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发表于 2010-3-9 17:24:52
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木聚糖酶的特性及应用前景
一、木聚糖酶
木聚糖酶（1牞4－β－D－xylanxylanohydrolase,EC．3．2．18）是一类木聚糖降解酶系，属于水解酶类，包括内切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为单位的由β－1．4 键连接的半纤维素，富含于阔叶树和大多数一年生植物体内，半纤维素在自然界中含量占生物量的30％，是一种重要的可再生资源，仅次于纤维素。已知木聚糖酶可以由多种生物合成，以微生物为主。
木聚糖酶可以应用在能源工业中，促进生物量转化，也可作为食品、饮料工业用酶制剂。应用在保健品等方面，可以用于水解农业有机废料生产酒精，也可在制浆造纸中用于预漂白。现在已知能够产生木聚糖酶的菌种包括细菌、真菌、黑曲酶、木霉等，不同来源的木聚糖酶的催化特性是有差异的，有不同的最适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各不相同。木聚糖酶水解木聚糖主链骨架的β－1．4糖苷键，其水解产物主要为低聚木糖，少量的木糖和阿拉伯糖。产木聚糖酶的菌株往往同时产生一定量的纤维素酶。相关研究表明木聚糖酶在果实的成熟、种子的萌发、真菌的寄生以及植物的抗性等诸多生理过程中也起着重要的作用。
二、对木聚糖酶的国内外研究进展
木聚糖的酶法降解在食品工业、饲料工业、制药工业等众多行业中有着十分诱人的应用前景，尤其是最近在造纸工业中成功的运用这种酶进行预漂白处理，使得木聚糖酶的厂家成为了一个热点，并取得了一系列重要的进展。对于各种产木聚糖酶的菌体，包括细菌、真菌、霉菌等，人们对它们的各方面性质和发酵特性都进行了详细的研究，对于它们各自所产生的木聚糖酶的使用特性也进行了探索，包括最适温度、最适pH等，已经可以动用发酵工程技术得到各种木聚糖酶产品。人们通过研究发现，由于木聚糖是一种结构复杂的非均一多糖，含有许多不同的取代基，使得木聚糖的生物降解需要一个复杂的酶系统中不同组分的相互协作，使菌体产生的木聚糖酶是一组酶，而非一种酶，在木聚糖的生物降解中具有不同催化功能的酶之间的协同增效作用是十分明显的。同时人们还发现，木聚糖酶多为诱导酶，诱导物对于酶的生成和酶活水平的高低影响较大。随着分子生物学的发展和众多新的试验方法的引入，对木聚糖酶的研究已经达到了分子生物学基因工程的水平，已有许多来自真菌和细菌的木聚糖酶基因被克隆并在大肠杆菌中获得了表达。克隆的基因一般使用自身所带的启动子在受体菌中表达，但是酶的表达水平比在原始菌株中下降了不少。原来能分泌到细胞外的酶液汁有少数在受体中能继续维持分泌性能，与信号肽的有无没有关系，其机制尚不清楚，有人推测与木聚糖酶本身的性质有关，但没有确切的证据。
目前已发现的木聚糖酶基因有xynA、xynB、xynC、xynZ等。研究较多的是xynA，但主要局限于细菌中的xynA的克隆和表达，xynA在大肠杆菌中表达但不分泌到细胞外。Donald等首次将嗜热细菌的ynA克隆到酿酒酵母菌并进行了表达，分泌至培养液中的具有活性的木聚糖酶达10mg／l，他们还尝试将不同的强启动子引入表达载体以提高木聚糖酶的产量。Bergquist等对Dthermophilum Rt46B．1及ThermotogaFJSS3．B1的xynA（DxynA和TxynA）进行了一系列研究，首先在大肠杆菌中克隆和表达，两者的xynA均为单一完整的开读框架，前者约为 1．5kb，编码蛋白为352个氨基酸，最适温度为85℃，最适pH为6．5，后者约为1． 1kb，编码蛋白质为346个氨基酸，有极高的热稳定性和高的pH范围。Tsujibo等从S．ThermoviolaceusOPC－520克隆到两个木聚糖酶基因STX－I和STX－II，并分析了其序列和开读框架，这两个基因分别编码476个氨基酸和335个氨基酸的蛋白质，分属于两个不同的木聚糖酶家族。它们的催化域与各自家族成员有高度的同源性。Dwivedi等从嗜热菌Rt8B．4中克隆了木聚糖酶基因xynA，其中一个重组体含有6．7kb的插入片断，包括多个ORF（OpenReadingFramePrediction：开读框架），xynA在2599～4653bp之间，编码含有多个结构域的蛋白质，缩减分析及在大肠杆菌中表达表明羧基端结构域与木聚糖酶活性有关，该片断的表达产物为30 kD，酶活性在pH7．0、温度70℃时至少稳定12小时，具有一定的应用价值。
不同来源的木聚糖酶的氨基酸组成在数量上变化很大，其催化区与纤维素酶无同源性，表明是由不同的祖先进化而来的，某些来源的木聚糖酶含有两个催化区。木聚糖酶活性位点的氨基酸与纤维素酶的相似，主要为色氨酸和羧基氨基酸，有的还含有半胱氨酸，它们或参与底物的结合，或参与酶的催化。
国内对木聚糖酶的研究起步较晚，但由于其良好的应用前景发展较快，已有多家单位进行了许多不同的研究开发工作。山东省食品发酵工业研究设计院依靠自己在发酵领域和功能性生物制品领域的雄厚经验和人才优势，在所承担的国家“九五”
科技攻关课题“酶法生产低聚木糖”的进行中对细菌产木聚糖酶进行了全面的研究工作，他们筛选到一株产木聚糖酶的芽孢杆菌，进行了菌种选育、分类鉴定、培养条件优化、酶性质的研究、中试生产和在生产低聚木糖上的应用研究等一系列的工作，取得了详尽的实验数据和完整的低聚木糖生产工艺，完成了从菌种到酶再到低聚木糖的全部课题任务，被众多专家学者认为其研究成果具有世界先进水平。合肥联合大学获得产木聚糖酶的黑曲酶菌株A3，所产酶最适反应温度55℃，最适反应pH4．6，液体发酵酶活达到350μ／ml，固体发酵酶活边达到5000μ／ml。山东大学微生物系国家重点实验室研究获得产酸性木聚糖酶的菌株黑曲霉An－76和产碱性木聚糖酶的菌株嗜碱细菌Cb－2，摇床试验产木聚糖酶分别为350μ／ml和300μ／ml。无锡江南大学2000年报道，他们已经UV和NTG方法诱变筛选出一株假单胞菌，命名为WLUN024，发酵初始最适pH6．5～8．5之间，发酵最适温度37℃。虽然国内众多研究单位的木聚糖酶的活力数据有很大的差别，但不能仅仅凭酶活力一项来判断各家的酶的优劣，因为木聚糖酶是一个很大的概念，各家所用的菌种不同，所得到的木聚糖酶的就不同，木聚糖酶的应用范围也就不同，如饲料工业所需的木聚糖酶是偏酸性的，对酶解产物基本没有要求；用来生产低聚木糖的木聚糖酶的要求就要严格一些，它要求酶的最适pH要尽量接近中性，以减少后处理的程序，降低成本，对于酶解产物的要求是单糖含量越少越好，最好是不含木单糖，以低聚木糖的含量占绝对优势为最佳。三、木聚糖酶应用的研究与开发科学研究的一个重要目的是转化为生产力，具有优越的应用前景的研究往往会成为科学研究的热点，木聚糖酶也不例外。国内外众多科研机构和人员之所以对木聚糖酶表现出极大的兴趣，就是因为木聚糖酶在众多行业中有着广阔的应用前景。
木聚糖酶在当前最被看好的应用前景是在生产燃料方面。国际上利用植物资源生产酒精成为了主要方向。在1991年美国运用基因重组技术成功的培养出可同时发酵五碳糖和六碳糖的微生物菌株后，使植物纤维水解生产酒精的扶持到了很大的发展。水解植物纤维的方法包括酸解法和酶解法，用生物酶制剂水解植物纤维比酸解法具有极大的优势和实际应用效果。用纤维素酶和木聚糖酸协同作用可以将植物纤维彻底水解为单糖，再运用基因工程和发酵工程生产酒精，是现在燃料酒精研究开发的热点和最为推崇的一种生产工艺，已有众多的科研机构、院校对这一方向进行了多方面深入的研究和开发。
木聚糖酶另一个很重要的用途为饲料工业。饲料被动物摄入后，各种营养成分不可能被动物完全吸收利用。饲料的主要成分为农物秸秆（稻草、麦草、玉米秸、红薯蔓、豆蔓等），结构紧密，含有大量的纤维素、半纤维素，而且纤维素被木质素和硅酸盐包着，动物消化液难以接触、分解，所以利用率低。同时，饲料中的大分子营养成分也不可能完全被动物的消化液分解成小分子物质而被动物所吸收。半纤维素的主要成分木聚糖，是一种非淀粉多糖（NSP），不能被单胃动物消化；具有可溶性，可导致单胃动物的小肠黏度提高，最终使消化受阻。木聚糖酶能破坏植物的纤维组织。将木聚糖分解成木糖，为动物所利用；并降低肠内的黏度，提高饲料利用率。通常该酶与α－淀粉酶、蛋白酶等酶制剂成复合酶，特别适合添加于采用小麦和大麦为基础的家禽日粮。小麦和大麦含有较高的非淀粉多糖，玉米则含非淀粉多糖很少。目前，世界各国约80％的肉鸡小麦基础日粮均添加该复合酶制剂，其效果与被认为是肉鸡和其他家禽最佳饲料的玉米－豆粕日粮相同。我国饲料工业是个大行业，2000年配合饲料产量达到65 00万吨，如果全部加酶，添加量以0．1％计，需要65000吨酶制剂，对酶制剂的需求量是很大的。饲料中添加木聚糖酶还可以减少动物结肠炎的发生，同时低聚木糖对人体的保健作用对动物同样适用，用木聚糖酶分解饲料中的木聚糖产生低聚木糖用于调节动物肠道的微生态环境，可以减少抗生素等兽药的使用量，减少残留，增强我国畜产品在国际市场上的实力，扩大出口。
木聚糖酶还有一个重要用途为食品工业，新鲜蔬菜、水果是富含维生素营养的食品，一般可直接食用，但要加工成婴儿食品、膏状物、干燥蔬菜粉末和速溶食品等，主要是利用其嫩软组织中所有的物质。而这些物质被一层坚硬的细胞壁所包围，成熟的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、果胶等物质组成。常见的生产方法是将果蔬榨汁或将它们浸泡取汁。再进行冷冻干燥或直接喷雾等。这样一方面被纤维素、半纤维素、果胶包裹的淀粉蛋白质、油脂、色素、精油、香料、维生素等不能充分提取，如果采用蒸煮、酸碱等法，使组织柔化来充分提取，会使维生素等遭到破坏，色、香、味发生变化，很不合理；另一方面可溶性的木聚糖、果胶都是黏性物质，会造成提取液黏度过大给后来的浓缩干燥等带来困难。如果采用含有纤维素酶、木聚糖酶、果稳定酶的制剂来处理，则可在极温的条件下使组织柔化，使细胞破壁，将有效物质充分提取出来，同时大大地降低提取液的黏度，而黏度的降低，可使生产中的浓缩或干燥效率成倍提高，也相应降低生产成本，在果汁生产过程中，特别是用超滤的方法来生产浓缩苹果汁，单独使用果胶酶是不够的，往往在这种酶中添加一定比例的木聚糖酶，来分解其中的阿拉伯木聚糖，这样可提高超滤浓缩速度，减少膜的清洗次数，明显地提高生产效率和产品质量。小麦和黑麦加工成粉后，其中的非淀粉多糖是戊聚糖，这种戊聚糖主要成分是阿拉伯木聚糖，约占 2％～3％，其中水浸出性阿拉伯木聚糖约占20％～30％，水不可溶性阿拉伯木聚糖约占70％～80％，在面包的生产中，1／3的水分是面团中的戊聚糖吸收，这种戊聚糖的高吸水性被认为对面团和面包的质量有显著的影响。由于它们的高的水结合能力，它们参与面包吸水过程。木聚糖酶通过与面粉中的可溶性及不可溶性戊聚糖发生反应而提高面筋网络的弹性，从而改善面团的加工及稳定性能，改善面包瓤的组织结构，增大面包体积。在各种面包加工中，该酶可以取代乳化剂或与之配合使用。由于该酶不含有α－淀粉酶，为获得最佳效果，该酶应与真菌淀粉酶配合使用。在农作物副产品中，玉米芯的碳水化合物中半纤维素含量达32．5％，这种半纤维素主要是木聚糖，将其中的木聚糖提出，将它分解成低聚糖或单糖———木糖，可做食品添加剂或医药产品，也可作中间产品进行一步转化，以往从玉米蕊中提取木糖的方法是采用硫酸酸解法，这种方法虽然比较经济，但对环境污染很大，同时提取时产生很多副反应，损害了产品的可接受性，用木聚糖酶酶促分解木聚糖为低聚木糖或木糖可以做到清洁生产，同时产品得率高，副产物少，后续精制提取容易，商品价格低，质量高，优势十分明显。
木聚糖酶在保健品方面的应用主要指用来生产功能性低聚木糖。低聚糖又称寡糖，是指2～10个单糖以糖苷键连接，形成直链或支链的低聚合度的糖类总称。由于单糖分子结合的位置和结合的类型不同，低聚糖种类繁多。目前已知达1000种以上，它们的结构特征和功能特性不尽相同。根据低聚糖是否具有保健功能可将其分为普通低聚糖和功能性低聚糖两大类。功能性低聚糖是指在人体肠道中没有水解那些低聚糖的酶系统，因为它们不被人体消化吸收而直接进入大肠内优先为双歧杆菌利用，是双歧杆菌的增殖因子，如低聚木糖、低聚果糖等。功能性低聚糖具有良好的生理学功能，同时具有与蔗糖相似的物理化学特性，因而已作为一类新型保健型甜味剂而逐渐受到了越来越多的重视。截至1995年底，全世界约有20多家公司正在商业化生产各种低聚糖。约有50％的产品用于饮料业，其他的主要用在婴儿配方食品、糖果业和奶制甜食中。低聚糖工业在我国刚刚起步，就以超常的速度发展壮大起来，许多极具规模与实力的企业纷纷投资低聚糖市场，从而也带动了相关的酶制剂市场的发展。低聚木糖在众多低聚糖中，就增殖双歧杆菌来说效果是最好的，成人每日的服用量只要达到0．7克，就有明显的增殖效果，远远低于其他低聚糖的服用量（如低聚果糖的服用量为13克左右／天）。
据报道，1998年在世界工业用酶近20个品种占有市场份额中木聚糖酶排在第7位，占总销售额约9％，年销售额约1．4亿美元。目前在我国销售木聚糖酶的厂商有诺维信公司、华芬饲料酶有限公司等。
四、前景
木聚糖酶的研究、应用历史并不长，但取得的成果是巨大的，我国在木聚糖酶方面现在是落后于国际水平，但在某些行业和领域我们还是有一定的基础和经验，并有着十分广阔的应用前景的。
饲料行业是以含木聚糖酶的多酶复合物作为饲料添加剂来使用，可大量节省饲料用量，中国入世后，中国的家畜养殖业会有一个大的发展机遇，饲料行业又会有一个大发展，市场潜力广阔。但饲料行业是一个低价行业，主要靠量来保证利润，所以对于饲料用酶制剂行业，控制酶制剂价格就是一个重点，并且中国的饲料业被几个大的饲料生产集团所控制，饲料配方均为固定化的，饲料用酶制剂新产品的推广阻力很大，还有待相关的企业去进行有效的市场开发工作。
对于低聚木糖行业，中国的普通消费者对低聚糖的认知程度不高，对低聚糖的优良性质还不够了解，在普通消费者中间普及低聚糖的知识还需要一个阶段，所以目前的国内低聚糖市场还是以大型食品企业为主要客户，这样就很难体现出低聚木糖与其他低聚糖的性质区别。对于国际市场，日本三得力公司早已开始了低聚木糖的工业化生产，技术成熟，市场稳定，中国的低聚木糖产业不应重复以往紧紧依靠出口的错误做法，在进军国际市场的同时，努力地去做好国内市场，中国有13亿人口，一旦低聚木糖得到了认可，其前景是可想而知的。
就食品行业而言，应用前景是有的，但是就像低聚木糖的状况一样，希望存在但困难不小，也存在一个市场的认可问题，这并不是短时期可以改变的。就技术本身而言不存在太大的可以预见的不可解决的技术难题，但食品方面的应用和医药品一样，需要做很多非发酵方面的试验，国家控制的也较严格一些。
今后我们的发展方向应从目前已取得成功的中试阶段，向大规模产业化阶段迈进，将木聚糖酶的研究向纵深扩展，改变目前一家科研单位开发的一种木聚糖酶只是在某一领域得到应用的现状，将已有的木聚糖酶品种的应用领域不断扩大，同时在酶的复配应用上进行研究和探索，改变酶制剂成品种酶的种类单一的传统模式。同时采用先进的生物工程技术、包括基因工程、蛋白质工程等，结合传统的菌种改进工艺，在酶活力提高方面取得创新。酶活力是一种酶品种在同行业处于领先地位的关键，提高成品酶制剂的活力有积极的现实和长远利润。现代生物工程技术的飞速发展，新技术、新成果、新设备的不断涌现，为我们的实验室工作创造了良好的条件，我们要积极把握机遇，尽可能快的把已有的技术转化为生产力。 |
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