木聚糖酶的研究進展_王秋影

1、木聚糖酶的研究進展王秋影，廖美德*(華南農(nóng)業(yè)大學天然農(nóng)藥與化學生物學教育部重點實驗室，廣州510642 )摘要：木聚糖是除纖維素外含量最為豐富的天然細胞壁多糖,是植物半纖維素的主要成分。木聚糖酶是指能 夠催化降解異質(zhì)多一木聚糖為低聚木糖或木糖的一組酶的總稱,是能降解木聚糖復雜結構的復合酶系。文章 對木聚糖酶的分類、分子結構、生化恃性、發(fā)酵調(diào)控技術及其應用研究進展作以綜述。關鍵詞:木聚糖酶；生化特性；應用研究中圖分類號:s816.8 ; q814 文獻標志碼:a 文章編號:1001-0084 ( 2013 ) 06-0008-05research progresse of xylanasewan

2、g qiuying liao meide*(key lab of natural pesticide and chemical biology of ministry of education, south china agricultural university, guangzhou 510642, china )abstract: xyla ns is the most abundant n atural cell wall polysaccharide after cellulose, is the main comp orient of plant hemicellulose. xy

3、lanase is a group of enzymes which is capable of catalyzing the hydrolysis of heteroge neous polysaccharidexylan to xylooligosaccharide or xylose, is a compound enzyme which can degrade the complex structure of the xylan .in this paper, the classificatio n, molecular structure and biochemical charac

4、teristics of xylanase, and its fermentation regulation technologies and application research were reviewed.key words: xylanase; biochemical characteristics; application research木聚糖酶是指可以催化水解多糖木聚糖為木材、禾本科植物、農(nóng)作物殘留物等木質(zhì)纖維 素類生物質(zhì)的細胞壁由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 組成。木聚糖是除纖維素外含量最為豐富的天然 細胞壁多糖,是存在于植物細胞壁和胞間層中的半 纖維素成分。木聚糖是一種由木糖、

5、葡甘聚糖、 半乳甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖組成的異質(zhì)多糖, 其主鏈骨架由多個d木糖殘基通過0 -1, 4糖苜鍵 連接而成。在眾多可降解木聚糖的酶中，內(nèi)切 0 -1, 4-d木聚糖酶(ec )起主要作用，木聚 糖酶通過隨機水解0 -1, 4糖苜鍵產(chǎn)生不同長度的低 聚木糖。木聚糖的完全降解，可以產(chǎn)生多種形式 的纖維素類物質(zhì)，從而有利于提高麥秸、玉米芯、 雜粕等非常規(guī)、低成本原料的工業(yè)利用率和飼料轉(zhuǎn)化效率。研究表明，木聚糖酶可以提高畜禽飼料 利用率，促進養(yǎng)分的消化吸收，有利于維持腸道微 生態(tài)并可降低污染。木聚糖酶在許多工業(yè)化生產(chǎn) 中起著至關重要的作用，并且在改善焙烤食品、動 物飼料以及

6、漂白紙漿中作為一種添加劑使用，充分 顯示了其廣闊的應用前景。本文針對木聚糖酶的 分類、分子結構、生化特性、發(fā)酵調(diào)控技術及應用 研究進展作以綜述，以期為相關研究提供參考。1木聚糖酶的分類低聚木糖或木糖的一類多功能酶的總稱。主要包括內(nèi)切0 -1, 4d木聚糖酶(ec ),可隨機切開木聚糖主鏈骨架的1, 4- 0 -d木糖苜鍵，將其酶收稿日期：2013-04-20基金項目：廣州市科技局項目(2010j1-e361);廣東省海洋漁業(yè)局項目(a201001d02 )作者簡介：王秋影(1987-)，女，內(nèi)蒙古興安盟人，蒙古族,碩士研究生，研究方向為微生物生物技術。 通訊作者：副教授 f 碩

7、士生導師 e-mail: liaomeide。8飼料博覽2013年第6期酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸和絲氨酸等；真核微 糖，很少生成木糖；外切- 1, 4- d-木聚糖生物木聚糖酶通常為糖基化酶糖類與蛋白質(zhì)共價 連接或與木聚糖酶形成可解離的復合體。糖基化是 對蛋白質(zhì)的重要修飾，有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能的作 用，同時糖基化也是酶應對非常環(huán)境并保持穩(wěn)定的手段 之一|9-10o4木聚糖酶的發(fā)酵調(diào)控技術研究影響木聚糖酶發(fā)酵生產(chǎn)的關鍵因素有產(chǎn)酶菌株 的性能、誘導物、培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基組成；其他次 要影響因素包括誘導物的水平、底物的易接近性、 釋放彳氐聚木糖的速率、酶與底物結合的緊密度、菌 體本身代謝所產(chǎn)生的酶等按照

8、發(fā)酵形式的不同，真菌木聚糖酶的發(fā)酵分 為固體和液體發(fā)酵兩種。一般采用未經(jīng)精制的農(nóng)副 產(chǎn)品為底物進行固體發(fā)酵，現(xiàn)在多采用價格低廉的 半纖維素，如麥軼、稻草、玉米軸穗、米糠、甘蔗 渣和玉米秸稈等；使用的菌種為木霉、曲霉、青 霉、耐堿嗜溫性桿菌等。解為低聚木糖，主要生成木二糖和木三糖等木寡3。酶(ec 2 )的目標位點在木聚糖和低聚木糖的非 還原端，產(chǎn)物是木糖；/ 木糖昔酶(ec 7 )的 目標位點在低聚木糖的還原端，水解產(chǎn)物是木糖殘 基，是唯一的可以催化降解木二糖的酶，其通過酶 解低聚木糖末端而釋放木糖殘基。狹義的木聚糖酶 僅限于內(nèi)切p -1. 4-d-木聚糖酶。木聚糖

9、是來源于木材、谷物以及其他植物的雜 合多聚分子，支鏈較多且取代基各不相同，因此完 全催化水解木聚糖就需要具有不同催化性能的特異 性酶類即支鏈酶的作用。這些酶主要有乙酰木聚 糖酯酶(ec 321.6)、葡萄糖醛酸苣酶(ec 3.2.11)和l 阿拉伯咲喃糖苜酶(ec 5 ) 等。其中，乙酰木聚糖酯酶的功能是催化水解乙酰 化木聚糖，協(xié)同作用于內(nèi)切木聚糖酶；后兩者催化 水解木聚糖的側(cè)鏈，加速低聚木糖的產(chǎn)生。2木聚糖酶的分子結構木聚糖酶的分子結構和理化性質(zhì)隨其來源不同 而有較大差別，一些木聚糖酶只含有單一的催化結 構域,另一些則同時具有催化和其他多種非催化結 構域。多結構域木聚糖酶分子中

10、含有承載不同生理 生化功能的催化結構域、熱穩(wěn)定結構域、錨走結構 域、木聚糖結合結構域、纖維素結合結構域、重復 序列、連接序列及其他未知功能的非催化結構域 等，這些結構域共同完成該酶對底物的催化降解。 作為木聚糖酶分類基礎的催化結構域承擔著酶的催 化水解功能。不同木聚糖酶分子的氨基酸組成種類 和數(shù)目差異較大，但其催化結構域大小基本一致； 決定催化特性的主導因素是天冬氨酸和谷氨酸在催 化區(qū)的特定位置。研究表明，同一族的木聚糖酶其 催化結構域具有同源性78】。3木聚糖酶的生化特性不同來源的木聚糖酶在相對分子質(zhì)量、酸堿穩(wěn) 定性、熱穩(wěn)定性、等電點、氨基酸組成、糖基化學 理化性質(zhì)存在相似性。微生物木聚糖酶

11、多數(shù)是簡單 的單亞基蛋白；不同來源的木聚糖酶通常在ph 3 10保持穩(wěn)定，最佳反應ph 47 ;細菌和真菌木聚 糖酶的最佳反應溫度為40-60 °c ,作用溫度較溫 和，不易對原材料中的營養(yǎng)物質(zhì)造成破壞,來源不kumar等在無菌條件下,利用水稻秸稈為底物 對原小單抱菌屬mars進行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)木聚糖酶 的研究，其木聚糖酶產(chǎn)量為85.0 u-g.ul2jo nawel等 利用分離自阿爾及利亞土壤中的反硝化瓊斯氏菌bn-13生產(chǎn)胞外木聚糖酶，在溫度為50 °c、ph 7.0 時酶活性最佳，在存在金屬離子時(如mnz.)酶活性 將增加，該菌株所產(chǎn)的胞外木聚糖酶具有很好的熱 穩(wěn)定性

12、，在50 °c處理7 h后仍可保持50%酶活性garai等利用麥隸作為基質(zhì)對白色曲霉進行了固體 發(fā)酵研究，研究表明，在試驗氮源中，硝酸披是最 佳氮源，培養(yǎng)時間、溫度、含水量等物理參數(shù)利用box-behnken法進行優(yōu)化，在最佳發(fā)酵條件下木聚 糖酶的最大活性為770 u g 1 (底物干重)，將木聚糖 粗酶制劑作用于硫加氨水白§木質(zhì)纖維素材料，如玉 米芯、麥秸、甘蔗渣以及銀膠菊，進行糖化，結果 表明，玉米芯產(chǎn)糖量最大，經(jīng)過響應面分析法優(yōu)化 后，其還原糖產(chǎn)量為438.47 mg-gi4)o walia等從蘑 菇堆肥中分離到纖維菌屬(cellulosimicrobium sp.)

13、 ckmx1 ,在35 °c&0的條件下可以產(chǎn)生木聚糖酶，用蘋果渣作為曲本發(fā)酵基質(zhì)，經(jīng)過對培養(yǎng)類 型、蘋果渣的顆粒大小、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)溫度、起 始ph以及接種量進行優(yōu)化后，其木聚糖酶最高活同的木聚糖酶其等電點在310 ;木聚糖酶的氨基 酸組成之間差異不是非常顯著，氨基酸主要有蘇氨飼料博覽2013年第6期http mw ww. c n 溫20以及竣甲基纖維素4個獨立的變量進行 化,此步驟優(yōu)化后木聚糖酶活性有了很大提高z達到 861.90 u-g-msu 5木聚糖酶的應用研究 5.1木聚糖酶在詞料工業(yè)中的應用飼料中一般含有阿拉伯木聚糖、b 葡聚糖、 a 半乳糖苜、果膠、纖維素等非

14、淀粉多糖。研究 發(fā)現(xiàn)，木聚糖是小麥、小麥軼以及黑麥中非淀粉 多糖（nsp ）的主要成分，單胃動物不能正常消化分 解這種多糖,從而使其成為一種抗營養(yǎng)因 制較為容易等優(yōu)點、并逐漸成為生產(chǎn)高品質(zhì)低聚 木糖的主要方法。隨著人們生活質(zhì)量的提高，低 聚木糖在保健品市場將具有很好的前景。目前，應用于食品工業(yè)領域中有關低聚木糖的商業(yè)木聚糖酶有荷蘭吉斯特布羅卡德斯公司的 rapidase pomaliq,丹麥諾維信公司的shearzyme和中國新華揚生物技術有限公司的sunzymes等対。 yuan等分離純化岀兩個來自枯草芽抱桿菌的木聚 燒踰 y/l t in y/l tt 和亦?"力桿1未鬆蛹艙 y

15、/l nm 不溶性膳食纖維一麥隸的降解活性，色譜分析結 果表明，酶解產(chǎn)物中含有麥軸氐聚木糖旳。fang等（40nsp能夠結合大量的水，使采食動物消化道中的食 糜體積增大，黏度增加，形成凝膠，嚴重干擾內(nèi) 源消化酶的功能，導致食糜在消化道中的滯留時 間延長，改變腸道微生物菌群（部分有害微生物異 常繁殖）、抑制動物生長、飼料消化率降低,表觀 代謝能受抑制。據(jù)報導，向飼料中添加木聚糖 酶,可有效改善飼料性能,降低或消除非淀粉多 分離純化出肉色曲霉m34胞外木聚糖酶，選用稻 殼半纖維素作為產(chǎn)低聚木糖的原料，用該木聚糖 酶進行降解，降解產(chǎn)物中可檢測到麥麹濮木 糖,結果表明，此麥軼木糖具有潛在的抗氧化活 性

16、，并且具有很好的雙歧菌增殖活性備。此外，木聚糖酶在果汁生產(chǎn)、面包品質(zhì)改 良、香料和色素的提取、咖啡生產(chǎn)、植物油生 產(chǎn)、淀粉生產(chǎn)及釀酒工業(yè)中也有廣闊的應用前景。糖引起的抗營養(yǎng)作用“珮唐勝球等研究結果5.3木聚糖酶在造紙工業(yè)中的應用麥草漿造紙中，可以減少氯用量20% ,并且可以改 善紙張品質(zhì)，提高紙漿白度3%6%的。陳艷希等 禾u用堿性木聚糖酶輔助漂白馬尾松硫酸鹽漿的研平均日增重和平均日采食量分別提高究表明，有效氯用量減少了 31% ,漂白廢水中可吸表明,飼料中通常含有多種抗營養(yǎng)成分,所以添加的酶一般是含有b 葡聚糖酶、纖維素酶和半乳糖 酶等的復合酶，前兩者協(xié)同作用，效果顯著問。在飼料中添加木聚糖

17、酶能有效提高飼料利用率和動物的生產(chǎn)性能。王利等研究表明，小麥基 礎飼糧中添加木聚糖酶可顯著改善飼喂小麥基礎 飼糧生長豬的生長性能和營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率（p< 0.05 ）, 了 26.0%和16.5% ,此外,還可維持腸道微生物菌群的 平衡,在木聚糖含量為11.2%的生長豬小麥基礎飼 糧中，木聚糖酶的適宜添加水平為2 000 u-kq-119o 郝瑞榮等報導,在低磷飼糧中添加木聚糖酶，i 促進斷奶仔豬對鈣、磷的消化利用及骨骼生長如。木聚糖酶可應用于紙漿漂白、生物制漿、廢 紙二次纖維回收、紙張表面處理及二次纖維脫墨 處理等，用木聚糖酶作為紙漿漂白劑助劑，不但 能減少氯用量減少環(huán)境污染，還可增

18、強其漂白性 能29】。慕娟等研究表明，將堿性木聚糖酶應用于附有機鹵化物（aox ）可降低25%刖。隨著技術的發(fā) 展，結合漂白工藝的改革，相信未來可進一步實現(xiàn)無氯漂白,解決紙漿工業(yè)中的環(huán)境污染問題，使造紙技術更環(huán)保、更高效。徐駿等報導，添加木聚糖酶0.05 %使試驗仔雞增重 提高，料重比降低怙5.2木聚糖酶在食品工業(yè)中的應用木聚糖酶能從富含半纖維素類的玉米芯、甘 蔗渣、小麥軼、秸稈等農(nóng)林廢棄物分解得到低聚 木糖。由于低聚木糖具有低熱量、低糖度的特 性，食用后不會導致血糖濃度的大幅上升，因而 可作為糖尿病或者肥胖癥患者的甜味劑。另外， 低聚木糖是難發(fā)酵性糖,不易造成舗齒。采用木 聚糖酶水解法生產(chǎn)低

19、聚木糖具有易于控制水解速 度及程度、反應專一性強、所得產(chǎn)物易分離、精5.4木聚糖酶在能源轉(zhuǎn)化方面的應用能源是人類活動的物質(zhì)基礎，人類社會的發(fā) 展離不開先進能源技術的使用和優(yōu)質(zhì)能源的開發(fā)。 當今世界能源短缺問題日益嚴峻，尋找新能源迫 在眉睫。燃料乙醇代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源被認為是解 決能源危機排放污染問題的有效方法之_。生 產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是甘蔗、玉米等，而目前 人類面臨著糧食危機，因此應用糧食生產(chǎn)燃料乙 醇沒有太大的實際意義図。我國是農(nóng)業(yè)大國，有豐飼料博覽2013年第6期富的農(nóng)產(chǎn)品廢棄物,其可再生纖維素資源作物秸稈 可用來開發(fā)燃料乙醇,這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益, 同時也可減輕工業(yè)對環(huán)境造成的污染，

20、促進自然界 中的碳素循環(huán)冋。木聚糖酶可與其他酶協(xié)同作用， 將植物纖維降解為戊糖和己糖,然后將其作為發(fā)酵 底物,進一步通過微生物作用產(chǎn)生乙醇創(chuàng)即。構建 乙醇發(fā)酵用工程菌、開發(fā)秸稈纖維酶法降解工藝、 優(yōu)化相關發(fā)酵工藝的研究等都為其工業(yè)化生產(chǎn)奠定 了基礎。周振利用木聚糖酶和纖維素酶協(xié)同降解玉 米秸稈，使糖化率達到54.79%阿。6展望隨著生物技術的不斷發(fā)展，木聚糖酶的研究開 發(fā)備受關注。木聚糖酶具有巨大的潛在應用價值， 但存在諸多問題，其中最受關注的問題是木聚糖酶 的生產(chǎn)成本較高。我國對木聚糖酶的研究起步較 晚，對其分子機理的研究與國外還有一定差距;難 以獲得優(yōu)良的高產(chǎn)菌株，原菌產(chǎn)酶量低等問題也使

21、其應用受到很大限制。隨著對菌種選育方法的不斷 改善以及基因工程、蛋白質(zhì)工程等現(xiàn)代生物技術手 段在木聚糖酶上的應用，將會有性能更加穩(wěn)定、活 性特質(zhì)更多、作用活性更高和使用范圍更加寬松的 木聚糖酶產(chǎn)生,從而有利于推動商業(yè)化應用的健康 快速發(fā)展。參考文獻1 song y, lee y g, choi i s, et al. heterologous expression of en-do-1, 4- 0 - xylanase a from schizophyllum commune in pichia pastoris and functional characterization of the r

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