木聚糖酶的应用研究发展

1木聚糖酶的应用研究进展目 录1.摘要 .22.基本信息 .23.木聚糖酶的分类和结构 .34.概述 .45.木聚糖酶的作用及作用机理 .45.1 木聚糖酶的作用 .55.2 木聚糖酶的作用机理 .56.木聚糖酶产品的优势 .67.木聚糖酶的应用 .77.1 应用简要概述 .77.2 木聚糖酶在饲料中的应用 .87.3 木聚糖酶在食品蔬菜水果行业中的应用 .87.4 木聚糖酶在保健品中的应用 .107.5 木聚糖酶在造纸工业的应用 .117.6 木聚糖酶在制备功能性低聚糖中的应用 .117.6 木聚糖酶在造酒中的应用 .128.目前的问题 .128.1 木聚糖酶的作用温度 .128.2 木聚糖酶的作用 pH 值 .128.3 底物特异性 .138.4 木聚糖酶的活性和产量 .139.注意事项 .1410.总结与展望 .1411.参考文献 .1612.致谢 .1721.摘要木聚糖是一种是一种非淀粉多糖，主要存在于植物细胞的次生壁上，处于木质素和其它多聚糖之间，起着连接作用有着广泛的应用，如造纸、酿酒、饲料等等，本文重点综述了木聚糖酶的定义，分类，作用机理，注意事项，应用前景等等。关键字：木聚糖酶 作用机理 应用2.基本信息中文名称：木聚糖酶英文名称：xylanase 定 义：能破坏植物的纤维组织，将木聚糖分解成木糖的酶编 号：EC 3.2.1.8应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科） ；酶（二级学科） 产品活力：木聚糖酶 42，000IU/g；-葡聚糖酶 17，000IU/g；CMCase 50,000IU/g（酶粉于 50 摄氏度、pH4.8 条件下，每分钟催化分解木聚糖产生 1 mol 木糖的量为一个酶活力单位，以 IU/g 表示）酶 活：5000IU/g；酶活力单位：在 50，pH 为 6.5 条件下，每分钟从浓度为 10mg/ml 的燕麦木聚糖溶液中降解释放 1umol 还原糖所需要的酶量为一个活力单位（IU） ，还原糖以木糖等量。外观性状粉剂、液体 33.木聚糖酶的分类和结构由于木聚糖酶在工业应用方面的重要作用，人们克隆表达了大量木聚糖酶，并研究了相关酶学性质。仅在 Swiss-Prot 数据库中就有 67 条木聚糖酶序列（2004 年 7 月 7 日，发放号 43.5） ，在 Tremble 数据库中有 447 条木聚糖酶序列（2004 年 7 月 7 日，发放号 43.5） 。对于这样大量的数据进行分析极为不便，人们希望找到木聚糖酶的相似性而加以分类。在 1988 年，Wong 等人根据真菌和细菌木聚糖酶的物理化学特性，结合它们分子量和等电点之间的相互关系。建议将木聚糖酶大致分为两类：一类是分子量小于 30,000 道尔顿略呈碱性的木聚糖酶；另一类是分子量大于 30,000 道尔顿略呈酸性的木聚糖酶。1989 年，Henrissat 首先采用疏水性聚类方法来比较氨基酸序列相似性，来对水解酶进行分析，从而获取结构、功能和和进化方面的信息。根据疏水性聚类分析方法将木聚糖酶分为二个家族：家族和家族，其中也包括其它多聚糖水解酶类：如内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖酶。字母分类中的家族和家族相当于数字分类中水解酶 10 和 11 家族，分别包含高分子量和低分子量木聚糖酶。随着分子生物学和蛋白质晶体结构技术的进步，木聚糖酶的结构慢慢测定出来，从而显示出结构保守性要比蛋白质序列保守性好得多；明显看出 F/10 木聚糖酶家族和 G/11 木聚糖酶家族在空间结构上属于两种不同折叠类型。F/10木聚糖酶的典型结构，整体结构象碗状，主要由-螺旋和-折叠片重复出现而构成上面略大下面较小的形状。G/11 木聚糖酶有典型的折叠结构：由-折叠片为主所构成的单个结构域，这个结构域由两个-折叠片层扭曲成将近 90角，从而构成一个深而且狭长的沟缝状结构。44.概述木聚糖酶（Xylanase） ，又名内 1,4-木聚糖酶，英文别名 Pentopan Mono，是采用液体深层发酵、超滤及喷雾干燥等工艺制得。为什么木聚糖酶有存在的必要呢?让我们先来认识一下能被木聚糖酶分解的木聚糖吧。阿木聚糖在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素，是半纤维素中含量最丰富的一种，在各种饲料原料特别是麦类、谷物副产品及杂粕中含量较多。木聚糖是由 D木糖主链(以 -1,4 键相连)和 L阿拉伯糖分枝(a-1,2 和 a-1,3 相连)所组成的聚合物，由于它是由阿拉伯糖和木糖两种单糖聚合而成，因此也称阿拉伯木聚糖。阿拉伯木聚糖本身难以被单胃动物消化吸收，而且阿拉伯木聚糖形成一种胞衣剂，阻碍植物细胞壁内蛋白质、碳水化合物、脂肪等底物与消化酶结合，同时使消化物的黏稠度提高，阻碍营养物质尤其是脂肪、蛋白质的消化、吸收和利用，降低饲料的转化效率。阿拉伯木聚糖能直接结合消化道中胰蛋白酶、脂肪酶等消化酶，使其活性降低，同时和胆汁盐、脂类、胆固醇结合，影响脂类在小肠的吸收。可溶性阿拉伯木聚糖提高了动物肠道中食穈的黏度，降低了食穈在消化道中的移动速度，促进细菌的大量增殖，使畜禽腹泻率增加，包括氮和磷在内的排泄物也增加，造成对环境的污染。5.木聚糖酶的作用及作用机理木聚糖酶是专一降解木聚糖的酶，属于水解酶类，可将木聚糖分解为木寡糖。木聚糖酶主要由 -1,4-D-内切木聚糖酶、-1,4-D-外切木糖苷酶和 -L-阿拉伯糖苷酶、-D-氨基酸醛酸酶等脱支链酶构成。木聚糖酶是具有四级结5构的大分子活性蛋白。5.1 木聚糖酶的作用1.降解饲料中非淀粉多糖，降低消化道内容物黏度；2.提高内源性消化酶的活性，促进养分的消化吸收；3.破坏植物细胞壁，使营养物质释放，提高营养物质的消化率；4.提高饲料代谢能，降低配方成本，提升饲料产品品质；5.木聚糖酶的分解产物木寡糖能调节动物肠道微生态平衡；6.减少肠道有害微生物的含量，降低动物腹泻率的发生；7.减少粪便排放，保护环境，减少畜禽呼吸道疾病的发生5.2 木聚糖酶的作用机理对于木聚糖酶催化作用机理的研究起始于 1990 年，Bray 等研究者对氨基酸进行修饰后发现酸性氨基酸在木聚糖酶的催化反应中起重要作用。同时显示1 个酸性氨基酸的 pKa 值升高，所以提示同溶菌酶中的 Glu35 这个酸性催化剂的催化作用相似。这种反应类似于其它糖苷水解酶的催化机理，同样显示出它们产物中保留了底物的异头构象。在这个反应中包括两个氨基酸残基：第一个氨基酸作为一般的催化剂来对糖苷键上的氧原子进行质子化；第二个氨基酸则作为亲核中心，同含氧带正电荷的碳原子中间产物进行反应（发生在保留构象反应中） ；或者对从水分子来的 OH质子化（发生在构象反转反应中） 。木聚糖酶通过破坏木聚糖分子中的共价交联（阿拉伯糖残基取代区）及通过氢键形成的连接区（主链上的非取代区） ，使木聚糖降解。聚糖是由 1,4 或 1,3 糖苷键连接的一种杂合多聚分子。主链由多个吡喃木糖基通过木糖苷键相连，侧链上连着多种不同大小的短的取代基,主要有乙酰基、4-甲基-D-葡糖醛酸残基、L-阿拉伯糖残基等。这些侧链与植物细胞6中其它几种结构性多糖(如木质素、纤维素、果胶、葡聚糖等)以共价或非共价键连接,组成植物细胞重要的结构细胞壁。木聚糖主要存在于植物细胞的次生壁中,处于木质素及其它多聚糖之间,起着连接作用。也正由于这些侧链的不同,使得木聚糖的结构变化范围很大,从仅由 -1,4-糖苷键连接的多聚木糖线性分子到高度分枝的异质多糖。因此，要使木聚糖完全降解则需要多种水解酶的协同作用，这其中包括主链水解酶 D1,4 内切木聚糖酶、D1,4外切木糖苷酶和侧链水解酶 aL阿拉伯呋喃糖苷酶、a葡萄糖醛酸酶和乙酰木聚糖酯酶等。木聚糖降解时，起主要作用的酶是 D1,4 内切木聚糖酶和D1,4 外切木糖苷酶。D1,4 内切木聚糖酶以内切方式作用于木聚糖主链内部的 - 1，4 木糖苷键,其主要水解产物为低聚木糖、木寡糖、木二糖等；D1,4 外切木糖苷酶通过水解低聚木糖、木寡糖等的非还原性末端来催化释放木糖残基。另外, 参与彻底降解木聚糖的还有 aL阿拉伯呋喃糖苷酶、-葡萄糖醛酸苷酶、乙酰木聚糖酯酶及能降解木聚糖上阿拉伯糖侧链残基与酚酸(如阿魏酸或香豆酸)形成的酯键酚酸酯酶等侧链水解酶，它们作用于木糖与侧链取代基之间的糖苷键，协同主链水解酶的作用最终将木聚糖转化为它的组成单糖。6.木聚糖酶产品的优势(1).特节能木聚糖酶采用基因工程改良菌，经液体深层发酵技术生产，全流程为不锈钢发酵设备，通过 ISO9001 和 HACCP 国际质量认证，确保挑战特节能木聚糖酶的优良品质。(2).特节能木聚糖酶以 -1,4-D-内切木聚糖酶为主，另有合适比例的 -71,4-D-外切木糖苷酶和脱支链酶，对阿拉伯木聚糖酶解效率高。(3).特节能木聚糖酶抗逆性好，对胃蛋白酶、胰蛋白酶具有良好的抗性。(4).特节能木聚糖酶的酶活特性符合动物消化生理特点，可以在动物体的胃肠道内保持最佳活性状态。(5).特节能木聚糖酶可以通过消化道酸性环境，并且 pH 值适应范围广。(6).特节能木聚糖酶具有良好的生产（高温）稳定性，可以耐受普通饲料制粒工艺，并具备较好的储存稳定性。(7).特节能木聚糖酶提高了非常规原料的使用量，提高了饲料品质，降低了配方成本。7.木聚糖酶的应用 7.1 应用简要概述木聚糖是麦类、谷物等作物中含有的一种抗营养因子，它能增加食糜的粘性，降低养分的消化和吸收。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。木聚糖酶可以应用在酿造、饲料工业中。还可以分解酿造或饲料工业中的8原料细胞壁以及 -葡聚糖，降低酿造中物料的粘度，促进有效物质的释放，以及降低饲料用粮中的非淀粉多糖，促进营养物质的吸收利用，并因而更易取可溶性脂类成分，下面来一一介绍。7.2 木聚糖酶在饲料中的应用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 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 01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。97.3 木聚糖酶在食品蔬菜水果行业中的应用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 23，其中水浸出性阿拉伯木聚糖约占 2030，水不可溶性阿拉伯木聚糖约占7080，在面包的生产中，13 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10剂或与之配合使用。由于该酶不含有 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 325，这种半纤维素主要是木聚糖，将其中的木聚糖提出，