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木聚糖酶的特性及應用前景
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一年生植物體內，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。
木聚糖酶可以應用在能源工業中，促進生物量轉化，也可作為食品、飲料工業用酶制劑。應用在保健品等方面，可以用于水解農業有機廢料生產酒精，也可在制漿造紙中用于預漂白?，F在已知能夠產生木聚糖酶的菌種包括細菌、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，其水解產物主要為低聚木糖，少量的木糖和阿拉伯糖。產木聚糖酶的菌株往往同時產生一定量的纖維素酶。相關研究表明木聚糖酶在果實的成熟、種子的萌發、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、對木聚糖酶的國內外研究進展
??木聚糖的酶法降解在食品工業、飼料工業、制藥工業等眾多行業中有著十分誘人的應用前景，尤其是最近在造紙工業中成功的運用這種酶進行預漂白處理，使得木聚糖酶的廠家成為了一個熱點，并取得了一系列重要的進展。對于各種產木聚糖酶的菌體，包括細菌、真菌、霉菌等，人們對它們的各方面性質和發酵特性都進行了詳細的研究，對于它們各自所產生的木聚糖酶的使用特性也進行了探索，包括最適溫度、最適pH等，已經可以動用發酵工程技術得到各種木聚糖酶產品。人們通過研究發現，由于木聚糖是一種結構復雜的非均一多糖，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雜的酶系統中不同組分的相互協作，使菌體產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同增效作用是十分明顯的。同時人們還發現，木聚糖酶多為誘導酶，誘導物對于酶的生成和酶活水平的高低影響較大。隨著分子生物學的發展和眾多新的試驗方法的引入，對木聚糖酶的研究已經達到了分子生物學基因工程的水平，已有許多來自真菌和細菌的木聚糖酶基因被克隆并在大腸桿菌中獲得了表達?？寺〉幕蛞话闶褂米陨硭鶐У膯幼釉谑荏w菌中表達，但是酶的表達水平比在原始菌株中下降了不少。原來能分泌到細胞外的酶液汁有少數在受體中能繼續維持分泌性能，與信號肽的有無沒有關系，其機制尚不清楚，有人推測與木聚糖酶本身的性質有關，但沒有確切的證據。
目前已發現的木聚糖酶基因有xynA、xynB、xynC、xynZ等。研究較多的是xynA，但主要局限于細菌中的xynA的克隆和表達，xynA在大腸桿菌中表達但不分泌到細胞外。Donald等首次將嗜熱細菌的ynA克隆到釀酒酵母菌并進行了表達，分泌至培養液中的具有活性的木聚糖酶達10mg／l，他們還嘗試將不同的強啟動子引入表達載體以提高木聚糖酶的產量。Bergquist等對Dther?mophilum Rt46B．1及ThermotogaFJSS3．B1的xynA（DxynA和TxynA）進行了一系列研究，首先在大腸桿菌中克隆和表達，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，編碼蛋白質為346個氨基酸，有極高的熱穩定性和高的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，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，編碼含有多個結構域的蛋白質，縮減分析及在大腸桿菌中表達表明羧基端結構域與木聚糖酶活性有關，該片斷的表達產物為30 kD，酶活性在pH7．0、溫度70℃時至少穩定12小時，具有一定的應用價值。
不同來源的木聚糖酶的氨基酸組成在數量上變化很大，其催化區與纖維素酶無同源性，表明是由不同的祖先進化而來的，某些來源的木聚糖酶含有兩個催化區。木聚糖酶活性位點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合，或參與酶的催化。
??國內對木聚糖酶的研究起步較晚，但由于其良好的應用前景發展較快，已有多家單位進行了許多不同的研究開發工作。山東省食品發酵工業研究設計院依靠自己在發酵領域和功能性生物制品領域的雄厚經驗和人才優勢，在所承擔的國家“九五”
科技攻關課題“酶法生產低聚木糖”的進行中對細菌產木聚糖酶進行了全面的研究工作，他們篩選到一株產木聚糖酶的芽孢桿菌，進行了菌種選育、分類鑒定、培養條件優化、酶性質的研究、中試生產和在生產低聚木糖上的應用研究等一系列的工作，取得了詳盡的實驗數據和完整的低聚木糖生產工藝，完成了從菌種到酶再到低聚木糖的全部課題任務，被眾多專家學者認為其研究成果具有世界先進水平。合肥聯合大學獲得產木聚糖酶的黑曲酶菌株A3，所產酶最適反應溫度55℃，最適反應pH4．6，液體發酵酶活達到350μ／ml，固體發酵酶活邊達到5000μ／ml。山東大學微生物系國家重點實驗室研究獲得產酸性木聚糖酶的菌株黑曲霉An－76和產堿性木聚糖酶的菌株嗜堿細菌Cb－2，搖床試驗產木聚糖酶分別為350μ／ml和300μ／ml。無錫江南大學2000年報道，他們已經UV和NTG方法誘變篩選出一株假單胞菌，命名為WLUN024，發酵初始最適pH6．5～8．5之間，發酵最適溫度37℃。雖然國內眾多研究單位的木聚糖酶的活力數據有很大的差別，但不能僅僅憑酶活力一項來判斷各家的酶的優劣，因為木聚糖酶是一個很大的概念，各家所用的菌種不同，所得到的木聚糖酶的就不同，木聚糖酶的應用范圍也就不同，如飼料工業所需的木聚糖酶是偏酸性的，對酶解產物基本沒有要求；用來生產低聚木糖的木聚糖酶的要求就要嚴格一些，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勢為最佳。三、木聚糖酶應用的研究與開發科學研究的一個重要目的是轉化為生產力，具有優越的應用前景的研究往往會成為科學研究的熱點，木聚糖酶也不例外。國內外眾多科研機構和人員之所以對木聚糖酶表現出極大的興趣，就是因為木聚糖酶在眾多行業中有著廣闊的應用前景。
木聚糖酶在當前最被看好的應用前景是在生產燃料方面。國際上利用植物資源生產酒精成為了主要方向。在1991年美國運用基因重組技術成功的培養出可同時發酵五碳糖和六碳糖的微生物菌株后，使植物纖維水解生產酒精的扶持到了很大的發展。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勢和實際應用效果。用纖維素酶和木聚糖酸協同作用可以將植物纖維徹底水解為單糖，再運用基因工程和發酵工程生產酒精，是現在燃料酒精研究開發的熱點和最為推崇的一種生產工藝，已有眾多的科研機構、院校對這一方向進行了多方面深入的研究和開發。
木聚糖酶另一個很重要的用途為飼料工業。飼料被動物攝入后，各種營養成分不可能被動物完全吸收利用。飼料的主要成分為農物秸稈（稻草、麥草、玉米秸、紅薯蔓、豆蔓等），結構緊密，含有大量的纖維素、半纖維素，而且纖維素被木質素和硅酸鹽包著，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成分也不可能完全被動物的消化液分解成小分子物質而被動物所吸收。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合酶，特別適合添加于采用小麥和大麥為基礎的家禽日糧。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％的肉雞小麥基礎日糧均添加該復合酶制劑，其效果與被認為是肉雞和其他家禽最佳飼料的玉米－豆粕日糧相同。我國飼料工業是個大行業，2000年配合飼料產量達到65 00萬噸，如果全部加酶，添加量以0．1％計，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腸炎的發生，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生低聚木糖用于調節動物腸道的微生態環境，可以減少抗生素等獸藥的使用量，減少殘留，增強我國畜產品在國際市場上的實力，擴大出口。
木聚糖酶還有一個重要用途為食品工業，新鮮蔬菜、水果是富含維生素營養的食品，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。而這些物質被一層堅硬的細胞壁所包圍，成熟的細胞壁主要是由纖維素、半纖維素、果膠等物質組成。常見的生產方法是將果蔬榨汁或將它們浸泡取汁。再進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、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，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、果穩定酶的制劑來處理，則可在極溫的條件下使組織柔化，使細胞破壁，將有效物質充分提取出來，同時大大地降低提取液的黏度，而黏度的降低，可使生產中的濃縮或干燥效率成倍提高，也相應降低生產成本，在果汁生產過程中，特別是用超濾的方法來生產濃縮蘋果汁，單獨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，明顯地提高生產效率和產品質量。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％，在面包的生產中，1／3的水分是面團中的戊聚糖吸收，這種戊聚糖的高吸水性被認為對面團和面包的質量有顯著的影響。由于它們的高的水結合能力，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生反應而提高面筋網絡的彈性，從而改善面團的加工及穩定性能，改善面包瓤的組織結構，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，該酶應與真菌淀粉酶配合使用。在農作物副產品中，玉米芯的碳水化合物中半纖維素含量達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藥產品，也可作中間產品進行一步轉化，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濟，但對環境污染很大，同時提取時產生很多副反應，損害了產品的可接受性，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，同時產品得率高，副產物少，后續精制提取容易，商品價格低，質量高，優勢十分明顯。
木聚糖酶在保健品方面的應用主要指用來生產功能性低聚木糖。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。由于單糖分子結合的位置和結合的類型不同，低聚糖種類繁多。目前已知達1000種以上，它們的結構特征和功能特性不盡相同。根據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，因為它們不被人體消化吸收而直接進入大腸內優先為雙歧桿菌利用，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功能，同時具有與蔗糖相似的物理化學特性，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多家公司正在商業化生產各種低聚糖。約有50％的產品用于飲料業，其他的主要用在嬰兒配方食品、糖果業和奶制甜食中。低聚糖工業在我國剛剛起步，就以超常的速度發展壯大起來，許多極具規模與實力的企業紛紛投資低聚糖市場，從而也帶動了相關的酶制劑市場的發展。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到0．7克，就有明顯的增殖效果，遠遠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）。
據報道，1998年在世界工業用酶近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在是落后于國際水平，但在某些行業和領域我們還是有一定的基礎和經驗，并有著十分廣闊的應用前景的。
飼料行業是以含木聚糖酶的多酶復合物作為飼料添加劑來使用，可大量節省飼料用量，中國入世后，中國的家畜養殖業會有一個大的發展機遇，飼料行業又會有一個大發展，市場潛力廣闊。但飼料行業是一個低價行業，主要靠量來保證利潤，所以對于飼料用酶制劑行業，控制酶制劑價格就是一個重點，并且中國的飼料業被幾個大的飼料生產集團所控制，飼料配方均為固定化的，飼料用酶制劑新產品的推廣阻力很大，還有待相關的企業去進行有效的市場開發工作。
對于低聚木糖行業，中國的普通消費者對低聚糖的認知程度不高，對低聚糖的優良性質還不夠了解，在普通消費者中間普及低聚糖的知識還需要一個階段，所以目前的國內低聚糖市場還是以大型食品企業為主要客戶，這樣就很難體現出低聚木糖與其他低聚糖的性質區別。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化生產，技術成熟，市場穩定，中國的低聚木糖產業不應重復以往緊緊依靠出口的錯誤做法，在進軍國際市場的同時，努力地去做好國內市場，中國有13億人口，一旦低聚木糖得到了認可，其前景是可想而知的。
就食品行業而言，應用前景是有的，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可問題，這并不是短時期可以改變的。就技術本身而言不存在太大的可以預見的不可解決的技術難題，但食品方面的應用和醫藥品一樣，需要做很多非發酵方面的試驗，國家控制的也較嚴格一些。
今后我們的發展方向應從目前已取得成功的中試階段，向大規模產業化階段邁進，將木聚糖酶的研究向縱深擴展，改變目前一家科研單位開發的一種木聚糖酶只是在某一領域得到應用的現狀，將已有的木聚糖酶品種的應用領域不斷擴大，同時在酶的復配應用上進行研究和探索，改變酶制劑成品種酶的種類單一的傳統模式。同時采用先進的生物工程技術、包括基因工程、蛋白質工程等，結合傳統的菌種改進工藝，在酶活力提高方面取得創新。酶活力是一種酶品種在同行業處于領先地位的關鍵，提高成品酶制劑的活力有積極的現實和長遠利潤。現代生物工程技術的飛速發展，新技術、新成果、新設備的不斷涌現，為我們的實驗室工作創造了良好的條件，我們要積極把握機遇，盡可能快的把已有的技術轉化為生產力。 |
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發表于 2010-1-27 17:06:49
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