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木聚糖酶的特性及應(yīng)用前景
一、木聚糖酶
木聚糖酶（1牞4－β－D－xylanxylanohydrolase,EC．3．2．18）是一類木聚糖降解酶系，屬于水解酶類，包括內(nèi)切β－木聚糖酶、外切β－木聚糖酶和β－木二糖苷酶。木聚糖是以木吡喃糖為單位的由β－1．4 鍵連接的半纖維素，富含于闊葉樹和大多數(shù)一年生植物體內(nèi)，半纖維素在自然界中含量占生物量的30％，是一種重要的可再生資源，僅次于纖維素。已知木聚糖酶可以由多種生物合成，以微生物為主。
木聚糖酶可以應(yīng)用在能源工業(yè)中，促進(jìn)生物量轉(zhuǎn)化，也可作為食品、飲料工業(yè)用酶制劑。應(yīng)用在保健品等方面，可以用于水解農(nóng)業(yè)有機(jī)廢料生產(chǎn)酒精，也可在制漿造紙中用于預(yù)漂白?，F(xiàn)在已知能夠產(chǎn)生木聚糖酶的菌種包括細(xì)菌、真菌、黑曲酶、木霉等，不同來源的木聚糖酶的催化特性是有差異的，有不同的最適pH和最適作用溫度，金屬離子對不同來源的木聚糖酶活性的影響各不相同。木聚糖酶水解木聚糖主鏈骨架的β－1．4糖苷鍵，其水解產(chǎn)物主要為低聚木糖，少量的木糖和阿拉伯糖。產(chǎn)木聚糖酶的菌株往往同時產(chǎn)生一定量的纖維素酶。相關(guān)研究表明木聚糖酶在果實(shí)的成熟、種子的萌發(fā)、真菌的寄生以及植物的抗性等諸多生理過程中也起著重要的作用。
二、對木聚糖酶的國內(nèi)外研究進(jìn)展
??木聚糖的酶法降解在食品工業(yè)、飼料工業(yè)、制藥工業(yè)等眾多行業(yè)中有著十分誘人的應(yīng)用前景，尤其是最近在造紙工業(yè)中成功的運(yùn)用這種酶進(jìn)行預(yù)漂白處理，使得木聚糖酶的廠家成為了一個熱點(diǎn)，并取得了一系列重要的進(jìn)展。對于各種產(chǎn)木聚糖酶的菌體，包括細(xì)菌、真菌、霉菌等，人們對它們的各方面性質(zhì)和發(fā)酵特性都進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對于它們各自所產(chǎn)生的木聚糖酶的使用特性也進(jìn)行了探索，包括最適溫度、最適pH等，已經(jīng)可以動用發(fā)酵工程技術(shù)得到各種木聚糖酶產(chǎn)品。人們通過研究發(fā)現(xiàn)，由于木聚糖是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非均一多糖，含有許多不同的取代基，使得木聚糖的生物降解需要一個復(fù)雜的酶系統(tǒng)中不同組分的相互協(xié)作，使菌體產(chǎn)生的木聚糖酶是一組酶，而非一種酶，在木聚糖的生物降解中具有不同催化功能的酶之間的協(xié)同增效作用是十分明顯的。同時人們還發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶多為誘導(dǎo)酶，誘導(dǎo)物對于酶的生成和酶活水平的高低影響較大。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和眾多新的試驗(yàn)方法的引入，對木聚糖酶的研究已經(jīng)達(dá)到了分子生物學(xué)基因工程的水平，已有許多來自真菌和細(xì)菌的木聚糖酶基因被克隆并在大腸桿菌中獲得了表達(dá)。克隆的基因一般使用自身所帶的啟動子在受體菌中表達(dá)，但是酶的表達(dá)水平比在原始菌株中下降了不少。原來能分泌到細(xì)胞外的酶液汁有少數(shù)在受體中能繼續(xù)維持分泌性能，與信號肽的有無沒有關(guān)系，其機(jī)制尚不清楚，有人推測與木聚糖酶本身的性質(zhì)有關(guān)，但沒有確切的證據(jù)。
目前已發(fā)現(xiàn)的木聚糖酶基因有xynA、xynB、xynC、xynZ等。研究較多的是xynA，但主要局限于細(xì)菌中的xynA的克隆和表達(dá)，xynA在大腸桿菌中表達(dá)但不分泌到細(xì)胞外。Donald等首次將嗜熱細(xì)菌的ynA克隆到釀酒酵母菌并進(jìn)行了表達(dá)，分泌至培養(yǎng)液中的具有活性的木聚糖酶達(dá)10mg／l，他們還嘗試將不同的強(qiáng)啟動子引入表達(dá)載體以提高木聚糖酶的產(chǎn)量。Bergquist等對Dther?mophilum Rt46B．1及ThermotogaFJSS3．B1的xynA（DxynA和TxynA）進(jìn)行了一系列研究，首先在大腸桿菌中克隆和表達(dá)，兩者的xynA均為單一完整的開讀框架，前者約為 1．5kb，編碼蛋白為352個氨基酸，最適溫度為85℃，最適pH為6．5，后者約為1． 1kb，編碼蛋白質(zhì)為346個氨基酸，有極高的熱穩(wěn)定性和高的pH范圍。Tsujibo等從S．??ThermoviolaceusOPC－520克隆到兩個木聚糖酶基因STX－I和STX－II，并分析了其序列和開讀框架，這兩個基因分別編碼476個氨基酸和335個氨基酸的蛋白質(zhì)，分屬于兩個不同的木聚糖酶家族。它們的催化域與各自家族成員有高度的同源性。Dwivedi等從嗜熱菌Rt8B．4中克隆了木聚糖酶基因xynA，其中一個重組體含有6．7kb的插入片斷，包括多個ORF（OpenReadingFramePre?diction：開讀框架），xynA在2599～4653bp之間，編碼含有多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，縮減分析及在大腸桿菌中表達(dá)表明羧基端結(jié)構(gòu)域與木聚糖酶活性有關(guān)，該片斷的表達(dá)產(chǎn)物為30 kD，酶活性在pH7．0、溫度70℃時至少穩(wěn)定12小時，具有一定的應(yīng)用價值。
不同來源的木聚糖酶的氨基酸組成在數(shù)量上變化很大，其催化區(qū)與纖維素酶無同源性，表明是由不同的祖先進(jìn)化而來的，某些來源的木聚糖酶含有兩個催化區(qū)。木聚糖酶活性位點(diǎn)的氨基酸與纖維素酶的相似，主要為色氨酸和羧基氨基酸，有的還含有半胱氨酸，它們或參與底物的結(jié)合，或參與酶的催化。
??國內(nèi)對木聚糖酶的研究起步較晚，但由于其良好的應(yīng)用前景發(fā)展較快，已有多家單位進(jìn)行了許多不同的研究開發(fā)工作。山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院依靠自己在發(fā)酵領(lǐng)域和功能性生物制品領(lǐng)域的雄厚經(jīng)驗(yàn)和人才優(yōu)勢，在所承擔(dān)的國家“九五”
科技攻關(guān)課題“酶法生產(chǎn)低聚木糖”的進(jìn)行中對細(xì)菌產(chǎn)木聚糖酶進(jìn)行了全面的研究工作，他們篩選到一株產(chǎn)木聚糖酶的芽孢桿菌，進(jìn)行了菌種選育、分類鑒定、培養(yǎng)條件優(yōu)化、酶性質(zhì)的研究、中試生產(chǎn)和在生產(chǎn)低聚木糖上的應(yīng)用研究等一系列的工作，取得了詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和完整的低聚木糖生產(chǎn)工藝，完成了從菌種到酶再到低聚木糖的全部課題任務(wù)，被眾多專家學(xué)者認(rèn)為其研究成果具有世界先進(jìn)水平。合肥聯(lián)合大學(xué)獲得產(chǎn)木聚糖酶的黑曲酶菌株A3，所產(chǎn)酶最適反應(yīng)溫度55℃，最適反應(yīng)pH4．6，液體發(fā)酵酶活達(dá)到350μ／ml，固體發(fā)酵酶活邊達(dá)到5000μ／ml。山東大學(xué)微生物系國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究獲得產(chǎn)酸性木聚糖酶的菌株黑曲霉An－76和產(chǎn)堿性木聚糖酶的菌株嗜堿細(xì)菌Cb－2，搖床試驗(yàn)產(chǎn)木聚糖酶分別為350μ／ml和300μ／ml。無錫江南大學(xué)2000年報(bào)道，他們已經(jīng)UV和NTG方法誘變篩選出一株假單胞菌，命名為WLUN024，發(fā)酵初始最適pH6．5～8．5之間，發(fā)酵最適溫度37℃。雖然國內(nèi)眾多研究單位的木聚糖酶的活力數(shù)據(jù)有很大的差別，但不能僅僅憑酶活力一項(xiàng)來判斷各家的酶的優(yōu)劣，因?yàn)槟揪厶敲甘且粋€很大的概念，各家所用的菌種不同，所得到的木聚糖酶的就不同，木聚糖酶的應(yīng)用范圍也就不同，如飼料工業(yè)所需的木聚糖酶是偏酸性的，對酶解產(chǎn)物基本沒有要求；用來生產(chǎn)低聚木糖的木聚糖酶的要求就要嚴(yán)格一些，它要求酶的最適pH要盡量接近中性，以減少后處理的程序，降低成本，對于酶解產(chǎn)物的要求是單糖含量越少越好，最好是不含木單糖，以低聚木糖的含量占絕對優(yōu)勢為最佳。三、木聚糖酶應(yīng)用的研究與開發(fā)科學(xué)研究的一個重要目的是轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，具有優(yōu)越的應(yīng)用前景的研究往往會成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，木聚糖酶也不例外。國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和人員之所以對木聚糖酶表現(xiàn)出極大的興趣，就是因?yàn)槟揪厶敲冈诒姸嘈袠I(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
木聚糖酶在當(dāng)前最被看好的應(yīng)用前景是在生產(chǎn)燃料方面。國際上利用植物資源生產(chǎn)酒精成為了主要方向。在1991年美國運(yùn)用基因重組技術(shù)成功的培養(yǎng)出可同時發(fā)酵五碳糖和六碳糖的微生物菌株后，使植物纖維水解生產(chǎn)酒精的扶持到了很大的發(fā)展。水解植物纖維的方法包括酸解法和酶解法，用生物酶制劑水解植物纖維比酸解法具有極大的優(yōu)勢和實(shí)際應(yīng)用效果。用纖維素酶和木聚糖酸協(xié)同作用可以將植物纖維徹底水解為單糖，再運(yùn)用基因工程和發(fā)酵工程生產(chǎn)酒精，是現(xiàn)在燃料酒精研究開發(fā)的熱點(diǎn)和最為推崇的一種生產(chǎn)工藝，已有眾多的科研機(jī)構(gòu)、院校對這一方向進(jìn)行了多方面深入的研究和開發(fā)。
木聚糖酶另一個很重要的用途為飼料工業(yè)。飼料被動物攝入后，各種營養(yǎng)成分不可能被動物完全吸收利用。飼料的主要成分為農(nóng)物秸稈（稻草、麥草、玉米秸、紅薯蔓、豆蔓等），結(jié)構(gòu)緊密，含有大量的纖維素、半纖維素，而且纖維素被木質(zhì)素和硅酸鹽包著，動物消化液難以接觸、分解，所以利用率低。同時，飼料中的大分子營養(yǎng)成分也不可能完全被動物的消化液分解成小分子物質(zhì)而被動物所吸收。半纖維素的主要成分木聚糖，是一種非淀粉多糖（NSP），不能被單胃動物消化；具有可溶性，可導(dǎo)致單胃動物的小腸黏度提高，最終使消化受阻。木聚糖酶能破壞植物的纖維組織。將木聚糖分解成木糖，為動物所利用；并降低腸內(nèi)的黏度，提高飼料利用率。通常該酶與α－淀粉酶、蛋白酶等酶制劑成復(fù)合酶，特別適合添加于采用小麥和大麥為基礎(chǔ)的家禽日糧。小麥和大麥含有較高的非淀粉多糖，玉米則含非淀粉多糖很少。目前，世界各國約80％的肉雞小麥基礎(chǔ)日糧均添加該復(fù)合酶制劑，其效果與被認(rèn)為是肉雞和其他家禽最佳飼料的玉米－豆粕日糧相同。我國飼料工業(yè)是個大行業(yè)，2000年配合飼料產(chǎn)量達(dá)到65 00萬噸，如果全部加酶，添加量以0．1％計(jì)，需要65000噸酶制劑，對酶制劑的需求量是很大的。飼料中添加木聚糖酶還可以減少動物結(jié)腸炎的發(fā)生，同時低聚木糖對人體的保健作用對動物同樣適用，用木聚糖酶分解飼料中的木聚糖產(chǎn)生低聚木糖用于調(diào)節(jié)動物腸道的微生態(tài)環(huán)境，可以減少抗生素等獸藥的使用量，減少殘留，增強(qiáng)我國畜產(chǎn)品在國際市場上的實(shí)力，擴(kuò)大出口。
木聚糖酶還有一個重要用途為食品工業(yè)，新鮮蔬菜、水果是富含維生素營養(yǎng)的食品，一般可直接食用，但要加工成嬰兒食品、膏狀物、干燥蔬菜粉末和速溶食品等，主要是利用其嫩軟組織中所有的物質(zhì)。而這些物質(zhì)被一層堅(jiān)硬的細(xì)胞壁所包圍，成熟的細(xì)胞壁主要是由纖維素、半纖維素、果膠等物質(zhì)組成。常見的生產(chǎn)方法是將果蔬榨汁或?qū)⑺鼈兘萑≈?。再進(jìn)行冷凍干燥或直接噴霧等。這樣一方面被纖維素、半纖維素、果膠包裹的淀粉蛋白質(zhì)、油脂、色素、精油、香料、維生素等不能充分提取，如果采用蒸煮、酸堿等法，使組織柔化來充分提取，會使維生素等遭到破壞，色、香、味發(fā)生變化，很不合理；另一方面可溶性的木聚糖、果膠都是黏性物質(zhì)，會造成提取液黏度過大給后來的濃縮干燥等帶來困難。如果采用含有纖維素酶、木聚糖酶、果穩(wěn)定酶的制劑來處理，則可在極溫的條件下使組織柔化，使細(xì)胞破壁，將有效物質(zhì)充分提取出來，同時大大地降低提取液的黏度，而黏度的降低，可使生產(chǎn)中的濃縮或干燥效率成倍提高，也相應(yīng)降低生產(chǎn)成本，在果汁生產(chǎn)過程中，特別是用超濾的方法來生產(chǎn)濃縮蘋果汁，單獨(dú)使用果膠酶是不夠的，往往在這種酶中添加一定比例的木聚糖酶，來分解其中的阿拉伯木聚糖，這樣可提高超濾濃縮速度，減少膜的清洗次數(shù)，明顯地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。小麥和黑麥加工成粉后，其中的非淀粉多糖是戊聚糖，這種戊聚糖主要成分是阿拉伯木聚糖，約占 2％～3％，其中水浸出性阿拉伯木聚糖約占20％～30％，水不可溶性阿拉伯木聚糖約占70％～80％，在面包的生產(chǎn)中，1／3的水分是面團(tuán)中的戊聚糖吸收，這種戊聚糖的高吸水性被認(rèn)為對面團(tuán)和面包的質(zhì)量有顯著的影響。由于它們的高的水結(jié)合能力，它們參與面包吸水過程。木聚糖酶通過與面粉中的可溶性及不可溶性戊聚糖發(fā)生反應(yīng)而提高面筋網(wǎng)絡(luò)的彈性，從而改善面團(tuán)的加工及穩(wěn)定性能，改善面包瓤的組織結(jié)構(gòu)，增大面包體積。在各種面包加工中，該酶可以取代乳化劑或與之配合使用。由于該酶不含有α－淀粉酶，為獲得最佳效果，該酶應(yīng)與真菌淀粉酶配合使用。在農(nóng)作物副產(chǎn)品中，玉米芯的碳水化合物中半纖維素含量達(dá)32．5％，這種半纖維素主要是木聚糖，將其中的木聚糖提出，將它分解成低聚糖或單糖———木糖，可做食品添加劑或醫(yī)藥產(chǎn)品，也可作中間產(chǎn)品進(jìn)行一步轉(zhuǎn)化，以往從玉米蕊中提取木糖的方法是采用硫酸酸解法，這種方法雖然比較經(jīng)濟(jì)，但對環(huán)境污染很大，同時提取時產(chǎn)生很多副反應(yīng)，損害了產(chǎn)品的可接受性，用木聚糖酶酶促分解木聚糖為低聚木糖或木糖可以做到清潔生產(chǎn)，同時產(chǎn)品得率高，副產(chǎn)物少，后續(xù)精制提取容易，商品價格低，質(zhì)量高，優(yōu)勢十分明顯。
木聚糖酶在保健品方面的應(yīng)用主要指用來生產(chǎn)功能性低聚木糖。低聚糖又稱寡糖，是指2～10個單糖以糖苷鍵連接，形成直鏈或支鏈的低聚合度的糖類總稱。由于單糖分子結(jié)合的位置和結(jié)合的類型不同，低聚糖種類繁多。目前已知達(dá)1000種以上，它們的結(jié)構(gòu)特征和功能特性不盡相同。根據(jù)低聚糖是否具有保健功能可將其分為普通低聚糖和功能性低聚糖兩大類。功能性低聚糖是指在人體腸道中沒有水解那些低聚糖的酶系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈儾槐蝗梭w消化吸收而直接進(jìn)入大腸內(nèi)優(yōu)先為雙歧桿菌利用，是雙歧桿菌的增殖因子，如低聚木糖、低聚果糖等。功能性低聚糖具有良好的生理學(xué)功能，同時具有與蔗糖相似的物理化學(xué)特性，因而已作為一類新型保健型甜味劑而逐漸受到了越來越多的重視。截至1995年底，全世界約有20多家公司正在商業(yè)化生產(chǎn)各種低聚糖。約有50％的產(chǎn)品用于飲料業(yè)，其他的主要用在嬰兒配方食品、糖果業(yè)和奶制甜食中。低聚糖工業(yè)在我國剛剛起步，就以超常的速度發(fā)展壯大起來，許多極具規(guī)模與實(shí)力的企業(yè)紛紛投資低聚糖市場，從而也帶動了相關(guān)的酶制劑市場的發(fā)展。低聚木糖在眾多低聚糖中，就增殖雙歧桿菌來說效果是最好的，成人每日的服用量只要達(dá)到0．7克，就有明顯的增殖效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他低聚糖的服用量（如低聚果糖的服用量為13克左右／天）。
據(jù)報(bào)道，1998年在世界工業(yè)用酶近20個品種占有市場份額中木聚糖酶排在第7位，占總銷售額約9％，年銷售額約1．4億美元。目前在我國銷售木聚糖酶的廠商有諾維信公司、華芬飼料酶有限公司等。
四、前景
木聚糖酶的研究、應(yīng)用歷史并不長，但取得的成果是巨大的，我國在木聚糖酶方面現(xiàn)在是落后于國際水平，但在某些行業(yè)和領(lǐng)域我們還是有一定的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，并有著十分廣闊的應(yīng)用前景的。
飼料行業(yè)是以含木聚糖酶的多酶復(fù)合物作為飼料添加劑來使用，可大量節(jié)省飼料用量，中國入世后，中國的家畜養(yǎng)殖業(yè)會有一個大的發(fā)展機(jī)遇，飼料行業(yè)又會有一個大發(fā)展，市場潛力廣闊。但飼料行業(yè)是一個低價行業(yè)，主要靠量來保證利潤，所以對于飼料用酶制劑行業(yè)，控制酶制劑價格就是一個重點(diǎn)，并且中國的飼料業(yè)被幾個大的飼料生產(chǎn)集團(tuán)所控制，飼料配方均為固定化的，飼料用酶制劑新產(chǎn)品的推廣阻力很大，還有待相關(guān)的企業(yè)去進(jìn)行有效的市場開發(fā)工作。
對于低聚木糖行業(yè)，中國的普通消費(fèi)者對低聚糖的認(rèn)知程度不高，對低聚糖的優(yōu)良性質(zhì)還不夠了解，在普通消費(fèi)者中間普及低聚糖的知識還需要一個階段，所以目前的國內(nèi)低聚糖市場還是以大型食品企業(yè)為主要客戶，這樣就很難體現(xiàn)出低聚木糖與其他低聚糖的性質(zhì)區(qū)別。對于國際市場，日本三得力公司早已開始了低聚木糖的工業(yè)化生產(chǎn)，技術(shù)成熟，市場穩(wěn)定，中國的低聚木糖產(chǎn)業(yè)不應(yīng)重復(fù)以往緊緊依靠出口的錯誤做法，在進(jìn)軍國際市場的同時，努力地去做好國內(nèi)市場，中國有13億人口，一旦低聚木糖得到了認(rèn)可，其前景是可想而知的。
就食品行業(yè)而言，應(yīng)用前景是有的，但是就像低聚木糖的狀況一樣，希望存在但困難不小，也存在一個市場的認(rèn)可問題，這并不是短時期可以改變的。就技術(shù)本身而言不存在太大的可以預(yù)見的不可解決的技術(shù)難題，但食品方面的應(yīng)用和醫(yī)藥品一樣，需要做很多非發(fā)酵方面的試驗(yàn)，國家控制的也較嚴(yán)格一些。
今后我們的發(fā)展方向應(yīng)從目前已取得成功的中試階段，向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)，將木聚糖酶的研究向縱深擴(kuò)展，改變目前一家科研單位開發(fā)的一種木聚糖酶只是在某一領(lǐng)域得到應(yīng)用的現(xiàn)狀，將已有的木聚糖酶品種的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，同時在酶的復(fù)配應(yīng)用上進(jìn)行研究和探索，改變酶制劑成品種酶的種類單一的傳統(tǒng)模式。同時采用先進(jìn)的生物工程技術(shù)、包括基因工程、蛋白質(zhì)工程等，結(jié)合傳統(tǒng)的菌種改進(jìn)工藝，在酶活力提高方面取得創(chuàng)新。酶活力是一種酶品種在同行業(yè)處于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵，提高成品酶制劑的活力有積極的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)利潤?，F(xiàn)代生物工程技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新成果、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，為我們的實(shí)驗(yàn)室工作創(chuàng)造了良好的條件，我們要積極把握機(jī)遇，盡可能快的把已有的技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 |
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