半纖維素半纖維素酶和低聚木糖實(shí)用教案

1、益生菌活菌制劑益生菌活菌制劑(zhj)的的有效性有效性 1）是否來(lái)自人體 2）是否帶有耐藥性質(zhì)粒 3）培養(yǎng)和保藏是否困難 4）是否耐受胃酸、膽汁堿而存活 5）是否能夠定植于腸道上皮細(xì)胞 6）能否形成(xngchng)優(yōu)勢(shì)菌落而達(dá)到保健效果第1頁(yè)/共32頁(yè)第一頁(yè)，共33頁(yè)。1.2 雙歧因子(ynz) prebiotic 的作用 可以促進(jìn)人體腸道內(nèi)有益菌雙歧桿菌(Bifidobacterium) 等的生長(zhǎng)，改進(jìn)腸道菌群狀況。 比活菌制劑更穩(wěn)定和易于保存，可以添加到各種制品中。 應(yīng)用于醫(yī)藥、功能食品、飼料(slio)等領(lǐng)域。 雙歧因子包括人乳中含N-乙酰葡糖胺的糖、玉米浸汁和各種低聚糖等。其中研究最

2、多的是各種低聚糖，而且現(xiàn)在很多品種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。第2頁(yè)/共32頁(yè)第二頁(yè)，共33頁(yè)。1.3 1.3 低聚糖的功能低聚糖的功能(gngnng)(gngnng)特性特性 雙歧桿菌增殖因子和低能量。 不被消化性和代謝不依賴(lài)胰島素。 無(wú)齲齒性 。 不消化或不吸收糖 攝入 （小腸）消化 發(fā)酵（大腸(dchng)） SCFA 吸收 酶降解 可利用能源第3頁(yè)/共32頁(yè)第三頁(yè)，共33頁(yè)。第二節(jié)半纖維素、半纖維素酶類(lèi)和低聚木糖第4頁(yè)/共32頁(yè)第四頁(yè)，共33頁(yè)。木材細(xì)胞壁的構(gòu)造及組成：瘤層 內(nèi)層中層外層初生壁 中膠層 次生壁中膠層：厚約為m，位于細(xì)胞之間，負(fù)責(zé)將它們連在一起，在成熟的木材中，中膠層是高度木化

3、的。初生壁：位于細(xì)胞外的初生壁是一層厚約0.1-0.2 m壁，由半纖維素，纖維素、果膠和完全包在木質(zhì)素中的蛋白質(zhì)組成。次生壁：分為三層，由內(nèi)向外、內(nèi)層，中層，外層。由包裹在木質(zhì)素和半纖維素中定位不同的纖維素纖絲組成，并代表了纖維素合成階段及在最初原生質(zhì)中的位置，只要植物細(xì)胞壁的天然結(jié)構(gòu)保持完好，其中木質(zhì)素就能防止降解(jin ji)酶類(lèi)接觸纖維素纖絲。第5頁(yè)/共32頁(yè)第五頁(yè)，共33頁(yè)。第6頁(yè)/共32頁(yè)第六頁(yè)，共33頁(yè)。一、半纖維素1.半纖維素：是由幾種不同類(lèi)型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體。單糖聚合體間分別以共價(jià)鍵、氫鍵、醚鍵和酯鍵連接，他們(t men)與伸展蛋白、其他結(jié)構(gòu)蛋白、壁酶、纖維素和果膠等

4、構(gòu)成具有一定硬度和彈性的細(xì)胞壁，因而呈現(xiàn)穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。是植物纖維材料中除去纖維素和果膠之外的碳水化合物，是植物纖維原料中的主要成分之一。2.1 半纖維素的組成及基本(jbn)結(jié)構(gòu)第7頁(yè)/共32頁(yè)第七頁(yè)，共33頁(yè)。D-木糖D-甘露(gnl)糖D-葡萄糖D-半乳糖2 組成(z chn)無(wú)熱量甜味劑；對(duì)人體腸道內(nèi)的雙歧桿菌(gnjn)有較高的增殖作用 半纖維素只是一群糖共聚物的總稱(chēng)。這些糖基形成基礎(chǔ)鏈（主鏈），其它糖基作為支鏈連接于基礎(chǔ)鏈上第8頁(yè)/共32頁(yè)第八頁(yè)，共33頁(yè)。不同來(lái)源(liyun)半纖維素的組成木本植物(mbnzhw)：D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等草本

5、植物(cobnzhw)和谷類(lèi)：D-木糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖第9頁(yè)/共32頁(yè)第九頁(yè)，共33頁(yè)。二、纖維素和半纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)(jigu)的差別1、由不同的糖單元組成，纖維素只含有葡萄糖，為同聚多糖。半纖維素含有多種糖，可能為同聚多糖，也可以為兩種或多種單糖形成的雜聚多糖。2、糖鏈鏈長(zhǎng)的聚合度不同，纖維素的糖鏈較長(zhǎng)，半纖維素的鏈長(zhǎng)較短。3、兩類(lèi)物質(zhì)(wzh)的分子中分支不同，纖維素?zé)o分支，半纖維素有分支，有的單糖只出現(xiàn)在支鏈上。組成(z chn)不同長(zhǎng)短不同形狀不同第10頁(yè)/共32頁(yè)第十頁(yè)，共33頁(yè)。三、半纖維素的分類(lèi)(fn li)1 對(duì)堿的溶解性不同(b tn)半纖維素24% K

6、OH不溶溶解(rngji)聚葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖Ba2+配合物析出聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖2、根據(jù)主鏈的糖基不同 如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖，聚半乳糖葡萄糖甘露糖類(lèi)等。第11頁(yè)/共32頁(yè)第十一頁(yè)，共33頁(yè)。1 木聚糖：主鏈為-D-吡喃木糖以-1,4-糖苷鍵連接而成的線狀分子(fnz)，分子(fnz)量約30000（200個(gè)糖單位），白色無(wú)定形粉末，不溶于冷水，溶于稀堿溶液。2 木聚糖是各種半纖維素中的主要成分。木聚糖類(lèi)廣泛存在于自然界，幾乎所有植物中都含有。木聚糖在植物細(xì)胞壁中的含量?jī)H次于纖維素。3 不同植物所含木聚糖多少也有所差別 一般硬材中所含的木聚糖比軟材中多，硬材能占

7、干重的15%-30%。 一些一年生植物如小麥，甘蔗，棉花的籽殼中，木聚糖含量非常高，一般能高達(dá)30%以上。四 木聚糖類(lèi)線狀分子(fnz)與直鏈無(wú)分支一樣嗎？第12頁(yè)/共32頁(yè)第十二頁(yè)，共33頁(yè)。4 同聚多糖同聚多糖(du tn)與異聚多糖與異聚多糖(du tn)5 木聚糖分類(lèi)：木聚糖分類(lèi)： 硬木(yngm)木聚糖軟木(runm)木聚糖草木類(lèi)木聚糖組成單位： O乙酰4O甲基葡萄糖醛酰木糖聚合度：150-200高度乙?；l(fā)生在C3位組成單位：阿拉伯4O甲基葡萄糖醛酰木聚糖殘基聚合度：70-130非乙?；M成單位：L呋喃型阿拉伯糖基、 4O甲基D吡喃葡萄糖醛酸基聚合度：70-130第13頁(yè)/共32

8、頁(yè)第十三頁(yè)，共33頁(yè)。7）面團(tuán)形成過(guò)程Dough formation:小麥粉和水 -混合 揉捏- 疏水相互作用和二硫鍵 -線狀多聚物 多聚物之間相互作用 氫鍵、疏水相互作用、 二硫鍵 - 面團(tuán)形成 -發(fā)酵(f jio)(產(chǎn)氣泡) - 氣液界面形成強(qiáng)膜。第14頁(yè)/共32頁(yè)第十四頁(yè)，共33頁(yè)。 大多數(shù)的細(xì)菌和真菌能夠分泌胞外木聚糖酶，釋放木糖，為在木聚糖上生長(zhǎng)的異養(yǎng)生物提供養(yǎng)料。 瘤胃微生物是具有潛力的半纖維素酶產(chǎn)生者。 瑞氏木霉，綠色木霉、粉狀側(cè)孢有較高的胞外半纖維素酶活性。 很多能分解半纖維素的微生物只具有內(nèi)切葡聚糖酶，而缺少(qusho)外切葡聚糖酶，因而半纖維素分解能力很弱。 胞外半纖維素

9、酶活力較強(qiáng)的微生物曲霉，枯草桿菌，厭氧性的梭狀芽孢桿菌。第15頁(yè)/共32頁(yè)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。半纖維素降解(jin ji)酶1 木聚糖降解酶系的多樣性（1）由于來(lái)源的不同(b tn)，故木聚糖酶的組成，性質(zhì)均不相同（2）木聚糖本身結(jié)構(gòu)的雜合性決定了它不可能被任何一種單一的酶類(lèi)徹底降解。（3）木糖苷連接鍵本身不都是等價(jià)的。木聚糖降解酶對(duì)于它們的接近性也不是等同的（4）由于同種異形酶或同基因的不同(b tn)等位基因的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)翻譯后修飾和加工形成同工酶。第16頁(yè)/共32頁(yè)第十六頁(yè)，共33頁(yè)。2.4 木聚糖降解(jin ji)酶的分類(lèi)根據(jù)木聚糖降解酶的催化特性可將其分為(fn wi)6類(lèi)： 內(nèi)切木

10、聚糖酶 木糖苷酶（外切酶） L-呋喃型阿拉伯糖苷酶 葡萄糖醛酸苷酶 乙酰木聚糖酯酶 酚酸酯酶。作用(zuyng)于主鏈作用于還原端第17頁(yè)/共32頁(yè)第十七頁(yè)，共33頁(yè)。（1） 內(nèi)切木聚糖酶內(nèi)切木聚糖酶作用：切開(kāi)木聚糖主鏈內(nèi)的糖苷鍵，降低基質(zhì)的作用：切開(kāi)木聚糖主鏈內(nèi)的糖苷鍵，降低基質(zhì)的聚合度聚合度作用步驟作用步驟(bzhu)：木聚糖：木聚糖 低聚木糖低聚木糖 木三糖，木二糖，木三糖，木二糖，根據(jù)酶理化性質(zhì)根據(jù)酶理化性質(zhì) 分子質(zhì)量分子質(zhì)量30K的酶（通常為的酶（通常為鹼性蛋白）鹼性蛋白） 分量質(zhì)量分量質(zhì)量 30K（酸性蛋（酸性蛋白）白） 最適條件：多數(shù)最適最適條件：多數(shù)最適PH，最適反應(yīng)溫度，最適

11、反應(yīng)溫度4575 之間。多數(shù)內(nèi)切木聚糖酶能夠水解聚合度之間。多數(shù)內(nèi)切木聚糖酶能夠水解聚合度值值2的寡聚木聚糖的寡聚木聚糖 影響因素：主鏈上的取代基團(tuán)對(duì)酶解有促進(jìn)或抑影響因素：主鏈上的取代基團(tuán)對(duì)酶解有促進(jìn)或抑制作用制作用不生成(shn chn)木糖第18頁(yè)/共32頁(yè)第十八頁(yè)，共33頁(yè)。（2） 木糖苷酶有多種形式存在：?jiǎn)尉垠w、二聚體或四聚體在細(xì)菌和酵母中， 木糖苷酶主要存在于細(xì)胞內(nèi)。作用于寡聚木糖，屬外切酶，主要水解短鏈的低聚木糖或木二糖，并從非還原性末端(m dun)釋放出木糖最佳底物：二聚木糖 木糖苷酶是一個(gè)多功能酶第19頁(yè)/共32頁(yè)第十九頁(yè)，共33頁(yè)。（3） L呋喃型阿拉伯糖苷酶存在形式(x

12、ngsh)多樣：?jiǎn)误w、二聚體、四聚體、六聚體、八聚體等形式(xngsh)存在。分為兩種類(lèi)型：外切型：占多數(shù)，作用(zuyng)于對(duì)硝基酚呋喃型阿拉伯糖苷和分支阿拉伯聚糖 內(nèi)切型：占少數(shù)，作用(zuyng)于線形阿拉伯聚糖（4） 葡萄糖醛酸苷酶此酶水解葡萄糖醛酸和木糖殘基之間的 糖苷鍵第20頁(yè)/共32頁(yè)第二十頁(yè)，共33頁(yè)。（5）乙酰木聚糖酯酶作用位點(diǎn)：木糖殘基C2 C3 位上的乙酰取代基因酶在細(xì)胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基團(tuán)； 酶在細(xì)胞內(nèi)作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基團(tuán)作用：消除乙?；鶊F(tuán)對(duì)內(nèi)(du ni)切木聚糖酶作用的空間的阻礙作用，增強(qiáng)內(nèi)切木聚糖酶對(duì)木聚糖的親和能力（6）酚酸酯酶此酶主要包

13、括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖殘基之間的酯鍵阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖殘基之間的酯鍵第21頁(yè)/共32頁(yè)第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。（1）（2）（3）（4）第22頁(yè)/共32頁(yè)第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。2.5 木聚糖酶的催化特性1、木聚糖酶作用的溫度與PH 不同來(lái)源(liyun)的木聚糖酶其催化特性是有差異的，它們有不同的最適PH和最適作用溫度1）多數(shù)木聚糖酶在酸性范圍內(nèi)，最適溫度40 -60 2）真菌木聚糖酶的耐熱性通常比細(xì)菌木聚糖酶差一些。3）酶活性的改變與PH變化關(guān)系呈現(xiàn)鐘罩形曲線，PH通過(guò)影響酶活性中心基團(tuán)的電離程度或使酶的構(gòu)型發(fā)生變化而影響酶活性第23頁(yè)/共32頁(yè)第二十

14、三頁(yè)，共33頁(yè)。2、木聚糖底物專(zhuān)一性1）在木聚糖酶的活性中心含有多個(gè)能與底物結(jié)合的亞位點(diǎn)，這些位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，大小，數(shù)量，以及它們與催化基團(tuán)的空間關(guān)系決定該酶對(duì)不同底物的親和力，專(zhuān)一性，作用方式及酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)2）實(shí)驗(yàn)表明不同的木霉木聚糖酶對(duì)底物具有高度選擇性3）木聚糖酶的底物特異性包括底物組成的特異性，對(duì)特定(tdng)鍵水解的特異性，對(duì)帶有取代基底物的特異性4）根據(jù)木聚糖酶對(duì)底物組成特異性的不同可將其分為特異性酶和交叉特異性酶，前者只分解木聚糖的糖苷鍵，后者除分解木聚糖的糖苷鍵外還分解纖維素的糖苷鍵第24頁(yè)/共32頁(yè)第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。3、不同水解酶之間的協(xié)同增效作用1） L呋喃糖苷酶與

15、內(nèi)切木聚糖酶協(xié)同作用2）乙酰木聚糖酯酶與內(nèi)切木聚糖酶協(xié)同作用3）內(nèi)切木聚糖酶與木糖苷酶之間協(xié)同作用4）內(nèi)切木聚糖酶與酚酸酯酶協(xié)同作用5）不同的內(nèi)切木聚糖酶之間協(xié)同增效作用6）當(dāng)幾種酶混合(hnh)在一起時(shí)，有時(shí)起協(xié)同作用，但有時(shí)無(wú)協(xié)同作用甚至起抑制作用抑制作用機(jī)制有兩個(gè)：A：一種酶與木聚糖的結(jié)合(jih)阻礙了第二種酶與之結(jié)合(jih)B：一種酶作用于底物改變(gibin)了底物原有的分子構(gòu)型第25頁(yè)/共32頁(yè)第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。4、木聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)域、木聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)域木聚糖酶分子結(jié)構(gòu)可分為木聚糖酶分子結(jié)構(gòu)可分為(fn wi)兩種類(lèi)型兩種類(lèi)型單結(jié)構(gòu)域酶多結(jié)構(gòu)域酶單結(jié)構(gòu)域酶多結(jié)構(gòu)域酶A、

16、催化域、催化域1）木聚糖酶的催化域（）木聚糖酶的催化域（CD）承擔(dān)著酶的水解功能，并作為）承擔(dān)著酶的水解功能，并作為該酶的分類(lèi)基礎(chǔ)該酶的分類(lèi)基礎(chǔ)2）一般地，大部分木聚糖酶只含有一個(gè)單一的催化域，但在）一般地，大部分木聚糖酶只含有一個(gè)單一的催化域，但在自然界中也發(fā)現(xiàn)有些木聚糖酶含有兩個(gè)催化域自然界中也發(fā)現(xiàn)有些木聚糖酶含有兩個(gè)催化域第26頁(yè)/共32頁(yè)第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。B、纖維素結(jié)合域（ CBD ）1）許多木聚糖酶分子中存在著CBD，CBD中帶電荷(dinh)氨基酸含量較小，除甘氨酸，天冬氨酸之外，還含有4個(gè)高度保守的色氨酸殘基。2）這些結(jié)合域起到了兩個(gè)可能的作用：打開(kāi)植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，使得酶分

17、子能夠更容易地接近底物并水解，提供了一種普遍的機(jī)制，使得聯(lián)合的水解酶在植物細(xì)胞壁的表面積累，導(dǎo)致不同的酶之間發(fā)揮協(xié)同作用。C、木聚糖結(jié)合域（XBD）D、連接序列E、熱穩(wěn)定域F、纖酶小體結(jié)合域 許多降解纖維素的厭氧細(xì)菌產(chǎn)生的纖維素酶和木聚糖酶往往聚集成與細(xì)胞壁相連的四級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)合物，稱(chēng)之為纖酶小體作用：它可將細(xì)菌細(xì)胞吸附于纖維素物質(zhì)的表面并用速分解之，并使菌體細(xì)胞快速有效地吸收水解產(chǎn)物。第27頁(yè)/共32頁(yè)第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。3 3、 低聚木糖生產(chǎn)工藝低聚木糖生產(chǎn)工藝 1）低聚木糖生產(chǎn)的幾種( j zhn)途徑： 富含木聚糖的原料(yunlio)化學(xué)(huxu)處理木聚糖酶處理分離純化低聚木糖酸液

18、堿液蒸汽木聚糖酶 Xylanase吸附，離子交換沉淀，萃取等第28頁(yè)/共32頁(yè)第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。 2) 富含木聚糖的原料（Biomass) 玉米芯 35-40%，棉子殼25-28%， 蔗渣 24-28%， 稻殼 24-32%， 麥桿14-15%， 樺木 24-32%， 油茶殼 24-32%。 3）化學(xué)處理 稀酸、稀堿溶液和蒸汽處理 蒸汽或者Autohydrolytic 處理-熱蒸汽把木聚糖的乙?；邢?，形成(xngchng)乙酸，進(jìn)而降解木聚糖。此法不加化學(xué)物質(zhì)，非常符合環(huán)保要求。DP20第29頁(yè)/共32頁(yè)第二十九頁(yè)，共33頁(yè)。 4) 真空濃縮等精制處理 真空濃縮是為了增加X(jué)O濃度，除去乙酸等揮發(fā)性物質(zhì)和前體。 分離不同DP值的XO可以(ky)用膜法，也可以(ky)用不同濃度的乙醇溶液。吸附是要除去非糖成分。 離子交換和色譜分離分別適用于脫鹽和去色素物質(zhì)。第30頁(yè)/共32頁(yè)第三十頁(yè)，共33頁(yè)。5) 5) 對(duì)木聚糖酶的要求對(duì)木聚糖酶的要求(yoqi)(yoqi) 1）木聚糖酶要以?xún)?nèi)切型（endoxylanase) 為主，外切（Exo-xylanase) 和 木糖苷酶 (- xylosidase) 活力要低。 2）木聚糖酶在XO的生產(chǎn)成本中占有較大比例，提高酶活力，降低酶生產(chǎn)成本，是實(shí)現(xiàn)(shxin)XO工業(yè)化的前