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木聚糖酶综述

2012年第7期(总第164期)
叶波1,周娅琴2(1.浙江省临海市环境保护局,浙江 临海 317000;2.浙江省临海市富春紫光污水处理有限公司,浙江 临海 317000)
 
 
 
【摘 】 木聚糖酶是木聚糖降解酶系中最关键的酶,主要包括外切ß-1,4-木聚糖酶,内切ß-1,4-木聚糖酶和ß-木糖苷酶。木聚糖酶有多样性,催化等特性,由于木聚糖酶的本身特点以及生物的通性,在造纸、食品、饲料、纺织、医药、环境和能源等行业被广泛应用,而且随着对木聚糖酶的进一步深入研究,其有进一步扩大应用的可能性。
【关键词】 木聚糖  木聚糖酶  木糖  催化TQ041
 
1 木聚糖酶的理化性质[1-3]
  木聚糖酶(Xylanase)[EC 3.2.1.8]是指将木聚糖降解成低聚糖和木糖的一组酶的总称,是木聚糖降解酶系中最关键的酶。主要包括外切ß-1,4-木聚糖酶,内切ß-1,4-木聚糖酶和ß-木糖苷酶。其中外切ß-1,4-木聚糖酶[EC3.2.1.92]是以单个木糖为切割单位,它作用于木聚糖的非还原性末端,使反应体系的还原性不断增加。内切ß-1,4-木聚糖酶[EC3.2.1.8]是从木聚糖主链的内部切割ß-1,4糖苷键,使木聚糖溶液的黏度迅速降低,鉴于其特殊功能,内切ß-1,4-木聚糖酶多用于食品行业。ß-木糖苷酶[EC3.2.1.37]主要作用是切割低聚木糖和木二糖,有助于木聚糖彻底降解为木糖。该酶通过水解低聚木糖的末端来催化释放木糖残基。
不同来源的木聚糖酶在组成和催化性质上各不相同,但它们的理化性质有相似的地方。大多数微生物木聚糖酶为单亚基蛋白,分子量8~145kDa,等电点pI值3~10,最适作用温度为40~75℃。根据对几十种内切ß-1,4-木聚糖酶的分子量和等电点进行统计分析后发现,70%的酸性ß-1,4-木聚糖酶分子量在30kDa以上,而碱性ß-1,4-木聚糖酶分子量则多在30kDa以下。木聚糖酶     中ß-木糖苷酶有单聚体、二聚体或四聚体等组成形式,分子量为26~360kDa,pI值为3.3~7.3。其它一些特异性酶,如α-L-呋喃型阿拉伯糖苷酶多以单体形式存在,也有二聚体、四聚体、六聚体和八聚体等形式,分子量为53~495kDa,pI值为2.5~9.3 ;α-葡萄糖醛酸苷酶的分子量一般都大于100kDa,而pI值都小于4.0。
 
2 木聚糖酶的特性
2.1 木聚糖酶的多样性
    催化木聚糖降解的酶中,多样性现象普遍存在。Henrissat B.等人根据对催化功能域的保守氨基酸和疏水基簇分析,将木聚糖降解酶分成F族和G族。青紫链霉素(Streptomyces lividans)可以产生3种木聚糖酶,分别由不同的基因编码,其中x1yA属于F族,具有外切木聚糖酶和外切葡聚糖酶活性;x1yB和x1yC属于G族,具有水解低分子量木聚寡糖的活性[4]。此外Peter B.从黑曲霉的培养基中分离得到15种木聚糖酶,从绿色木霉(Trichoderma viride)的培养基中分离得到13种木聚糖酶[5]。多项研究表明,木聚糖酶的多样性现象是普遍存在的。
2.2 木聚糖酶的催化特性
  不同来源的木聚糖酶的催化特性有很大差异,它们有不同的最适作用pH和最适作用温度,金属离子对不同来源的木聚糖酶活性的影响也各不相同 。在木聚糖酶的活性中心含有多个能与底物结合的亚位点,这些位点的结构、大小、数量以及它们与催化基团的空间关系决定了该酶对不同底物的亲和力、专一性、作用方式及酶反应的动力学参数等[6]。例如:黑曲霉(A.niger)产生的木聚糖酶催化的反应产物中,对去除了阿拉伯糖残基的寡木糖作用很小或不起作用,可见该酶对主链上的取代基团有严格的要求[7]。而Trichoderma. Pseudokoningii产生的一种木聚糖酶可以从玉米枝叶细胞壁中降解20%的木糖残基,但是从大显枝叶细胞壁只能够降解10%的木糖残基,表明某些Trichoderma木聚糖酶对底物具有高度的选择性。另外曾宇成等对海枣曲霉木聚糖酶底物特异性的研究也表明木聚糖酶对不同底物的活性有很大差异[8]
 
3 木聚糖酶的研究近况及生产现状
  木聚糖酶的研究始于20世纪60年代。目前国际上研究工作主要集中在对微生物木聚糖酶的诱导与调节机理研究,以及酶的提纯、鉴定方法,木聚糖酶基因分子的克隆和表达[9-11] 等。而我国对木聚糖酶的研究主要集中在产木聚糖酶优良菌株的筛选和驯化、木聚糖酶的纯化和理化性质的研究[12,13] 等方面。
  当前,木聚糖酶主要通过真菌、细菌等微生物发酵生产获得。根据发酵工艺的不同,可分为固体发酵和液体发酵两种。这两种发酵方式各有其优缺点:固体发酵所用培养基相对便宜,主要以农副产品为主。且操作设备简单,整个生产过程中无废物产生,不存在环境污染问题,产率较高。易于在中、小企业推广应用,目前国内木聚糖酶生产主要采用固体发酵方式。但固体发酵同时也存在不易控制,酶系复杂,纤维素等酶含量高,难以精酶化等缺点;相比较而言,液体发酵由于是在液态环境中进行,菌体、底物、产物(包括热)均易于扩散,使得发酵能够在均质或拟均质条件下进行。该方法便于在生产过程中进行实时检测、控制,易于扩大生产规模。同时,由于液体输送方便,便于机械化操作,产品也易于提取精制。液态发酵工艺的缺点主要是对设备有一定要求及生产成本较高,技术要求也较为严格[14]。但随着生物技术的发展和木聚糖酶广泛应用,采用液体发酵生产木聚糖酶将成为今后发展方向。
 
4 木聚糖酶酶活的测定
    木聚糖酶的常用测定方法有DNS法,Somogyi-Nelson法和RBB-Xylan(Remazol Brilliant Blue R-n-Xylan)法,其中前两种方法是基于测定酶反应后释放出的还原糖量,第三种方法是基于从RBB-Xylan中释放出的染色碎片来测定。三种方法中DNS法应用较为广泛,Somogyi- Nelson法试剂有一定的毒性且测定值与DNS法测定值相比略微偏低,RBB-Xylan法测定结果准确性较高,并且可以排除其它相关酶的干扰,但是RBB-Xylan的价格昂贵[15-18]。在实际应用当中,DNS法以其操作简单,反应颜色稳定性好,测定结果精确等优点得到较多应用。
 
5 木聚糖酶的应用
  从上世纪60年代开始,随着木聚糖酶研究的不断深入,其应用领域也不断扩大,在造纸、食品、饲料、纺织、医药、环境和能源等行业被广泛应用,前景十分看好[19]
5.1 木聚糖酶在造纸上的应用
  木聚糖酶在造纸工业中的重要作用体现在其取代了有毒化学物质,通过酶法预处理可以回收造纸行业中有用的副产物等方面。造纸工业中通过木聚糖酶的使用,缩短了纸浆的处理时间,增加了纤维的分离度,使氯气等化学漂白剂更好地渗透到纸浆里,从而大大减少了化学漂白剂的用量并且使漂白效果得以提高。木聚糖酶在造纸工业中还应用于废纸脱墨这一重要环节,不仅使脱墨工艺变得容易,而且减少了化学药品的用量[20]
  木聚糖酶应用于纸浆生物漂白工艺过程,减少了氯气用量,减少致癌物质的排放,减轻环境污染,显著改善了纸浆的滤过性、脆性,增加了纤维的分离度、纸浆漂白度,降低了生产能耗,降低了生产成本,其诸多优点不断在造纸工业中显现出来。
5.2 木聚糖酶在食品上的应用
  木聚糖酶在食品行业中的应用主要体现在将天然半纤维素分解后得到低聚木糖这一环节。在面包的生产中,1/3的水分是面团中的戊聚糖吸收的,戊聚糖的高吸水性对面团和面包的质量有明显的影响。在新鲜蔬菜、水果加工成婴儿食品、膏状物、干燥蔬菜粉末和速溶食品时,营养物质通常被一层坚硬的半纤维素、果胶等物质组成的细胞壁所包围,如果对其用含有纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶的酶制剂来处理,就可在比较温和条件下使组织柔化,使细胞破壁,将有效物质充分提取出来。与此同时也降低了提取液的粘度,使生产过程中的浓缩、干燥效率成倍提高,相应降低生产成本。
5.3 木聚糖酶在饲料中的应用
  木聚糖酶在饲料资源开发和提高廉价副产品的利用率方面具有广阔的前景。饲料中通常含有较多的非淀粉多糖,主要包括阿拉伯木聚糖、ß-葡聚糖、α-半乳糖苷、果胶、纤维素等。其中阿拉伯木聚糖和ß-葡聚糖占非淀粉多糖的30%,因为单胃动物不能分解非淀粉多糖,所以非淀粉多糖就成为一种抗营养因子[21]。非淀粉多糖能结合大量的水,使采食动物消化道中的食糜体积增大,粘度增加,并形成凝胶,结果造成消化酶的功能不能正常进行,影响肠胃的吸收,造成食糜在小肠中滞留,从而引起微生物异常繁殖,造成动物生长受阻、饲料转化率降低。研究表明,饲料中如果添加木聚糖酶,可显著降低阿拉伯木聚糖分子大小,将其分解成较小聚合度的低聚木糖,从而改善饲料性能,消除或降低因粘度增加而引起的抗营养作用[22]。由于饲料中一般含有多种抗营养成分,所以添加的酶一般是含有多种酶成分的复合酶,例如ß-葡聚糖酶、纤维素酶、半乳糖酶等,特别是ß -葡聚糖酶,它与木聚糖酶协同作用,效果非常显著[23]。综上所述,木聚糖酶在饲料资源的开发和利用率的提高方面具有广阔的应用前景。
5.4 木聚糖酶在纺织上的应用
  我国是世界苎麻的主要生产国,苎麻纤维是一种优良的纺织原料。木聚糖酶在纺织工业中也发挥着重要的作用。苎麻中除纤维素外,还含有半纤维素、果胶物质和木质素等,后三种统称为胶质,苎麻中含有25%~30%的胶质,木聚糖酶在苎麻生产中扮演脱胶的角色。纺纱前必须将这些胶质除去,并使苎麻单纤维分散,这一过程称为脱胶。传统的脱胶采用化学法,需要强酸、强碱,并要求高温、高压的处理条件,生产环境差,并造成环境污染,还因特异性不强而损坏纤维。中国科学院遗传研究所将木聚糖酶与果胶酶复配试验用于苎麻脱胶取得了良好的效果,酶法脱胶后残胶率小于1%,并改善了劳动条件,减少环境污染,减轻对纤维的损伤,木聚糖酶在纺织工业中的应用有着重大意义。
5.5木聚糖酶在能源转化及其他方面的应用
  据报道[24],木聚糖酶可与其它酶共同参与使植物降解为戊糖、己糖,再用其它菌株发酵生产乙醇。也有报道发现能把植物纤维直接转化为乙醇的一些菌株,如Thermbacteroides acetoethylicus ,Clotridium thermosaccharolyticum [25]。另据报道,木聚糖酶在去污洗涤,医药制造,以及在果实成熟、种子萌发、真菌的寄生及植物的抗性等诸多生理过程中都有着重要的应用[26]
 
6 国内研发现状及市场前景展望
  与国外相比,国内在木聚糖酶方面的研究起步较晚,主要集中于海枣曲霉、黑曲霉、木霉菌、青霉菌等真核微生物和短小芽孢杆菌、串珠链孢菌、链霉菌、环状芽孢杆菌、碱性假单胞菌等原核微生物木聚糖酶的研究。目前为止,国内学者报道对木聚糖酶的研究基本上还仅限于对产木聚糖酶天然优良菌株的筛选、酶的纯化和一些酶学性质研究方面,只克隆了少数木聚糖酶基因[27]。由于木聚糖酶具有重要的应用价值以及在生物工程技术的重要地位,现在己经有越来越多的科研人员致力于木聚糖酶的开发研究,如高产菌株的选育、工程菌的构建、优化培养条件、无纤维素酶污染的木聚糖酶等。
 
参考文献
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