物纤维生物提取科学与工程;E-mail:ibfclzc@ 189． cn
伴随化石能源和森林资源危机的出现，麻类、草
类、秸秆等草本纤维原料在纺织、造纸、环保材料和
纤维质燃料等产业上的用途受到重视［1，2］。这些农
产品原料一般要经过脱胶、制浆及糖化等(统称为
“纤维提取”)初加工过程才能成为工业原料———纤
维。常规的化学蒸煮等方法提取纤维存在严重污染
环境等许多弊端，制约产业发展。研究表明，采用生
物降解法提取草本纤维的工艺，不仅能实现清洁生
产、节能降耗，而且可以提高纤维产量和质量［1］。
随着生物降解研究的深入，人们认识到果胶酶、
木聚糖酶和 β-甘露聚糖酶等是非纤维素物质生物
降解过程中的关键作用物［3］。该酶系中的 β-甘露
聚糖酶由于在生物质降解过程中起到的特殊作用，
以及在纺织、造纸、食品、饲料、制药和化工等方面的
广泛用途，一直受到研究人员的关注［4］。针对草本
纤维提取技术领域对于 β-甘露聚糖酶的研究进展
进行分析和总结。
1 草本纤维提取
1． 1 草本纤维及其提取方法
草本纤维是指来自于草本植物(herbaceous
plants)茎秆和叶片的一类纤维素纤维［5］，包括苎
麻、亚麻、大麻、红麻和棉秆皮等韧皮纤维(来自植
株韧皮部) ，芦苇、甘蔗渣等茎杆纤维(来自植株韧
皮部和木质部) ，剑麻、菠萝麻等叶纤维(来自植株
叶片)以及龙须草、麦草等混合纤维(来自植物茎
干、叶片等地上部分)。作为可再生资源，草本纤维
原料在造纸原料中占 30%以上，在纺织原料中所占
比重超过 10%，近年来兴起的纤维质能源和材料产
业中，原料大部分为草本植物［1］。
草本纤维提取方法包括化学法、生物法和物理
法。其中，物理法提取的产品并非纯净纤维，用途有
限。传统工业生产中，将成分复杂的农产品原料处
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 11 期
理成纯净纤维，需要大量的强酸、强碱等化学试剂和
高温、高压等极端条件。该方法能使大部分非纤维
素物质降解成小分子量物质而脱落，但由于化学催
化剂的选择性较差，会导致部分纤维素发生降解，因
而带来了环境污染严重、能耗大、加工效率低和成本
高等诸多问题。传统的生物法(天然水沤麻和雨露
脱胶等)因产品质量不稳定、劳动强度大及环境污
染严重等问题，不适宜现代工业化生产。为克服这
些缺点，用生物法高效降解非纤维素物质提取纤维
的研究逐步引起国内外高度重视。
生物提取法是指以微生物发酵或酶催化纤维原
料为主体的加工过程，适当辅以机械物理作用，而获
取满足后续深加工要求的天然纤维素纤维的加工技
术［6］，是涉及微生物学、植物学、农产品加工、发酵
工程和环境科学等多个学科的交叉领域。此类以
“利用生物技术途径加工而获取纤维”为核心点的
研究内容被称为草本纤维生物提取科学技术［7 － 9］。
目前研究和在生产中应用得比较多的主要包括麻类
生物脱胶或精炼与生物制浆，草类与秸秆生物制浆，
以及纤维素能源生产中的原料预处理(或生物糖
化)等。这一系列的技术发展，显示出生物提取纤
维的方法可以解决现行的化学加工工艺和传统生物
法带来的突出问题，是纤维质产业的发展方向。
1． 2 甘露聚糖是非纤维素物质降解难点
麻类等草本纤维原料中含有占总质量 22% －
45%的非纤维素物质，是由两种或两种以上单糖组
成的不均一聚糖，大多数带有侧链，主要包括果胶
4% －8%、半纤维素 12% －18%及木质素 2% － 5%
等。随植物生活周期的长短不同，其组成物质的含
量也不同［10，11］。多种不同的非纤维素物质填充、黏
结、镶嵌于细胞之间及细胞壁中，与纤维素组成结构
十分复杂的韧皮、叶和茎秆等组织［11 － 13］，由此决定
了提取出较纯净的草本纤维是一个复杂的过程。半
纤维素是由几种不同类型的单糖构成的一群复合聚
糖，水解生成物是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯
糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖等。因此，一般认为半
纤维素有木聚糖类、聚半乳糖葡萄糖甘露糖类、聚葡
萄糖甘露糖类以及聚糖醛酸类。
半纤维素中的甘露聚糖(mannan)是一类主链
由 β-1，4-甘露糖苷组成的多聚物。甘露聚糖主链和
侧链可以被葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖等取代或相连
形成分枝。此外，还有甘露糖的甲氧基化，这类异甘
露聚糖主要包括葡萄甘露聚糖(glucomannan)、半乳
甘露聚糖(galactomannan)和半乳葡萄甘露聚糖(ga-
lactoglucomannan)［14］。甘露聚糖是重要的植物细胞
壁结构物质，它常以共价键的方式与纤维素连接，同
时以氢键或其它非共价键的方式与木质素连接。所
以，甘露聚糖与木聚糖是纤维素与木质素连接的重
要桥梁［12，13，15］，这为非纤维素物质的降解或脱除机
制提供了的理论依据。
甘露聚糖结构比较稳定，普通方法难以降解。
如苎麻原料中的甘露聚糖采用普通高温、高压方法
都难以降解，必须采用强碱等化学试剂，经高温高压
煮练的方式才能脱胶。张宏书等［16］用碱溶液分级
分析苎麻原麻半纤维素，水解产物主要为鼠李糖、木
糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和半乳糖酸残
基，且甘露糖、葡萄糖、半乳糖基含量较高，故推断苎
麻半纤维素主要为葡聚甘露聚糖和甘露聚糖或半乳
甘露聚糖。余爱芳等［17］采用 17． 5%的氢氧化钠和
4． 5%的硼酸钠溶液抽提苎麻精干麻，发现甘露糖是
水解产物的主要成分;其次是葡萄糖。由此可见，葡
萄 －甘露聚糖是苎麻化学脱胶过程中最难去除的半
纤维素成分。这些结果与文献中指出的“聚葡萄糖
甘露糖类对碱抽提极为抗拒”［18］的情况相符。
2 β-甘露聚糖酶在纤维提取中的作用
2． 1 β-甘露聚糖酶
β-甘露聚糖酶(β-mannanase)属于半纤维素酶，
是能够水解甘露寡糖、甘露多糖中 β-1，4-D-甘露糖
苷键的一类水解酶。目前通常研究的 β-甘露聚糖
酶为内切 β-甘露聚糖酶(endo-1，4-β-mannanase，
EC3． 2． 1． 78)和 β-甘露糖苷酶(β-mannosidase，
EC3． 2． 1． 25)［19］，外切 β-甘露聚糖酶(exo-β-man-
nanase)的报道较少。
自 Mark 等［20］于 1998 年成功将产自于褐热单
胞菌(Thermomonospora fusca)的热稳定的 β-甘露聚
糖酶晶体结构解析出来，β-甘露聚糖酶的结构和作
用机理研究不断深入。多数的 β-甘露聚糖酶的相
对分子量为 20 － 130 kD，等电点为 3． 5 － 5． 5，最适
反应温度为 50 － 75℃，最适反应 pH 值为 4． 5 －
7． 0［21］。根据反应 pH 值的不同，可将 β-甘露聚糖
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2011 年第 11 期 郑科等:草本纤维提取技术中的 β-甘露聚糖酶研究
酶分为酸性、中性和碱性 3 类。
β-甘露聚糖酶广泛存在于动物、植物和微生物
中，其中微生物是产生 β-甘露聚糖酶主要的来源。
截止目前，在 GenBank上登录的已克隆的编码 β-甘
露聚糖酶的基因有 260 个，其中有 224 个来源于微
生物。由于微生物来源的甘露聚糖酶具有来源稳
定、提取方便、活性高、成本低和专一性强等优点，现
已得到广泛研究和应用［14，21］。目前在植物降解的
各种应用研究中，产 β-甘露聚糖酶的微生物主要有
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Ba-
cillus licheniformis)、欧文氏菌(Erwinia spp．)、假单
胞菌(Pseudomonas sp．)、曲霉菌(Aspergillus spp．)、
青霉菌(Penicillium sp．)、酵母(yeasts) ，以及链霉菌
(Streptomyces sp．)等［14，22 － 24］。
2． 2 甘露聚糖的生物降解原理
甘露聚糖的成分复杂多样，所以其生物降解是
依靠一系列酶来完成的。甘露聚糖的降解主要依靠
内切 β-甘露聚糖酶，其作用于高聚糖分子内部的非
结晶区，随机水解甘露糖苷键，将甘露聚糖各种糖苷
键主链降解成 2 － 10 个单糖分子构成的葡-甘型或
甘-甘型等低聚糖(带非还原性末端的小段糖
链)［25］。甘露聚糖的彻底降解还需要外切 β-甘露
聚糖酶、甘露糖苷酶，葡萄糖苷酶(β-glucosidase，EC
3． 2． 1． 21) ，半 乳 糖 苷 酶 (α-galactosidase，EC
3． 2． 1． 22)和乙酰甘露聚糖脂酶(acetylmannan ester-
ase，EC 3． 2． 1． 6)等的作用。其作用方式是，α-半乳
糖苷酶水解末端 α-1，6-D 半乳糖苷残基，外切 β-甘
露聚糖酶水解高聚糖线性分子末端，产物二糖分子，
β-甘露糖苷酶从非还原端降解 β-1，4-甘露糖残基，
将二糖水解成甘露糖等单糖［3，13］。
β-甘露聚糖酶结构生物学研究表明，此酶往往
含催化域和非催化域两部分:催化域折叠成 TIM 桶
状结构，参与底物的结合和催化;最常见的非催化域
是碳水化合物结合域(CBM) ，采用经典的 β 三明治
结构，可增强酶对结合有纤维素的甘露聚糖水解能
力［26］。β-甘露聚糖酶能通过不同单元分别与底物
和纤维素结合，直接降解或间接脱除甘露聚糖。
张运雄和刘向华等［27，28］把苎麻高效脱胶菌 Er-
winia carotovora接种至龙须草、苎麻和罗布麻等纤
维原料，对发酵液中糖类和不溶性有机物等成分变
化进行了研究:在甘露糖培养基中 6 h 产酸，9 h 产
气，但在鼠李糖培养基中 120 h 才出现产酸情况;发
酵过程中添加单糖。结果显示，发酵液里除了木糖
的含量伴随发酵时间的延长而增加以外，添加的甘
露糖和半乳糖均在 1 h 内消失，而且在随后的发酵
过程中未发现发酵液里有甘露糖和半乳糖存在，菌
株利用组成半纤维素物质的单糖的顺序为甘露糖 ＞
半乳糖 ＞葡萄糖 ＞木糖 ＞鼠李糖。研究表明，在纤
维原料发酵系统中，嗜好甘露糖的微生物对甘露聚
糖的降解十分有利。
2． 3 β-甘露聚糖酶是脱除非纤维素物质的重要
因素
甘露聚糖是纤维素与木质素连接的桥梁，也是
常规方法难以去除的一类半纤维素;β-甘露聚糖酶
将其降解，则成为非纤维素物质从纤维素脱除的关
键点。有研究表明，β-甘露聚糖酶催化域与半纤维
素结合的同时，纤维素结合域结合靶物质有利于破
坏植物聚糖的晶体结构，促进水解;除 β-甘露聚糖
酶外，木聚糖酶大多也有纤维素结合域;因而，β-甘
露聚糖酶对半纤维素和纤维素的结合，也利于果胶
酶和木质素降解酶等充分接触和进一步降解非纤维
素物质提供条件［29］。
从张运雄和刘向华等［27，28］的研究分析，有些微
生物能即时消耗发酵系统中的甘露糖，通过 β-甘露
聚糖酶催化甘露糖苷键水解，不断为微生物自身的
生长繁殖提供所需甘露糖和半乳糖等碳源。有关阐
述生物降解非纤维素物质的机理研究与此吻合。
刘正初等［30］于 2003 年首次用“块状崩溃”假说
论述红麻生物制浆机制，后逐步完善为草本纤维生
物法提取的重要理论，对草本纤维生物提取的机理
和生产工艺研究有重要意义。其基本内涵为:草本
纤维原料接种高效菌株后，甘露聚糖酶、木聚糖酶催
化半纤维素与纤维素连接的“桥梁”———葡萄 －甘
露聚糖、葡萄 －木聚糖降解，游离出甘露糖为自身生
长提供营养，通过“非纤维素物质培养菌 －菌分泌
酶 －酶降解非纤维素物质”的螺旋式生化反应，破
坏果胶、半纤维素及部分木质素等非纤维素物质的
分子结构，使之发生“块状崩溃”而大部分成为不溶
性混合物，再经过洗涤等辅助工艺即可达到提取草
本纤维的目的［1，7］。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 11 期
影响 β-甘露聚糖酶催化底物降解甘露聚糖的
因素很多，除酶本身特性之外，酶活力、甘露聚糖成
分结构、酶促反应条件以及协同作用酶等都有关系。
不同来源的 β-甘露聚糖酶对不同来源的底物作用
深度和作用产物不尽相同，其影响主要与 α-半乳糖
残基和葡萄糖残基在主链中的位置、含量、酯酰化程
度有关;底物的物理状态也会影响酶对底物的作用，
结晶状态下的甘露聚糖不易被降解［31］;微生物 β-甘
露聚糖酶基因的表达通常情况下是诱导表达［27］，发
酵条件对其基因的表达、蛋白的分泌影响较大。因
此，在培养过程中添加适量有利于 β-甘露聚糖酶诱
导的物质、优化发酵条件、提高细胞膜(壁)的通透
性等都有利于 β-甘露聚糖酶的表达与分泌。
3 草本纤维提取微生物及产 β-甘露聚糖酶
的研究进展
3． 1 天然菌株选育和诱变及产酶研究
随着生物技术的发展，研究者通过对原始的生
物脱胶方法的思考，认识到微生物及其产酶在脱胶
过程中的重要作用。自 Chaudhury 于 1953 年提出
某些细菌和真菌有脱胶提取纤维的能力［32］，至今人
们已选育出一系列的类似功能的微生物。自 1971
年以来，我国许多科研单位和高校一直在进行纤维
提取相关微生物的选育及产酶研究工作［1，24，29，31］。
通过常规的筛选方法，在植物生长的土壤中、腐
烂植株上以及传统沤麻水和泥土中易分离到植物降
解功能的微生物。段盛文等［34］通过对草本纤维提
取菌种资源多样性的研究表明，菌种资源多样性与
分离基质有较大关系，土壤和水体是草本纤维提取
菌种的理想生长环境，从中能分离出大部分类型的
草本纤维提取菌种，而从腐殖质、厩肥中能分离出某
些特殊功能的草本纤维提取菌种。研究者利用“产
β-甘露聚糖酶微生物降解甘露聚糖，然后作为碳源
和能源吸收”这一特性［33］，利用培养基筛选法得到
产 β-甘露聚糖酶的菌株，通过形态观察、生理生化
指标分析以及分子生物学分析方法可鉴定出所分离
微生物的类别，再进一步对其进行产酶特性研究和
产酶条件优化，开发其应用价值。
中国农业科学院麻类研究所科研人员通过采
样、富集、分离、筛选、鉴定以及化学、物理诱变、基因
工程等方法选育菌种，共收集、保存有关植物降解的
微生物资源 3 500 余份，包括芽孢杆菌属、梭菌属和
欧文氏菌属等重要的草本纤维提取微生物资
源［1，34］，其中不乏应用于麻类脱胶生产及基础研究
的高效 β-甘露聚糖酶菌株。彭源德等［35］从广泛分
布于 7 省 28 县(市)的 10 类菌样的 500 多个脱胶菌
中，筛选出来源于腐烂生苎麻的高效麻类脱胶菌株
胡萝卜软腐欧文氏菌(Erwinia carotovora)T85-260，
研究发现该菌的苎麻发酵中产生甘露糖、半乳糖的
速度较快［1］;张运雄等［27］采用 SDS-PAGE 法对胡萝
卜软腐欧文氏菌分泌胞外酶系进行了深入研究，结
果表明，T85-260 在脱胶过程中组成型产生 41 种胞
外蛋白，能分泌 4 种甘露聚糖酶，分子量分别为
60. 3、49. 5、33. 5 和 29. 5 kD。
蓝广芊等［36］从腐烂苎麻以及表土以下 10 cm
的土壤中分离鉴定出一种具有较强脱胶能力的菌株
Dazu5-1，鉴定该菌株属于志贺菌(Shigella sp．) ;利
用该菌株对苎麻进行 2 d 发酵脱胶，平均减重率达
到 30． 2%，与化学脱胶相比，经过 Dazu5-1 菌株脱胶
后的苎麻单纤维强力平均值提高 76． 93%。赵丹
等［37］从温水沤麻(亚麻)液中分离、选育了两株甘
露聚糖酶产生细菌 HDYM-03 和 HDYM-04，通过形
态观察、生理生化试验及 16S rDNA 系统发育分析
手段进行鉴定，确定均为地衣芽饱杆菌(Bacillus li-
cheniformis) ;最优发酵产甘露聚糖酶条件均为魔芋
粉 6%，蛋白陈 3%，初始 pH值 8． 0，37℃培养 48 h，
最高甘露聚糖酶活力分别为 5 122 U /mL 和
5 168 U /mL，此酶活力在同类报道中较高。陈一平
等［38］对从土壤中分离到的 9 株产生 β-甘露聚糖酶
的芽孢杆菌进行研究，结果表明，菌株 M50在含以魔
芋粉为主要成分的培养基中，30 － 40℃培养 60 h 达
到产酶高峰;酶的最适反应温度为 50℃，pH值 6． 0。
苏静等［29］以高效脱胶菌株芽孢杆菌(Bacillus subti-
lis)16A出发，研究得到产 β-甘露聚糖酶的最适液
体培养基为魔芋胶 30 g /L、蛋白胨 9 g /L等;最适发
酵条件为 pH8． 0，周期 72 h，温度 34℃。可以发现，
这些菌株分离自类似的基质，用相似的常规选育方
法，但是菌种显示出多样性;同属或同种产 β-甘露
聚糖酶的微生物的不同菌株的产酶条件和产酶能力
有所不同;不同菌种应用在对原料的发酵反应中的
pH值、温度和时间均存在差异。因此，要取得好的
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2011 年第 11 期 郑科等:草本纤维提取技术中的 β-甘露聚糖酶研究
应用效果，除了分离、筛选出产酶高的菌种，根据不
同菌种的特性优化其产酶条件也很重要。
为快速高效地获得非纤维素物质降解效果好或
高产 β-甘露聚糖酶菌株，研究者通常采用如紫外
线、X射线、超声波等物理诱变方法，或碱基类似物、
烷化剂等化学诱变剂对原始菌株进行诱变处理。离
子注入微生物诱变育种近期也被应用于纤维提取菌
株的选育。孙庆祥等采用硫酸二乙酯对天然菌株
T28 进行诱变获得菌株 T66，经过多次紫外线诱变
获得红麻脱胶专用菌株 T1163，在工厂化生产中得
到了应用［1］。谭晓明［39］用氮离子束注入的方法，对
Bacillus sp． 2A 进行诱变，获得的诱变菌株 Bacillus
sp． 36-4 从产果胶酶和大麻脱胶效果上均优于出发
菌株，残胶率 15%;胞外酶系分析，含高活性果胶
酶、微量木聚糖酶和甘露聚糖酶，无纤维素酶。
3． 2 基因工程菌株构建及其产酶研究
Akino等［40］于 1989 年首次从芽孢杆菌中克隆
到编码 β-甘露聚糖酶的基因。近年来，β-甘露聚糖
酶基因发掘数量剧增。分子生物学的发展，为草本
纤维提取领域中利用基因工程选育高产 β-甘露聚
糖酶菌株提供了有效的策略及技术保障。
质粒转化体系是微生物基因工程中基本的操作
方法。中国农业科学院麻类研究所研究人员采用质
粒转化的方法，获得了草本纤维提取菌株欧文氏菌
的系列高效变异菌株，均有不同的产半纤维素酶的
特性，且产 β-甘露聚糖酶的周期较短;构建了草本
纤维提取关键酶功能基因组文库，并首次从欧文氏
杆菌中克隆出甘露聚糖酶基因，构建成基因工程菌
GEBS11-05 和 GEBS11-08 等［1］。张运雄［23，27］通过
对胡萝卜软腐欧文氏菌变异菌株 CXJZ95-198 的研
究，首次明确了 E． carotovora 基因组序列的 4 449
729 bp位点上游的 1． 3 kb 左右的碱基就是甘露聚
糖酶基因;克隆到了一个新的甘露聚糖酶基因;明确
了该甘露聚糖酶基因的分子结构;酶学研究表明，该
基因的编码产物属于糖苷水解酶第 26 类;该甘露聚
糖酶与枯草芽孢杆菌的甘露聚糖酶氨基酸组成存在
较大的相似性，其相似度为 50% － 52%;RPL-
HEMNGEWFWWG等序列与其它的水解酶均有较
高的同源性，这些序列在其功能中可能具有重要的
作用。
利用基因克隆及蛋白表达体系一方面可以研究
菌株中编码 β-甘露聚糖酶基因的功能是否完整，例
如王溪森［21］对欧文氏菌 CXJZ95-198 编码 β-甘露聚
糖酶基因的 3端进行缺失研究，结果表明删除甘露
聚糖酶基因 3端 246 bp 后甘露聚糖酶依然具有酶
活性，说明甘露聚糖酶基因 3端的部分序列不是酶
催化反应所必需的。另一方面，也可以将不同菌属
的高效产酶菌的 β-甘露聚糖酶基因整合在一起，构
建高效的表达体系。李斌［41］采用重叠区扩增基因
拼接法将苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)
CTC S 层蛋白启动子与欧文氏菌 CXJZ95-198 的 β-
甘露聚糖酶基因完整 ORF定向连接，得到的基因拼
接体克隆到原核表达载体中，转入大肠杆菌(Esche-
richia coli)进行表达，重组菌发酵 11 h酶活达 671． 3
U /mL，是原菌株的 1． 48 倍。苏冬妹［42］以甘露聚糖
酶产生菌地衣芽孢杆菌 HDYM04 为研究对象，克隆
到其编码 β-甘露聚糖酶的基因，构建了融合表达载
体 pET-28a，转化进入大肠杆菌 BL21(DE3)中进行
原核表达，并对其酶学性质进行了研究;重组菌株表
现出较好的耐高温活性，适合反应温度为 50 －
60℃;反应 pH值为 4． 5 － 6． 0，pH酸性时稳定，中性
和偏碱性时稳定性差，其 pH稳定性区域较窄。
根据非纤维素物质生物降解的机制，高效降解
植物细胞壁需要多种酶的参与，理想菌株必须具备
同时分泌果胶酶、甘聚糖酶和木聚糖酶的能力。随
着基因克隆和融合蛋白表达技术的日益完善，研究
者尝试将甘露糖酶与果胶酶或木聚糖酶 2 种或 3 种
单质酶载体整合到同一宿主中进行表达，以期获得
的融合表达体系同时分泌两种或以上的酶。金玉娟
等［43］采用原生质体融合技术对带标记的芽孢杆菌
和欧文氏菌进行原生质体融合，获得稳定的有脱胶
效果的融合子，其进行苎麻脱胶试验和原菌株比，得
到的纤维有关纺织指标的改变有优有劣。王溪
森［21］通过热激转化法，将单质酶载体整合同一表达
宿主中，获得了 P-M、P-X、M-X 表达体系。结果表
明，一种单质酶的表达并不影响另外一种酶，P-M-X
表达体系同时分泌果胶酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶，
与现有生产用的菌株相比，果胶酶活力无显著差异，
甘露聚糖酶活力提高 41． 7%、木聚糖酶活力提高了
350%。但其融合表达体系应用于麻类脱胶的效果
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并不理想，原因可能与宿主菌营养特性、分泌的酶系
以及底物有关。
在纤维提取的各种技术中，国外对于果胶酶和
木聚糖酶基因研究比较多［44，45］。对 β-甘露聚糖酶
基因和基因工程菌株的产酶研究主要应用于生物制
浆和生物糖化方面［2，14］。Pham 等［46］克隆了来源于
棘孢曲霉(Aspergillus aculeatus)VN 的 CAZy GH5 和
GH26 家族的 β-甘露聚糖酶基因，将其在黑曲霉
(Aspergillus niger)D15#26 中表达，进一步融合 β-甘
露聚糖酶碳水化合物结合域，与原野生型 β-甘露聚
糖酶和重组 β-甘露聚糖酶三者应用于针叶木等原
料的生物制浆比较，酶的热稳定性和水解能力显著
提高。
研究人员已经对基因工程菌株投入大量基础研
究，应用于纤维提取和酶制剂的前景广阔，但报道的
实用化菌株还很少。此外，在饲料和食品等领域，国
内外学者针对将不同来源的 β-甘露聚糖酶基因分
别在原核和真核表达系统中进行了成功表达。
4 β-甘露聚糖酶的应用
4． 1 β-甘露聚糖酶应用于纤维提取的两种途径
在研究和生产中，生物法提取草本纤维一般分
两种途径———酶法降解和活菌发酵。根据前文分
析，理论上 β-甘露聚糖酶可以去除的草本原料中甘
露聚糖类或是果胶酶、木聚糖酶已降解但又和甘露
聚糖共价键相连而没有释放出来的非纤维素物质;
且通过 β-甘露聚糖酶和多种酶的协同作用，甘露聚
糖才能被高效地彻底降解或脱除。国内外对此做了
相当多的尝试。
李德舜等［47］用果胶酶和甘露聚糖酶组成不同
活性比例的脱胶酶液，进行苎麻脱胶比较发现，甘露
聚糖酶对果胶酶的脱胶效果有一定的协同作用，前
者能增强后者的脱胶效果。刘焕明等［48］无论是采
用果胶酶、木聚糖酶和甘露聚糖酶分别处理还是采
用 3 种酶联合处理苎麻 6 h 以后，苎麻残胶量均有
20%以上，即酶处理对非纤维素物质的除去率不能
达到后续纺织加工的要求(残胶量 3%以下)。傅仕
洪［31］采用果胶酶和木聚糖酶联合脱胶，再用甘露聚
糖酶处理，发现“胶质复合体”不能去除干净，该中
试规模的三酶联合脱胶的效果和成本与化学脱胶相
比无优势。陈一平等［38］发现，在当除去部分苎麻果
胶质以后，用 β-甘露聚糖酶处理苎麻，对去除苎麻
半纤维素有明显作用，能松懈纤维、降低残胶、提高
精干麻品质，但未达到纺织要求。Jing 等［45］将 7 种
商业酶混合，进行亚麻脱胶试验，取得满意的脱胶效
果。国外用酶对亚麻和大麻脱胶取得显著效果，具
有快速高效、清洁生产、配套设施成本低等优点。但
普遍认为采用目前的酶法工艺技术，总体成本
过高［49 － 51］。
从以上研究与实践分析，要达到纺织和造纸等
工业原料的各项指标要求，目前的大部分酶法加工
工艺，还须与化学法联合使用。我国在生物脱胶和
制浆领域更倾向于采用活菌发酵的途径，一般认为
直接将微生物接种到原料上发酵而提取纤维的技
术，更有实用前景。
由前文可知，国内很多科研单位和高校在直接
利用微生物降解非纤维素物质方面进行了研究，有
的已经取得了较好的生产应用效果。比如“高效节
能清洁型苎麻生物脱胶技术”等成果已在多家企业
推广应用［52］。但微生物培养工艺要求较高，不易于
纺织、造纸等企业产业化作业。为给企业提供性状
功能稳定的微生物菌种，技术支撑单位开始研究活
化工艺简单的专用活菌制剂技术［53］。
刘正初等［1］通过系统研究多种微生物分泌的
胞外酶系的酶学特征和酶催化非纤维素物质降解机
理发现，组合酶制剂几乎不能达到完全除去草本纤
维原料中非纤维素物质的目的;采用合适的活菌发
酵工艺可以实现纤维提取的目的;菌种必须具备同
时分泌果胶酶、甘聚糖酶和木聚糖酶的能力，以及嗜
好某种酶解产物可使酶促反应不受产物反馈抑制。
4． 2 酶制剂的研究及在其它领域的应用
丹麦 Novozyme 公司开发出了第一个脱胶专用
酶制剂———Flaxzyme，它是由 Aspergillus japonicus 和
A． aculeatus菌株生产的混合酶制剂，甘露聚糖酶是
其中主要成分之一;之后又开发出 Ultrazym、EPM及
Viscozyme L等可用于脱胶的一系列植物复合水解
酶，并申请了专利保护［54］。国外在生物制浆领域对
半纤维素酶的研究较多的是木聚糖酶［55］。对黑曲
霉和白腐菌产酶研究表明，β-甘露聚糖酶及其辅酶
能够有选择性地分解部分甘露聚糖而不至于破坏纸
浆中的纤维素［56］。近年来，为适应造纸业和纺织工
83
2011 年第 11 期 郑科等:草本纤维提取技术中的 β-甘露聚糖酶研究
业中部分环节的特殊工艺环境，嗜碱或嗜热菌产 β-
甘露聚糖酶微生物得到了广泛的应用［57，58］。
国内自 20 世纪 80 年代开展微生物甘露聚糖酶
发酵及酶制剂制备技术研究。丁宏标等［59］通过发
酵黑曲霉 AS2710 生产出酸性 β-甘露聚糖酶，发酵
产酶周期约为 5 d。该技术生产设备和原料成本低，
酶产量高，不易污染杂菌，产品可应用于饲料和食品
添加剂。马延和等［60］以大肠杆菌为宿主，高效表达
β-甘露聚糖酶(如嗜碱芽孢杆菌中碱性 β-甘露聚糖
酶)基因，发酵 18 h，酶活力达 500 U /mL，此酶制剂
可应用于饲料添加剂和生产功能食品甘露寡糖，甘
露寡糖后提取收率 80%以上。刘正初等［61］通过超
滤浓缩、层析纯化等手段研制出的 β-甘露聚糖酶制
剂活力可达 2 000 U /mL，且发酵周期为 7 h，生产成
本大幅度降低，可用于生物脱胶、制浆和糖化。
国内外在饲料和食品添加剂方面对 β-甘露聚
糖酶已经开展了大量的研究［62］。国外多个领域的
甘露聚糖酶制剂已经商品化。日本理化研究所
1987 年通过对芽孢杆菌 AM-001 的选育，β-甘露聚
糖酶活力由 36 U /mL 提高到了 430 U /mL。β-甘露
聚糖酶是近年来美国在饲料上应用最广的酶制剂，
美国 Chem Gen 和丹麦 Novozyme 等公司进行了 β-
甘露聚糖酶的大规模商业生产，报道最早的商品酶
来自于 Bacillus lentus，产酶能力达 400 U /mL［59］。
5 总结
β-甘露聚糖酶是降解非纤维素物质的关键酶之
一，其机制并不是将所有的半纤维素物质彻底水解
成单糖或寡糖，而是通过与果胶酶及其它半纤维素
酶的协同作用，切断纤维素与非纤维素物质之间的
连接物，再经过洗涤等辅助工艺，使非纤维素物质成
块状的脱除，从而提取到纤维;草本纤维原料作为成
分复杂的初级农产品，从产品加工质量、生产成本及
污染等角度考虑，采用微生物发酵的工艺比用酶
(或与化学联合)加工的工艺更实用，但菌株必须具
备同时分泌包括 β-甘聚糖酶在内的两种以上水解
酶的能力。
多数 β-甘露聚糖酶除了有催化功能域，同时具
有纤维素结合域，属于纤维素 －半纤维素双功能基
因家族。由此，β-甘露聚糖酶在降解非纤维素物质
的同时，是否对纤维素有水解作用，从而对纤维素产
品的产量和质量产生不利影响，如果存在此影响，如
何有针对性抑制纤维的损伤都是亟待解决的问题。
继续运用基因操作、蛋白表达分析技术，将 β-
甘露聚糖酶与其它水解酶构建到复合酶表达体系，
或构建双功能甚至多功能水解酶，获得高效菌株，从
而提高催化效率、降低纤维提取的生产成本;饲用植
物细胞壁降解酶已经有深入和广泛的研究，该酶系
也具有非纤维素物质降解功能，纤维提取技术中的
β-甘露聚糖酶研究应该对此加以关注和借鉴;利用
生物技术，将丰富、廉价的纤维素及其水解产物转化
成乙醇是生物质能源工业发展的重要方向，生物法
糖化则是该技术的关键环节之一［63］，用于草本纤维
提取的微生物中丰富的产 β-甘露聚糖酶菌种及其
相关基因，可作为构建和改造燃料乙醇基因工程菌
的重要资源。
对生物法提取纤维的应用基础的研究，可能带
来基础研究上的突破，如复合酶催化多底物降解的
机理等。除应用于脱胶、制浆和纤维素燃料等领域
外，β-甘露聚糖酶在食品加工、饲料添加剂、纤维精
炼、纸浆脱墨改性、石油破胶开采和洗涤剂等方面有
着广泛和重要的用途，利用植物降解微生物及其相
关酶的资源和研究基础，系统发展 β-甘露聚糖酶制
剂研究和生产，其应用前景广阔。总之，生物法提取
纤维的工艺技术具有高效、低耗、清洁的等优点，是
生物质产业的发展方向;β-甘露聚糖酶应用于草本
纤维提取技术中的研究成果，将使纤维提取和 β-甘
露聚糖酶两个领域的发展起到相互促进的作用。
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