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    《食品安全導刊》刊號:CN11-5478/R 國際:ISSN1674-0270

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    木聚糖酶的應用及其研究進展

    2014-10-27 13:42:33 來源: 中國食品報

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      木聚糖酶是一種重要的工業酶制劑,現已從多種生物體中分離到大量的不同類型和功能的木聚糖酶,已經在造紙、飼料、食品和釀酒行業被廣泛應用。該文就木聚糖酶的來源、分類、結構、應用等方面的研究現狀和進展進行了綜述,并對其應用前景進行了展望。

      木聚糖酶概述

      半纖維素是聚合碳水化合物,是在植物細胞壁中與纖維素緊密結合的幾種不同類型的多糖混合物,包括有木聚糖、葡萄糖甘露聚糖、阿拉伯木聚糖、木葡聚糖、半乳葡萄甘露聚糖等多種組分。半纖維素是自然界中第二大豐富的多聚糖,而木聚糖是半纖維素中的主要成分,它在被子植物中占干重的15%—30%;在裸子植物中木聚糖含量占7%—12%。

      木聚糖是一種復雜的多糖類物質,其主干由β-1,4-糖苷鍵將β-D-吡喃木糖連接成多聚物;在多聚物主鏈β-D-吡喃木糖殘基的O-2或O-3位置上連有4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸、α-L-阿拉伯糖等,其中軟木木聚糖結構上前者含量較高;同時其C2或C3常常會被乙?;?,被子植物如硬木的木聚糖中有70%—80%在C2或C3上被乙?;?,這影響了木聚糖在水中的可溶性,也就意味著自然界中有很大部分的木聚糖很難被分解利用。木聚糖酶是一種可將木聚糖降解成低聚木糖和木糖的多組分復合酶系,在半纖維多聚糖資源的利用以及工業應用方面有巨大潛力。

      木聚糖酶的來源

      木聚糖的結構復雜,在主鏈上常常連有種類不一的支鏈,因而要降解利用木聚糖,亦需要相應的各種酶的作用。木聚糖酶廣義上說是一種多聚復合酶,是能降解木聚糖的一類酶的總稱。它在自然界中來源極為廣泛,存在于細菌、真菌、蝸牛、甲殼動物、反芻動物、海洋藻類、陸地植物組織等。被報道的產木聚糖酶的微生物有木霉、曲霉、青霉、鏈霉菌、細菌等,其中被研究較多的是木霉、曲霉、細菌所產生的木聚糖酶,且不同來源的木聚糖酶,它們的酶學性質也有所差異。

      木聚糖酶的分類

      廣泛意義上的木聚糖酶主要包括有三類:外切-β-1,4-木聚糖酶(EC 3.2.1.92),該酶作用于寡聚木糖及木聚糖的非還原端;內切-β-1,4-木聚糖酶(EC 3.2.1.8),是降解木聚糖最主要的酶,作用于β-1,4-木聚糖的主鏈內部切割β-1,4-糖苷鍵,該酶從不同位點上切割木聚糖和長鏈的寡聚木糖,并產生木二糖及低聚木糖等水解產物;β-1,4-木糖苷酶(EC 3.2.1.37),通過水解低聚木糖的末端來催化釋放木糖殘基。狹義的木聚糖酶則指的是內切-β-1,4-木聚糖酶。

      木聚糖酶的結構

      木聚糖酶來源廣泛、結構復雜,若按照糖苷水解酶催化區域的氨基酸序列同源性和疏水性分析,則糖苷水解酶類可被分成多個家族。經研究發現,根據水解酶分類系統木聚糖酶主要包含有G/11和F/10家族水解酶類。F/10家族木聚糖酶包含有內切-β-1,4-木聚糖酶、內切-β-1,3-木聚糖酶等,其分子量相對較大,pI值較小,可以作用于對硝基苯纖維二糖和對硝基苯,低聚木糖是底物降解的主要產物;G/11家族木聚糖酶單一,pI值較大,分子量一般較小,對木聚糖的特異性相對較高,且其酶解產物主要為木糖。當然在糖苷水解酶類5、7、8、16、26、43、52、62家族中也發現有些有木聚糖酶活性。

      木聚糖酶,據其基因結構及功能的分析表現出,有些木聚糖酶僅含催化區(CD),有些則除了含有催化區外,還可能含有一些非催化區,如纖維素結合區(CBD)、木聚糖結合區(XBD)、熱穩定結構區、連接序列及其他未知功能的非催化區以及催化區等。

      木聚糖酶的應用

      木聚糖酶在飼料中的應用

      在谷物細胞壁中含有阿拉伯木聚糖等抗營養因子,從而會影響家禽對營養的吸收。木聚糖酶伴隨著葡聚糖酶、果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、植酸酶等運用于動物飼料中,這些酶能夠破壞阿拉伯木聚糖等抗營養因子的完整性,從而減小原材料的黏度,促進動物對飼料營養物質的消化吸收。廖細古等發現:在以玉米-豆粕-雜粕型為基礎日糧,分別在基礎日糧上添加250g/t和500g/t的木聚糖酶,結果整個階段的肉鴨生長增重分別比對照組增加了2.77%和4.96%,料重比分別下降了1.85%和2.11%,得出使用木聚糖酶對肉鴨的生產性能有一定的提高。龔敏等通過在日糧中加入阿拉伯木聚糖酶來研究仔豬生理生化指標變化情況,得出在日糧內添加阿拉伯木聚糖酶能提高斷奶仔豬的日增重,并且影響仔豬生長性能和相關血液的生化指標。

      木聚糖酶是一種重要的工業酶制劑,現已從多種生物體中分離到大量的不同類型和功能的木聚糖酶,已經在造紙、飼料、食品和釀酒行業被廣泛應用。該文就木聚糖酶的來源、分類、結構、應用等方面的研究現狀和進展進行了綜述,并對其應用前景進行了展望。

      木聚糖酶概述

      半纖維素是聚合碳水化合物,是在植物細胞壁中與纖維素緊密結合的幾種不同類型的多糖混合物,包括有木聚糖、葡萄糖甘露聚糖、阿拉伯木聚糖、木葡聚糖、半乳葡萄甘露聚糖等多種組分。半纖維素是自然界中第二大豐富的多聚糖,而木聚糖是半纖維素中的主要成分,它在被子植物中占干重的15%—30%;在裸子植物中木聚糖含量占7%—12%。

      木聚糖是一種復雜的多糖類物質,其主干由β-1,4-糖苷鍵將β-D-吡喃木糖連接成多聚物;在多聚物主鏈β-D-吡喃木糖殘基的O-2或O-3位置上連有4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸、α-L-阿拉伯糖等,其中軟木木聚糖結構上前者含量較高;同時其C2或C3常常會被乙?;?,被子植物如硬木的木聚糖中有70%—80%在C2或C3上被乙?;?,這影響了木聚糖在水中的可溶性,也就意味著自然界中有很大部分的木聚糖很難被分解利用。木聚糖酶是一種可將木聚糖降解成低聚木糖和木糖的多組分復合酶系,在半纖維多聚糖資源的利用以及工業應用方面有巨大潛力。

      木聚糖酶的來源

      木聚糖的結構復雜,在主鏈上常常連有種類不一的支鏈,因而要降解利用木聚糖,亦需要相應的各種酶的作用。木聚糖酶廣義上說是一種多聚復合酶,是能降解木聚糖的一類酶的總稱。它在自然界中來源極為廣泛,存在于細菌、真菌、蝸牛、甲殼動物、反芻動物、海洋藻類、陸地植物組織等。被報道的產木聚糖酶的微生物有木霉、曲霉、青霉、鏈霉菌、細菌等,其中被研究較多的是木霉、曲霉、細菌所產生的木聚糖酶,且不同來源的木聚糖酶,它們的酶學性質也有所差異。

      木聚糖酶的分類

      廣泛意義上的木聚糖酶主要包括有三類:外切-β-1,4-木聚糖酶(EC 3.2.1.92),該酶作用于寡聚木糖及木聚糖的非還原端;內切-β-1,4-木聚糖酶(EC 3.2.1.8),是降解木聚糖最主要的酶,作用于β-1,4-木聚糖的主鏈內部切割β-1,4-糖苷鍵,該酶從不同位點上切割木聚糖和長鏈的寡聚木糖,并產生木二糖及低聚木糖等水解產物;β-1,4-木糖苷酶(EC 3.2.1.37),通過水解低聚木糖的末端來催化釋放木糖殘基。狹義的木聚糖酶則指的是內切-β-1,4-木聚糖酶。

      木聚糖酶的結構

      木聚糖酶來源廣泛、結構復雜,若按照糖苷水解酶催化區域的氨基酸序列同源性和疏水性分析,則糖苷水解酶類可被分成多個家族。經研究發現,根據水解酶分類系統木聚糖酶主要包含有G/11和F/10家族水解酶類。F/10家族木聚糖酶包含有內切-β-1,4-木聚糖酶、內切-β-1,3-木聚糖酶等,其分子量相對較大,pI值較小,可以作用于對硝基苯纖維二糖和對硝基苯,低聚木糖是底物降解的主要產物;G/11家族木聚糖酶單一,pI值較大,分子量一般較小,對木聚糖的特異性相對較高,且其酶解產物主要為木糖。當然在糖苷水解酶類5、7、8、16、26、43、52、62家族中也發現有些有木聚糖酶活性。

      木聚糖酶,據其基因結構及功能的分析表現出,有些木聚糖酶僅含催化區(CD),有些則除了含有催化區外,還可能含有一些非催化區,如纖維素結合區(CBD)、木聚糖結合區(XBD)、熱穩定結構區、連接序列及其他未知功能的非催化區以及催化區等。

      木聚糖酶的應用

      木聚糖酶在飼料中的應用

      在谷物細胞壁中含有阿拉伯木聚糖等抗營養因子,從而會影響家禽對營養的吸收。木聚糖酶伴隨著葡聚糖酶、果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、植酸酶等運用于動物飼料中,這些酶能夠破壞阿拉伯木聚糖等抗營養因子的完整性,從而減小原材料的黏度,促進動物對飼料營養物質的消化吸收。廖細古等發現:在以玉米-豆粕-雜粕型為基礎日糧,分別在基礎日糧上添加250g/t和500g/t的木聚糖酶,結果整個階段的肉鴨生長增重分別比對照組增加了2.77%和4.96%,料重比分別下降了1.85%和2.11%,得出使用木聚糖酶對肉鴨的生產性能有一定的提高。龔敏等通過在日糧中加入阿拉伯木聚糖酶來研究仔豬生理生化指標變化情況,得出在日糧內添加阿拉伯木聚糖酶能提高斷奶仔豬的日增重,并且影響仔豬生長性能和相關血液的生化指標。

      木聚糖酶在食品工業中的應用

      木聚糖酶已廣泛的被用在面包加工制作業上,木聚糖酶能作用于水不溶性的木聚糖主干,釋放出水溶性的阿拉伯木聚糖,降低水不溶性木聚糖的分子量,提高面包的烘焙質量。阿拉伯木聚糖的廣泛水解所引起的水在面筋及淀粉的分配,使得面團更加柔軟且更有黏性。小麥中的木聚糖會影響面團的流變學特性和面制品的品質,而木聚糖酶能夠有效的改變生面團的流變性質。優賽(UYSAL H)等在研究木聚糖酶對餅干加工制作的影響中發現,木聚糖酶可以提高面團的拉力和柔軟度,從而降低了餅干的硬度并提高其伸展度。木聚糖酶降解產物木糖單體可衍生而成木糖醇,其可作為糖尿病或是肥胖癥患者的甜味劑,在市場上是一種暢銷的糖類替代品。

      木聚糖酶在釀酒工業中的應用

      木聚糖酶可以作用于植物細胞壁內的木聚糖,促進半纖維素的降解和淀粉的釋放,提高發酵效率,并增加乙醇的產率;同時能夠減少發酵液內的黏稠度,提高啤酒的清澈度,改善啤酒的口感。

      其他方面應用

      木聚糖酶的作用甚廣,除了上述作用外,木聚糖酶還可被用在生物學實驗研究中;在植物油、淀粉、可溶性咖啡的制備過程中,木聚糖酶的作用可降低提取液的黏度,提高濃縮效率;木聚糖酶的降解產物木糖可以作為一些微生物的發酵底物,并進一步用于發酵生產有價值的燃料及化工原料。

      展望

      木聚糖酶在工業上的作用廣泛,用來生產飼料、用于造紙等作物原料中都含有大量的木聚糖。木聚糖等抗營養因子的存在不利于動物對飼料中營養因子的吸收利用;木聚糖會阻礙紙漿中木質素的溶出效果,為了紙漿更白更亮,在漂白過程中氯化物使用量也就無法控制;果蔬的外層是一層堅硬的細胞壁,其可溶性木聚糖、果膠等黏性物質,會使提取液黏度過大而造成后續的濃縮干燥工作困難。木聚糖酶對木聚糖的降解作用可以作為解決上述難題的一個很好途徑。

      木聚糖酶能夠將木聚糖降解成低聚木糖,提高工業生產的效率、降低生產成本。因此,有不少科研工作者從土壤、酸堿等極端環境中,篩選產木聚糖酶的菌株。目前多數的木聚糖酶是來源于各類原始菌株的發酵生產,原始菌株產生的木聚糖酶優勢在于其產生的是復合酶,對木聚糖的作用更為徹底。當然,運用基因工程手段來獲得木聚糖酶的研究也越來越多,木聚糖酶基因在大腸桿菌、釀酒酵母、畢赤酵母等宿主中均有獲得表達,雖然這種工程菌所表達的木聚糖酶較為單一,但它的意義卻不能忽視。對于一些來自極端環境微生物的木聚糖酶,在日常條件下我們很難人為的培養并使其產酶,如果能獲得目的基因并進行異源表達,那么在生產上將產生很大價值。

      不同的菌株它們產酶的情況各異。目前,已有很多關于木聚糖酶高產菌株或是極端產木聚糖酶菌株的報道,有些已經成功的在工業中制成酶制劑。高品質的木聚糖酶為造紙、飼料、食品等工業帶來的是低成本、高效率。我們相信隨著蛋白質工程和基因工程等現代生物技術手段應用于木聚糖酶研究上的,必會推動木聚糖酶研究速度,為造紙、食品、飲料、保健品等方面帶來廣泛而顯著的經濟效益和社會效益。

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