全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 5期
2005年 10月
Vol. 17, No5
Oct., 2005
纤维素酶的研究进展
李燕红，赵辅昆*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，蛋白质组国家重点实验室，
中国科学院研究生院，上海 200031)
摘　要：纤维素酶是糖苷水解酶的一种，它可以将纤维素物质水解成简单糖，进而发酵产生乙醇，从
而解决农业、再生能源以及环境污染等问题。初期的研究主要集中在对微生物纤维素酶的研究，随着对
纤维素酶研究的不断深入，“动物自身不含纤维素酶”这一传统理论被推翻，动物纤维素酶成为纤维素酶
研究的热点。另外，生物化学、分子生物学以及基因工程等多种交叉学科的快速发展，获得适合工业化
的高比活力的纤维素酶已指日可待。
关键词：纤维素酶；简单糖；动物纤维素酶；工业化；高比活力
中图分类号：Q 55 6　　文献标识码：A
Advances in cellulase research
LI Yan-Hong, ZHAO Fu-Kun*
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences,
Key Laboratory of Proteomics, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Cellulase—one of the glycoside hydrolases—is responsible for conversion of renewable cellulosic
biomass to simple sugars for fermentation to ethanol, which can settle the issue of agriculture, renewable
energy and environmental pollution etc. Primeval studies were focused on the cellulase produced by
microorganism. With the deep research of enzymatic hydrolysis of cellulase, the traditional view of “no
cellulase in higher animals themselves”was pulled down and animal cellulase became the hotspot of cellulase
study. In addition, the cellulase of higher specific activity for industrialization will be found as the rapid
developments of many kinds of cross-subjects such as biochemistry, molecular biology and gene engineering
etc.
Key words: cellulase; simple sugars; animal cellulase; industrialization; higher specific activity
文章编号 ：1004-0374(2005)05-0392-06
收稿日期：2005-07-11；修回日期：2005-08-30
基金项目：国家自然科学基金(No.30370336); 上海市生命科学重大基础研究项目 (No.2003CB716006, No.2004CB719702)
作者简介：李燕红( 1 9 7 7 —)，女，博士研究生；赵辅昆( 1 9 4 7 —)，男，研究员，博士生导师，* 通讯作者。
1998年，Campbell和 Laherrere[1]对现有的石油
储备以及未开发的石油进行估计后认为，2010年以
前天然油的产量将开始下降，到2050年全球每年的
石油供应量将从目前的 25亿桶下降到 5亿桶。
随着石化燃料由短缺变枯竭，能源是人类面临
的共同问题。寻找新的能量来源关系到经济的可持
续发展乃至人类的生存问题。纤维素与石化燃料不
同，它是一种可再生的资源。地球上每年光合作用
可产生大于 100亿吨的植物干物质，其中一半以上
是纤维素和半纤维素[2]。另外，人类活动产生的废
弃物中也含有大量的纤维素，如农业废物(稻草、
稻壳、麦杆、花生壳、玉米芯、棉籽壳、甘蔗
渣等)、食品加工废物(果皮、果渣等)、木材废物
(木屑、树皮)以及城市废弃物(40%~60%固体废物
393第5期 李燕红，等：纤维素酶的研究进展
是垃圾和废纸)等。如果能有效地利用生物转化技
术将这些纤维素转化成简单糖，再发酵产生乙醇等
能源物质，不仅可以变废为宝，而且还可以避免由
于化石燃料燃烧所带来的环境污染，更重要的是可
以缓解或解决石化能源短缺乃至枯竭所带来世界性
能源危机。纤维素酶的特异性高，反应条件比较温
和，可避免化学转化所导致的环境污染等，是将这
些纤维素物质转化成简单糖的关键。因此，在再生
能源利用方面具有很广阔的应用前景。另外，自然
界中细菌、真菌、某些无脊椎动物，直至高等植
物中都有纤维素酶的存在，因此，纤维素酶的研究
还具有普遍的生态意义。
1　动物内源性纤维素酶的存在
纤维素酶广泛的存在于微生物、植物中已是不
争事实。一些真菌和细菌体内具有复杂的纤维素水
解系统，可以有效地水解纤维素，如梭状芽孢杆菌
(Clostridium thermocellum) 中有多纤维素酶体。在
植物中，纤维素酶在植物发育的不同阶段发挥着水
解细胞壁的作用，如果实成熟、蒂柄脱落等过程。
对于动物来说，最初，普遍的观点认为动物自身不
含有纤维素酶，那些食木性的节肢动物以及草食性
动物之所以可以以植物为食物来源，是因为其体内
含有大量可以水解纤维素的共生菌的缘故，它们对
纤维素的消化主要是依靠其消化道内共生的微生
物、原生动物完成的。这一理论最初由 Cleveland
于 1924 年提出。他在研究白蚁(Re t icu l i termes
flavipes)时发现，去除后肠中原生动物的白蚁不能
存活。在此后很长一段时间里，人们就用这一理论
来解释高等动物为何能消化纤维素。而之后的很多
研究也证明了除了动物消化系统中的原生动物外，
其共生的细菌和真菌也能产生纤维素酶[3]。
随着对纤维素酶研究的深入，这一理论受到了
挑战。1963年，Marshall等在蜗牛(Helix pomatia)
无菌的肝胰腺中检测到了纤维素酶和几丁质酶活
性，而且还发现其消化液中纤维素酶和几丁质酶的
活性与消化液中菌体的含量无关。此外，还有研究
结果表明，高等动物体内很可能存在内源性的纤维
素酶，如将白蚁(Leucotermes speratus)暴露于较高温
度中能大大减少其肠道微生物的数量，但同时肠道
中纤维素酶活力却未见明显下降。Scrivener等研究
食木蟑螂 (Panesthia cribrata) 时发现纤维素酶活性
只在前肠和中肠中存在，而在有大量原生动物存在
的后肠中却未检测到纤维素酶的活力。将这种蟑螂
用含有四环素（能抑制细菌和原生动物生长）的滤
纸喂养，12周后仍未检测到其肠道内纤维素酶活性
的下降，并且在此期间，其产生的CO2和消耗的O2
之比介于 0.98和 1.03之间，表明他们并没有动用体
内储备的营养物质。由此一系列实验证明，食木蟑
螂很可能具有内源性的纤维素降解能力[3]。
1998年，Smant等[4]用分子生物学的方法，从
两种不同种属的植物寄生的线虫中得到了4个内切-
β-1,4-葡聚糖酶(EG)的 cDNA；同年，Watanabe等[5]
利用白蚁(R. spertaus)的内切-β-1,4-葡聚糖酶的抗血
清对其 cDNA文库进行免疫筛选，并采用 cDNA末
端快速扩增法(rapid amplification of cDNA ends, RACE)
得到白蚁内切 -β-1, 4-葡聚糖酶 cDNA。从而进一步
证明了动物体内确实存在内源性的纤维素酶。
2　一些动物内源性纤维素酶及其基本特性
自 1998年以来，人们在多种动物体内得到的
内源性纤维素酶大都属于内切 -β-1,4-葡聚糖酶。例
如，两种植物寄生的线虫(Heterodera glycines和
Globodera rostochiensis)中各分离得到两种 EG,即
HG-ENG-1、HG-ENG-2和GR-ENG-1、GR-ENG-2，
并得到了其相应的 cDNA。这4种EG均属于糖苷水
解酶第 5家族(GHF5)，并且其中一个含有细菌式样
的纤维素结合结构域(CBD)[4]，通过基因组 PCR的
方法得到了全基因，HG-eng1和GR-eng1含有 8个
内含子，HG-eng2和 GR-eng2含有 7个内含子[6]。
1 9 9 9 年，利用已知的纤维素酶从螯虾的肝胰腺
cDNA库中得到一个纤维素酶的 cDNA，属于GHF9
中的成员，并且通过基因组 PCR的方法得到了证
实，这是从甲壳类中得到的第一个内源性纤维素酶
的基因[7]。从白蚁家族中有代表性的成员Termitidae
和Rhinotermitidae中克隆得到了内源性EG的cDNA，
这些 EG均由 448个氨基酸残基组成，并且均属于
GHF9，都只含有单一的催化结构域。通过原位杂
交实验证明，Termitidae 中的 EG 来自中肠，而
Rhinotermitidae中的 EG来自唾液腺[8]。 从线虫
(Meloidogyne incognita)中分离到了一个EG(被命名为
MI-ENG1)，它包括一个催化结构域和由富含羟基
的氨基酸残基相连的一个结合结构域组成，它的催
化结构域属于GHF5，CBD属于第 II家族(包括细菌
水解酶的 CBDs)[9]，它的分子量为 53.4 kD，最适
温度(Tm)和最适 pH(pHm)分别为 50℃和 5.0[10]。
2000年，从一种低等白蚁(Coptotermes formosanus)
中分离到一个分子量为 48 kD, 等电点(PI)、Tm和
pHm分别为 4.2、50℃和 6.0的 EG。它属于GHF7
成员(主要包括真菌纤维素酶，它被分成两个亚
394 生命科学 第17卷
群：EG和 CBH), 而从其他白蚁中得到的纤维素酶
均属于不含真菌成员的 GHF9[11]。从贻贝(Mytilus
edulis)中纯化得到一个分子量为 17.71 kD的 EG，
PI、Tm和 pHm分别为 7.6、30~50℃和 5.5。它属
于GHF45的第 2个亚家族[12]。克隆到了贻贝此 EG
的基因，且这个 EG 不含 CBD[13]。最近，从鲍鱼
(Haliotis discus hannai) 的肝胰腺中纯化得到一种
EG，其分子量为 66 kD (从聚丙烯酰胺凝胶电泳上
看)，Tm和 pHm分别为 38℃和 6.3，它属于GHF9
成员[14]。在甲虫(Psacothea hilaris)幼虫的消化道中
分离到了一个分子量约 47 kD，包括单一催化结构
域的 EG, 归入GHF5的第 2亚家族，这是节肢动物
门中发现的第一个属于GHF5的纤维素酶[15]。
本实验室从福寿螺(Ampullaria crossean)的胃液
中纯化到了一种分子量约 41.5 kD具有葡聚糖内切
酶、葡聚糖外切酶以及木聚糖酶等多种酶活力的多
功能纤维素酶（命名为 EG X），并从福寿螺卵巢
中克隆由9个外显子和8个内含子组成的该基因组片
段，这是迄今为止在动物中发现的第一个具有潜在
应用价值的多功能纤维素酶[16~17]。
线虫、白蚁、贻贝、鲍鱼、甲虫、福寿螺
等基因的克隆，也进一步证实了内源性动物纤维素
酶的存在。
另外，虽然自 1998年以来，很多动物纤维素
酶的基因被克隆，但是可能是由于动物纤维素酶存
在着复杂的翻译后修饰，并且这些修饰，如糖基化
修饰除对酶的稳定性有作用外，对纤维素酶的水解
活性也有很重要的影响[18]。因此，造成了动物纤维
素酶表达难的问题。到目前为止，最近报道的甲虫
Apriona germari动物纤维素酶在昆虫细胞中的表达
算是最成功，也是为数不多的例子之一[19~ 20]。
3　纤维素酶的应用
据统计，1995年，世界工业酶的销售量大于
10亿美元；预计到 2005年，销量将达到 17~20亿
美元。而 1999年实际达到 16亿美元，而工业酶总
供应量的 60%来自于欧洲，其余 40%来自于美国
和日本，而且大约 75% 的工业酶是水解酶，其中
糖苷水解酶居第二位[21]。
目前纤维素酶的应用还主要集中在微生物纤维
素酶的应用上。现在纤维素酶已被广泛地应用于食
品、酿酒、饲料加工、纺织、洗衣、农业等多
个领域中。
在食品业中，纤维素酶已被用在：水果和蔬
菜汁以及橄榄油的提取，果汁的澄清，谷物的浸
泡效率和水分的吸收，大豆类食品发芽中豆衣的
除去，从大豆和叶子中分离蛋白质以及谷物和马
铃薯中淀粉类的有效分离等；另外，纤维素酶也
被用来增加食品的营养成分，从纤维素废弃物中
提取纤维寡糖、葡萄糖和其他可溶性的糖，以及
去除细胞壁以利于有用物质，如酶、多糖和蛋白
质的释放等。
啤酒和葡萄酒的酿造是一非常老的工艺，具有
十分悠久的历史。简单地说，啤酒酿造包括大麦的
发芽以及随后麦芽汁的制备和发酵。而葡萄酒则需
要从葡萄里抽提出葡萄汁并且用酵母使果汁发酵。
在低质量大麦的发芽过程中加入纤维素酶可水解
β-1,3和 β-1,4葡聚糖从而帮助大麦发芽，纤维素酶
可以提高啤酒的过滤效率，并能增加葡萄酒的香
味。另外，重组型酵母产生的 β-1,3和 β-1,4-葡聚
糖酶已被广泛地应用在酿造工业中。
饲料加工工业是农业的一个重要组成部分。全
球每年要生成 6亿多吨饲料，价值 500多亿美元。
生产的饲料 90 % 用来喂养家禽、猪和反刍动物，
10%是宠物和鱼类的饲料。一方面纤维素酶被加入
到反刍动物和单胃动物的饲料中作为一种补充；另
一方面纤维素酶被用在纤维素物质的预处理，如谷
物的去壳，青贮饲料的处理等，从而提高反刍动物
和单胃动物的消化能力。另一个有意义的应用是含
纤维素酶基因的转基因动物可以分泌一些需要的纤
维素酶到动物的胃肠道中帮助粗糙食物(糠，麸等)
的消化。
纤维素酶被成功的应用到纺织和洗衣业中。虽
然纤维素酶用在纺织和洗衣业中的时间只有十几
年，但是它们已经成为这个领域中的第三大酶系。
生物打磨(bio-stoning)和生物抛光 (bio-polishing) 是
目前纤维素酶在纺织工业中的主要应用。纤维素酶
也被用在家庭的洗涤剂中，因为它们可以增加去污
能力，从织物表面除去小的碎纤维，增加织物表面
的亮度和光泽。
除此之外，纤维素酶或葡聚糖酶的混合物已被
用在造纸、植物和真菌原生质体的制备中。另外，
纤维素酶也被广泛的应用在研究、开发以及农业生
产中[21~22]。
4　纤维素酶的应用前景
随着工业化的快速发展，化石燃料的消耗使能
源面临枯竭，同时化石燃料燃烧产生的温室气体。
395第5期 李燕红，等：纤维素酶的研究进展
有毒气体使环境污染日益严重，生态平衡遭到破
坏，因此，迫切地需要一种环境能够承受的，可
再生的能源来代替化石燃料。从 20世纪 80年代开
始，人们就开始以谷物为原料来生产乙醇用作供氧
燃料，在一些西方国家，如美国、加拿大等，乙
醇已经被广泛地掺入到汽油中来代替纯汽油使用，
其中乙醇的体积含量可达 10%。美国每年要消耗 45.4
亿升乙醇，占全国汽油总消耗量的 1%。最近美国
汽车制造商宣布计划生产一种可使用乙醇混合物E85
即 85%的乙醇和 15%的汽油（体积比）的汽车[23]。
混合燃料的使用不仅可以减少汽油的使用量，还可
以降低温室效应气体以及有毒气体的释放。但是随
着世界人口的不断增长，以谷物为原料生产乙醇就
与食品的供应之间存在竞争。另外，除每年光合作
用产生大量的纤维素物质外，人类活动产生的废弃
纤维素以及城市废物（含有大量的纤维素物质）给
环境卫生造成了很大的破坏。因此，利用纤维素酶
有效地将这些纤维素物质转化成葡萄糖等简单糖，
然后通过微生物发酵的方法将葡萄糖转变成乙醇，
将具有重大意义。
如何才能实现这一可再生资源的最合理最有效
的利用呢？纤维素物质的预处理以及纤维素酶在水
解过程中酶活性的最大发挥是很重要的。预处理可
以去除木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶度并
且增加纤维素物质的可接触面积；表面活性剂，如
Tween 80的加入可以使纤维素酶水解报纸的速度提
高 33%，另外，β -葡萄糖苷酶的加入可以解除纤
维二糖的抑制作用，增加水解效率。但是问题的关
键在于纤维素酶。为了满足竞争的需要，生产每加
仑乙醇的纤维素酶的成本应该不超过 7美分。美国
国家再生能源办公室也提出这样一项策略：要尽量
将纤维素酶系统的复杂度降低到少量几种必须组
份，更重要的是利用基因工程的方法生产出能够更
有效的水解预处理过的纤维素物质的重组型纤维素
酶 [ 2 4 ]。
因此，要实现纤维素物质到再生能源的转化，
主要有两点：
一是要找到适合于工业生产的高比活力的纤维
素酶。细菌和真菌产生的纤维素酶均可以水解木质
纤维素物质。这些微生物有好氧的，有厌氧的；
有嗜温的，有嗜热的。产生纤维素酶的细菌有梭菌
属(Clostridium)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、杆
菌属(Bacillus)、高温单胞菌属(Thermomonospora)、
瘤胃球菌属 ( R u m i n o c o c c u s ) 、拟杆菌属
(Bacteriodes)、欧文氏菌属(Erwinia)、醋弧菌属
(Acetovibrio)、小双孢菌属(Microbispora)和链霉菌
属(Streptomyces)等。纤维单胞菌(C. fimi )和高温单
胞菌(T. fusca)是被广泛研究的两种产生纤维素酶的
细菌。虽然许多纤维素酶产生菌，尤其是一些厌氧
菌，如梭状芽孢杆菌(C. thermocellum)和拟杆菌(B.
cellulosolvens)，分泌的纤维素酶具有很高的比活
力，但是它们不能产生高酶效价。这是因为厌氧菌
的生长速度很慢并且需要特殊的厌氧的生长环境，
因此，就应用而言，纤维素酶的许多研究就集中在
真菌上。产生纤维素酶的真菌有白绢菌(Sclerotium
rolfsii)，白腐真菌(P.chrysosporium)以及木霉属
(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、裂殖菌属
(Schizophyllum)和青霉属(Penicillium)等种属中的一
些真菌，其中木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生
菌[23]。世界纤维素酶市场中的纤维素酶 20%是来自
木霉属和曲霉属[21]。细菌和真菌中都存在有复杂的
纤维素酶水解系统，虽然其水解微晶纤维素的能力
非常强，但是由于其复合物的分子量十分巨大（可
从 2~16×106 D到 100×106D），并且单个组份又不
具有水解微晶纤维素的能力。所以人们一直试图从
其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前
景的纤维素酶。 日本一家实验室从甲虫中得到一种
葡聚糖内切酶水解羧甲基纤维素(CMC-Na)的比活力
可高达150IU/mg[15]; 我们从福寿螺中发现了一种纤维
素酶 EGX，它不仅具有很高的比活力，而且具有
多种酶的活性，这些结果可能提示动物纤维素酶不
但具有应用前景，还具有理论研究意义。
二是要通过定向进化和分子改造的方法筛选到
重组型高比活力的纤维素酶。人们已经利用基因工
程技术将纤维素酶的基因克隆到细菌、酵母、真菌
和植物中以期得到新的高比活力的重组型纤维素
酶。Wood等[25]在大肠杆菌 E.coli Ko11中表达了欧
氏菌(Erwinia Chrysanthemi P86021)的葡聚糖内切酶
基因，最终得到的重组纤维素酶在每升培养基中可
产生高达 3200IU。从嗜酸耐热菌(Acidothermus
cellulolyticus)中得到的一种热稳定性的葡聚糖内切酶
E1被表达在 Arabidopis thaliana的叶子中[26]，马铃
薯[27]以及烟草中[28]。另外，将构建的编码木糖同化
作用和戊糖磷酸化途径的操纵子转入细菌发酵单胞
菌(Zymomonas mobilis)中，可以有效地将木糖发酵
转化成乙醇。除此之外，定点突变以及基因重排
396 生命科学 第17卷
(gene shuffling)技术也被应用到高比活力纤维素酶的
筛选当中。例如：在李氏木霉 (T.reesei) 中，需要
产生至少14种酶协同作用才能水解未经化学处理过
的植物干物质。为了降低纤维素酶的复杂性，将李
氏木霉的 CBH1、嗜酸耐热菌的葡聚糖内切酶 EI以
及曲霉(Aspergillus niger)的 β-葡萄糖苷酶以 90∶9∶
1(质量比)混合形成一个三元复合物，此三元复合物
在 120小时内水解预处理过的纤维素的能力与李氏
木霉中纤维素酶体的水解能力相当。为了提高此三
元复合物水解纤维素的活力，利用定点突变的方法
对葡聚糖内切酶EI的活性位点进行修饰，结果与突
变前的三元复合物相比，其水解纤维素的活性提高
了12%[24]。
5　小结
把地球上最丰富的可再生资源——纤维素用生
物转化技术变为新能源是人类由来已久的愿望，随
着地球石化能源的短缺和枯竭的日趋严峻，人们必
须把这种愿望变为现实。由于目前纤维素酶的研究
还不能适应这样的需求，所以寻找新的适于再生能
源需要的高催化活性，低成本的纤维素酶，必将成
为这个领域的热点问题。
动物纤维素酶的研究正是在这样的背景下产生
的，同时动物纤维素酶与微生物酶系有所不同，作
为一个新的纤维素酶体系，它的研究也具有重大的
理论价值，因此，可能成为纤维素酶研究的热点。
虽然目前得到的纤维素酶，不管是来自细菌、
真菌、植物还是动物的，还不能使乙醇代替汽油在
经济上成为现实，但是随着对纤维素酶研究的不断
深入，以及生物化学、分子生物学、生物信息学、
结构生物学以及基因工程等多种交叉学科的快速发
展，获得适合工业生产的高比活力的纤维素酶将不
再是可望而不可及的了。
[参　考　文　献]
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