纤维素是自然界中含量最多、分布最为广泛的一种多糖物质。据统计，地球上纤维素的碳含量占植物界的50%以上，但是，其中仅有很少一部分纤维素得到利用，不仅造成资源浪费，而且给城市造成大量的垃圾，污染环境^[1]。纤维素是由D-吡喃型葡萄糖基经β-1,4-糖苷键联结而成的直链多糖，通过氢键的缔合作用，形成纤维束，按分子的密度大小可分为结晶区和无定形区^{[2, 3]}。纤维素酶在常温、常压下就可以水解纤维素^[4]，因此，纤维素酶降解纤维素是目前纤维素利用研究中的热点，纤维素酶在许多工业，如食品、酿造、啤酒、动物饲料、纺织、造纸、农业等领域中都有广泛的用途^[5]。

随着对纤维素酶研究的深入，其应用日益广泛，但是，由于纤维素的结晶状、不溶性的刚性结构^[6]，以及对纤维素酶的结构、功能特别是降解纤维素的作用机制还缺乏足够的了解，使得目前纤维素酶对天然纤维素降解效率较低，从而使纤维素酶降解纤维素的工业化应用无法实现规模化。因此，进一步了解纤维素酶降解纤维素的机理有助于提高纤维素的酶解效率，是更加有效地利用纤维素资源的重要途径^[7]。

纤维素是由微纤丝之间以不同的方式排列堆积而成的大分子，超分辨率荧光显微镜下的微纤丝如图 1(a)，微纤丝通常由约36根葡聚糖链构成，而每根葡聚糖链包含500到14000个由β-1,4-糖苷键相连的葡萄糖分子^{[8, 9]}，其中，葡聚糖链内部或糖链与糖链间的葡萄糖分子通过其羟基相互连接，形成稳定的氢键网络及致密的糖链片层；糖链片层进一步在氢键、疏水作用力和范德华力等作用下相互堆积，形成不溶于水的纤维素大分子^{[10, 11]}，如图 1(b)。

按纤维素分子的密度大小可分为结晶区和无定形区，在结晶区，纤维分子的排列具有完全的规则性，呈现清晰的X射线衍射图，如图 2所示，其结晶结构属于单斜晶系，结构区间为无定形区，但结晶区和无定形区无明显的界限，其间的过渡是渐变的，结晶区和无定形区间的比例、结晶的完善程度随纤维的种类、纤维的部位而异^[13]。

棉纤维是最常见的一种纤维，生产成本低、产量高，而且还具有保暖、透气、吸湿和柔软手感等合成纤维所不具有的优良特性^[14]。棉纤维原始细胞细长而且中空，中间粗两头细，呈纺锤形，一端封闭，另一端开口。从纵向外观上观察，正常成熟的棉纤维天然卷曲(图 3(a))；棉纤维的横截面是由许多同心层所组成的(图 3(b))，棉纤维主要由初生层、初生胞壁、次生胞壁和中空的胞腔组成 (图 3(c))^{[15, 16]}。棉纤维中除了含有90%～94%的纤维素外，还含有6%～10%的天然杂质^[17]。棉纤维中的天然杂质主要存在于纤维的初生胞壁中，并且其中的果胶质和蜡状物质的含量较高。果胶质是以D-半乳糖醛酸的α-1,4聚合物为主要成分的多聚糖。这种多糖类结构，把纤维素基质内初生胞壁中的蛋白质、脂肪醇、脂肪酸及其酯类、胆甾醇和其他碳氢化合物组成的蜡质等通过其主链和支链粘合，形成了以果胶质为骨架的庞大的疏水性网状层(图 3(d))^[18]。

纤维素酶是将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的一组复杂酶系的总称，又可称纤维素酶系^[19]。纤维素酶系根据其中各酶功能的差异，主要分为3大类：内切葡聚糖酶(1,4-β-glucan giucanohydrolase,E.C3.2.1.4，来自于真菌的简称EG)；外切葡聚糖酶(1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase，来自真菌的简称CBH；来自细菌的简称Cex)；β-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosi-dase，E. C 3. 2. 1. 21，简称BG)。

Tilbeugh等^[20]对纤维素酶拆分研究发现，降解纤维素的纤维素酶是由约56 kD球状的具有催化(水解) 活力的核心蛋白催化区域(CD或CP)、连接区(linker) 和没有催化作用但具有纤维素吸附能力的纤维素结合区域(CBD)3部分组成。后经许多研究证实，T. reesei酶的外切葡聚糖酶CBHII、内切葡聚糖酶EG I，EGII和粪类碱纤维单孢菌、热纤维梭菌的多个纤维素酶分子也具有类似的结构，即1个催化活性的头部(CD) 和楔形的尾部(CBD) 组成的蝌蚪状分子，如图 4 所示。

1950年，Reese等^[22]提出了纤维素酶解机制的第一个假说C₁-C_x假说。在此基础上，Wood等^[23]于1972年提出了目前被广泛接受的内切和外切葡聚糖酶协同作用模型(图 5)。协同作用是纤维素酶的不同组成部分共同水解复杂的纤维素的过程。目前我们所了解的有4种典型的协同作用^[24]：1) 内切和外切葡聚糖纤维素酶之间的协同作用；2) 底物中还原性和非还原性末端的外切葡聚糖纤维素酶之间的协同作用；3) 内切或者外切葡聚糖纤维素酶与内切葡聚糖纤维素酶之间的协同作用；4)β-葡萄糖苷酶与其他纤维素酶之间的协同作用。

内切和外切葡聚糖酶首先共同作用于纤维素表面(图 5(a))。内切葡聚糖酶作用在纤维素纤维的无定形区，随机水解β-1,4-葡萄糖苷键，将纤维素大分子截短，产生新的多糖链末端；外切葡聚糖酶作用于纤维素多糖链的还原或非还原末端，水解 β-1,4-糖苷键，从末端以纤维二糖为单位对纤维素进行切割，产生纤维二糖和葡萄糖(图 5(b))。在内切和外切酶的共同作用下，纤维素被降解为可溶性寡聚葡萄糖，它们在β-葡萄糖苷酶的作用下被降解为葡萄糖^[25～28]。

纤维素酶能扩大织物纤维中的空穴和毛细管，赋予织物一系列有价值的服用性能，如轻薄感、手感柔软、吸水性好、抗起球等，因此，将纤维素酶应用到棉织物中得到了越来越多的关注。

将纤维素酶应用在棉织物中，是运用纤维素酶的催化降解作用，使纤维素表面β-1,4-葡萄糖苷键水解成为可溶性短链多糖复合物和葡萄糖，削弱了纤维间的结合力，使无定形区增加，织物纤维中空穴和毛细管扩大，在经过机械摩擦作用，纤维表面的小茸毛纤维就从纤维脱落下来^[30]。

Lee等^[31]用AFM在低倍镜下观察到未经纤维素酶处理的棉纤维表面结构排列有序(图 6(a))，高倍镜下可观察到巨原纤(图 6(b)中双箭头方向所示)，从图中可以看出，纤维素酶处理前的棉纤维表面比较光滑。

纤维素酶中各组成部分通过协同作用，共同完成对棉纤维的处理。纤维素酶作用的纤维表面如图 6(c)，由图可以看出当CBHI和EGII共同作用在棉纤维时，纤维素表面出现了明显的凹槽，相较于未经纤维素酶处理的巨原纤(图 6(b))，纤维表面变得平滑。

Lee等又通过对比CBHI和EGII分别单独作用在纤维素的实验，研究了纤维素酶中各组分对纤维素的作用。通过AFM低倍镜观察由CBHI单独作用在棉纤维的表面发生的变化，如图 7(a)，CBHI和纤维素接触，使棉纤维初生胞壁发生部分剥蚀，纤维素表面变得粗糙，沿纤维素轴向有凹凸不平的裂缝，并形成了许多新的酶可及的表面积^[32]。EGII单独作用在棉纤维时，通过AFM高倍镜观察棉纤维表面的变化，如图 7(b)，可以看出在EGII的作用下，棉纤维的表面变得平滑，并且纤维变得膨松，这是因为纤维素酶在棉纤维表面发生部分剥蚀作用，使棉纤维表面变得更为脆弱，在外力作用下，棉纤维受损的部分发生了脱落^[33]。

纤维素酶是一种蛋白质，具有一般蛋白质的物理化学性质，而且还有蛋白质的一级、二级、三级结构甚至四级结构，是一种非常复杂的立体结构的巨大分子。影响纤维素酶反应活力的因素很多，主要包括温度、pH、底物浓度、金属离子及表面活性剂等。

温度是影响纤维素酶活的关键因素，采用纤维素酶羧甲基纤维素(CMC) 酶活的方法测定纤维素酶活时，发现不同的研究者采用的酶促反应温度不同。如有采用40℃^[34]、45℃^[35]、50℃^[36]，多数研究表明纤维素酶作用底物的最适温度在40～50℃之间。

纤维素酶的活力受pH环境的影响很大，在一定pH下，纤维素酶表现最大活力。不同种类的纤维素酶及同类纤维素酶的不同亚组分对应的最适宜pH不同，多数研究表明^{[37, 38]}，酸性纤维素酶最适酶促反应pH为4.8左右，中性纤维素酶能在较广的pH范围内使用，最适pH为5～7.5，而碱性纤维素酶最适酶促反应pH 8.5～9.5。

底物浓度与酶解速度的关系符合米氏酶促动力学方程，米氏方程表达了酶反应速度与底物浓度之间的定量关系。因此在测定酶活性时，一般选择CMC溶液浓度保证足够大，或者零级动力学的条件^[39]。研究表明，底物浓度达到1%时，酶促反应速度最快，低于1%酶活下降，表现为底物量不足，反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应；高于1%酶活不再增加，表明酶被底物所饱和，反应速度达到最大，表现为零级反应，酶活趋于极限值^[40]。

有些化学物质会影响酶的活性，能提高酶活性的物质称为激活剂，能降低酶活性的物质称为抑制剂。

金属离子与纤维素酶的活力密切相关，可作为酶的活性基成分，也可作为酶的激活剂^[41]。有研究表明，Mn²⁺、Co²⁺、Na⁺、K⁺、Fe²⁺、Ca²⁺等对纤维素酶起激活作用^{[42, 43]}；而Cu²⁺对纤维素酶起抑制作用^{[44, 45]}；稀土离子La³⁺、Nd³⁺在浓度为10^-8或10^-9g/L时对纤维素酶水解滤纸、羧甲基纤维素钠、纤维二糖的活性有激活作用^[46]。

表面活性剂对酶活性的影响非常明显。很多学者研究表明，阳离子表面活性剂可与酶蛋白结合生成不可逆的复合物，从而使酶永久失去活力^[47]；阴离子表面活性剂对纤维素酶催化作用有抑制作用。这是由于纤维素酶和阴离子表面活性剂之间的静电相互反应降低了纤维素酶的活性^[48]。

两性表面活性剂对纤维素酶的活力有一定的影响^[49]，这种影响一方面与表面活性剂浓度有关，另一方面与纤维素浓度有关，还与溶液的pH有关。一般认为非离子表面活性剂由于不带电荷，因而不存在电性斥力影响酶分子与底物的结合，所以在一定浓度范围内对纤维素酶活没有影响，并且非离子表面活性剂对纤维具有更好的润湿、渗透功能，有利于纤维素酶向棉纤维内部扩散，加快了纤维素酶在棉纤维织物上的催化水解作用^{[50, 51]}。

提高纤维素酶降解纤维素效率的研究主要包括^{[7, 39, 53]}：1) 对纤维质材料进行预处理；2) 研究纤维素酶的最适作用条件；3) 纤维素酶的重复利用；4) 合理的发酵工艺等；5) 通过筛选产酶菌种和培养条件，寻找高活性纤维素酶；6) 采用各种方法处理纤维素，使其更易于分解，如物理法、化学法、生物法等；7) 筛选酶解工艺条件，包括温度、pH、酶促反应时间、激活剂等。

纤维素酶能以最环保、最高效的方式将纤维素转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于人类社会解决环境污染、食物短缺和能源危机具有重大的现实意义。而且，纤维素酶对棉、麻织物进行整理后，可以改善纺织品的服用性能，提高附加值，是在纺织品加工中非常有前途的领域。

深入研究纤维素酶和纤维素的作用机理，有助于进一步探索提高纤维素酶活性，以提高纤维素酶降解纤维素的效率，但目前仍处于试验阶段，距离实际应用仍有一定距离，例如，现有纤维素降解效率依然较低；协同降解中存在外切纤维素酶间协同、内切纤维素酶间协同等报道，但鲜有β-葡萄糖苷酶对内切纤维素酶协同的研究等。因此，进一步探索提高纤维素酶活性，深入研究纤维素酶降解纤维素的作用机理，以提高纤维素酶降解纤维素的效率是有效利用廉价、丰富、无毒的纤维素来弥补资源不足的迫在眉睫的事。