枯草芽孢桿菌酶在發酵工藝上的應用王偉王上俞志敏叢麗娜*(大連工業大學生物工程學院遼寧大連116034)摘要：枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)是當今工業酶的主要生產菌種之一，由于其產酶量高、種類多、安全性好、環保等優點在現代發酵工業生產中被廣泛應用，其發酵生產的酶在工業、醫學、食品、飼料、洗滌、紡織、皮革、造紙、水產養殖等領域均發揮著十分重要的作用。關鍵詞：枯草芽孢桿菌；發酵；酶B.subtilisenzymeusedinthefermentationprocessWANGWeiWANGShangYUZhi-MinCONGLi-Na*(SchoolofBiologicalEngineering,DalianpolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)Abstract:Bacillussubtilis(Bacillussubtilis)isoneoftoday'smajorproducingstrainofindustrialenzymes,enzymeproductionbecauseofitshighvolume,variety,safety,environmentalprotection,etc.arewidelyusedinmodernindustrialproductionfermentation,fermentationenzymesproducedinthefieldsofindustry,medicine,food,feed,wash,textile,leather,paper,aquacultureandotherhaveplayedaveryimportantrole.Keywords:Bacillussubtilis;fermentation;Enzyme長期以來，枯草芽孢桿菌一直是工業微生物的主力軍之一，它的使用可追溯到一千多年前，早在日本平安時代(794?1192年)日本人就已經利用枯草芽孢桿菌在大豆中采用固態發酵的方法生產他們的傳統食品一一納豆，開創了利用枯草芽孢桿菌的歷史［1］。由于其具有發酵周期短、產物豐富、可利用開發價值高以及作為食品藥品安全性好等顯著優點，使得它的應用一直延續至今，并在過去的一百多年中有了長足的進步。近年來，由于分子生物學的飛速發展，新的分子手段和技術的不斷介入使得枯草芽孢桿菌的研究利用進入了新時期，在食品加工、農業生產、能源開發等方面不斷地涌現新突破，在工業微生物中的地位不斷得到加強和鞏固。1枯草芽孢桿菌的簡介枯草芽孢桿菌，細胞直徑在1.5到3微米，革蘭氏陽性菌，細胞顏色分布均勻，污白色或微黃色，菌落表面粗糙不透明。細胞周圍生長鞭毛，是一種需氧菌。芽孢桿菌種類眾多，如B.WY-7枯草芽孢桿菌、B.WY-3枯草芽孢桿菌、B.NM-39枯草芽孢桿菌、B.Z-2枯草芽孢桿菌、B.WL-3枯草芽孢桿菌、B.168枯草芽孢桿菌等諸多種類。枯草芽孢桿菌廣泛分布于自然界中，如湖泊，海洋，植物組織，土壤中，在動物腸道內也大量分布。1.1枯草芽孢桿菌的生物學作用枯草芽孢桿菌在菌體發酵過程中會產生一些活性物質，如枯草菌素、多粘菌素、制酶菌素等，這些活性物質可以有效的的抑制致病病菌或可以導致感染的病菌的生長。枯草芽孢桿菌在發酵過程中會緩慢的消耗其生長環境中的游離養，這樣會使腸道處于一個低氧的環境中，就能促進有益厭氧菌生長，而且可以產生有機類酸比如乳酸，這樣就使腸道的PH值降低，間接地抑制其他病菌的生長［2］。枯草芽孢桿菌是一種能夠產生多酶體系的菌，菌體能自身合成a-淀粉酶，蛋白酶，脂肪酶，纖維素酶等酶類，在動物體內的消化道中和其他消化酶一同發揮作用，通過作用合成維生素，煙酸等物質。動物體內的干擾素活性和巨噬細胞的活性也會得到一定提升，因為其有良好的效果，所以枯草芽孢桿菌在動物飼料中有廣泛的應用。我們還可以用它來改善水質，經過專家和學者的研究，它在環境保護和污水處理中有良好的應用前景，它可消除水中的氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質，改善水體環境，為海產品養殖提供更好的條件，提高水的品質。能增強動物的抗病能力，還可以在生物肥料和土地改良中加以應用［3］。1.2枯草芽孢桿菌分泌的酶類枯草芽孢桿菌可利用的養料十分豐富，這就決定了其經過發酵可以產生種類和數量都極為可觀的酶。研究資料表明，枯草芽孢桿菌能夠產生蛋白酶、a-淀粉酶、纖維素酶、8-葡聚糖酶、植酸酶、果膠酶、木聚糖酶⑷等十幾種酶。在過去的十年里，利用基因工程技術，枯草芽孢桿菌幾乎可以在短期內大量生產任何種源的新酶，從而可省略大量的原始菌種改造、馴化、毒理學實驗等工作；利用蛋白質工程技術，能夠在生產新酶之前對該酶的性質進行改良和調整，從而改善酶的活性或者賦予酶新的所需性質。這些新技術的應用使新酶種的開發周期大大縮短，難度和成本降低，產品更加穩定有效。2枯草芽孢桿菌酶的應用2.1枯草芽孢桿菌酶在工業中的應用因為枯草芽孢桿菌是一種益生菌，而且無毒無害，其生長環境也是多種多樣，所以能夠利用其它的物質作為自己生長的營養物質，這些因素決定了其自身含有豐富的產酶系統。枯草芽孢桿菌能后自身合成果膠酶，蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶，纖維素酶等，十幾種酶，工業生產中應用的最為廣泛的是淀粉酶和蛋白酶。2.2枯草芽孢桿菌酶在醫學中的應用目前科學家們已從生物體內提純確認出800多種酶，但是應用到醫藥方面作為醫藥用的酶類不過才有幾十種，這其中就包括了枯草芽孢桿菌所產的數種。如淀粉酶、纖維素酶能夠補充體內消化酶的不足，恢復正常消化機能；蛋白酶能夠分解發炎部位纖維蛋白的凝結物，消除傷口周圍的壞疽、腐肉和碎屑。同時，在合成一些藥品部分酶類也發揮著重要作用。近幾年，科學家們的研究表示，枯草芽孢桿菌產生的多酶體系可以用來補充人體消化酶的不足。也有大量的研究表明，由枯草芽孢桿菌生產的活菌制劑可以作為藥物使用，并且對腸炎，和腹瀉等疾病都有著一定的治療效果，也能用來治療感染。而且可以合成聚谷氨酸作為藥物和醫用高分子纖維材料等。2.3枯草芽孢桿菌酶在食品中的應用枯草芽孢桿菌酶的主要應用領域之一是食品工業全世界食品工業用酶約占總量的60%，我國則更是高達85%以上。加工健康天然的食品代表了食品工業發展不可逆轉的潮流，與傳統的化學法如酸法加工食品相比，酶技術克服了化學法在生產中可能產生有害副產物的問題，為食品加工提供更健康、環保、安全有效的解決方案。枯草芽孢桿菌酶在動物蛋白水解行業中的骨素加工、植物蛋白水解行業中的大豆蛋白和大豆肽、乳制品、嬰兒食品等食品行業已得到廣泛的應用；在面包生產工藝中，a-淀粉酶、蛋白酶能有效提高面團工藝性能和面包質量（如體積、內部結構、風味等），并延長面包保鮮期［5］；在啤酒生產中，采用淀粉酶的新型輔料液化工藝以及復合酶制劑的應用對提高我國啤酒的產量和質量有重要意義；在玉米深加工領域，采用耐高溫淀粉酶和糖化酶的“淀粉噴射液化”技術以及“雙酶法”糖化技術全面帶動了我國淀粉糖、味精、檸檬酸等生產工藝的改革；蛋白酶還可用于食品廢渣的處理，使原來被廢棄的動植物殘渣得以利用，如魚蝦等海產品加工剩余的內臟、皮殼等下腳料，用蛋白酶處理后經提純、濃縮制成調味劑，添加于食品中，不但提高了食品營養質量，增加了經濟效益，而且變廢為寶，減輕了環境污染。近年來，蛋白酶、果膠酶、纖維素酶等在果酒、果汁、調味品、烘焙、肉制品、中藥有效成分提取以及多肽保健品生產中的應用也都取得較大的進展。2.4枯草芽孢桿菌酶在飼料中的應用飼料中使用的淀粉酶和蛋白酶通常是由枯草芽孢桿菌發酵的，原因在于枯草芽孢桿菌相對而言比較耐高溫。這些酶在動物腸道內，有助于直接分解、消化飼料營養成分，降解植物性飼料中的非淀粉多糖，改善消化道食糜的物理特性或消除日糧中的抗營養因子，促進動物的生長和生產，不僅提高了飼料的轉化率，而且促進了對飼料的消化。尤其是植酸酶在飼料中的應用，大大降低了動物糞便中磷的排放量，有益環保，因此在飼料工業上得到廣泛應用。在水產養殖方面，枯草芽孢桿菌酶也有著同樣明顯的效果，并已有商品化產品面世。2.5枯草芽孢桿菌酶在洗滌劑中的應用酶已成為現今洗滌劑必不可少的成分之一，洗滌劑用酶約占到全部產業用酶的40%左右［6］。歐美80%的衣料用洗滌劑是加酶洗滌劑，日本幾乎所有的洗滌劑都是加酶洗滌劑。現在使用的洗滌劑用酶幾乎都是運用基因工程技術改造制成的，代表性的品種有如下4種：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纖維素酶。洗滌劑中使用的蛋白酶一般來源于枯草芽孢桿菌。最近借助蛋白工程學技術，開發了具有耐氧化劑和低溫下活性高、對洗滌劑和洗滌環境適應性好的變異性酶，并已商品化。目前許多國際知名品牌的洗滌劑大多采用“復合酶體系配方”［7］，這些酶不僅有顯著的去污功效，還可達到護理織物、增白增艷的獨特功效。2.6枯草芽孢桿菌酶在紡織工業中的應用酶處理已成為紡織品加工領域中新的發展方向。在紡織工業中用酶取代強酸、強堿、強氧化劑等有毒有害物質，不僅可降低能源消耗，提高生產效率，而且賦予紡織品全新的風格和性能,并為減少污染、保護生態環境提供經濟有效的方法，例如蛋白酶在羊毛低溫染色和羊毛纖維的減量細化中可以提高羊毛紡織品的品質，擴大其應用范圍［8］；淀粉酶在處理彩棉織物前處理也取得了不錯的效果。近幾年，纖維素酶在牛仔石磨水洗和生物光潔柔軟整理中得到了廣泛的應用，過氧化氫酶、蛋白酶、果膠酶［20］的應用也在逐漸興起。2.7枯草芽孢桿菌酶在皮革工業中的應用國內外的生產應用表明使用脂肪酶、酸性蛋白酶可顯著提高成革質量，增加面積得革率，并能有效減少或消除皺紋［9］，，同時也是改進生產工藝，減輕污染保護環境的經濟有效的方法。2.8枯草芽孢桿菌酶在造紙工業中的應用酶的應用為制漿和造紙工業提供了明顯的益處，但直到最近，紙漿和造紙工業中酶的應用從技術上和經濟上才被認為是可行的，特別是從環境的角度來考慮。酶法漂白和酶法脫墨便是酶的成功應用例子。2.9枯草芽孢桿菌酶在水產養殖中的應用枯草芽孢桿菌不僅能分泌多種酶和抗生素，還可以降解池底累積的殘余餌料，水產生物的排泄廢物，動植物殘體和水中產生的對環境或者人體有害的氣體，枯草芽孢桿菌能夠分解這些有害的物質，最后將這些有害的物質分解變為二氧化碳，或者亞硝酸鹽等，這樣就使水體中的各種有害物質的濃度降低，比如亞硝酸鹽等，利用這些方法就能夠有效地改善水質。同時還能為水中的生物提供營養物質，促進水生物繁殖生長［8］。另外，枯草芽孢桿菌自身合成并分泌的多種酶類和抗生素還可以有效的抑制其他細菌的生長，有些抗生素的作用會非常明顯，甚至可以殺死水產養殖動物的病原體。基于以上幾種優點，枯草芽孢桿菌已經允許成為我國使用的可以添加進飼料的微生物菌種，因為其無毒、無害，所以也經常被制成藥物或者微生物添加劑，用來調節動物腸道功能、促進動物生長和預防疾病［9］。時至今日，已經有越來越多的學者已通過研究發現枯草芽孢桿菌能夠在水產養殖中發揮重要的作用，所以，更多的人開始研究枯草芽孢桿菌，希望可以更好的開發出更多的應用。3應用現狀及展望枯草芽孢桿菌酶是工業酶市場的主體，其生產的蛋白酶、淀粉酶是工業酶中應用最為廣泛的酶，僅二者就占到了整個工業酶市場的50%［10］。枯草芽孢桿菌酶市場營業額的90%以上掌握在20多家工業酶企業手中，僅Nonozymes和Danisco兩家公司就占到了60%以上。這些實力雄厚的大企業構成了世界酶工業技術創新的主體，他們每年在研發上的資金投入大都在其營業額的10%以上。生產的高度集中、高額的研發投入及高新技術成果的迅速市場化，形成了當今這一產業的鮮明特點和發展趨向。中國酶工業特別是蛋白酶和淀粉酶的生產應用近20年來雖然取得了長足的發展，但仍無法跟上世界同行業發展的步伐，科研乏力已成為制約中國酶工業發展的瓶頸因素。就發展趨勢而言，由于受動物飼料、食品、飲料和醫藥工業新型高附加值產品需求的驅動，未來幾年市場對酶尤其是枯草芽孢桿菌酶的需求將至少以年均6%的速度快速增長。中國包括枯草芽孢桿菌酶在內的工業酶產品目前仍以國內銷售為主，近年來出口量雖呈逐年上升趨勢，但所占份額不足國內生產的15%。隨著中國經濟的持續增長和中國生物技術產業的發展，不斷增強的經濟基礎必然會對酶制劑的市場需求產生有力的拉動作用，并對酶工業的技術創新創造有利條件。目前，我國的酒類產品、果汁類產品、肉類產品、發酵類產品、飼料、紡織品等產量和消費量都位居世界前列，這些傳統產業的技術改造都涉及枯草芽孢桿菌酶的應用，同時酶的消費量與人口數量和生活質量成正比，我國作為世界人口第一大國，枯草芽孢桿菌酶具有廣闊的發展前景。參考文獻李鼎.納豆--神奇食品[J].上海調味品，2004，(4):28.傅榮昭，劉明，梁紅健等.通過根癌農桿菌介導法獲得菊花轉基因植株[J].植物生理學報，1998(10):11-15.崔青曼，袁春營，張耀紅等免疫多糖在水產養殖中的應用[J].中國飼料,2003,20:24-25.⑷袁小平，王靜，姚惠源.枯草芽孢桿菌內切木聚糖酶的純化與性質研究[J].食品與發酵工業，2004,30(8):55-59.董彬，鄭學玲,王鳳成.酶對面粉烘焙品質影響[J].糧食與油脂,2005,(1):3-6.李佳瀏鐘濱.植酸酶的研究進展及應用[J].同濟大學