半纤维素半纤维素酶和低聚木糖实用教案

1、益生菌活菌制剂益生菌活菌制剂(zhj)的的有效性有效性 1）是否来自人体 2）是否带有耐药性质粒 3）培养和保藏是否困难 4）是否耐受胃酸、胆汁碱而存活 5）是否能够定植于肠道上皮细胞 6）能否形成(xngchng)优势菌落而达到保健效果第1页/共32页第一页，共33页。1.2 双歧因子(ynz) prebiotic 的作用 可以促进人体肠道内有益菌双歧杆菌(Bifidobacterium) 等的生长，改进肠道菌群状况。 比活菌制剂更稳定和易于保存，可以添加到各种制品中。 应用于医药、功能食品、饲料(slio)等领域。 双歧因子包括人乳中含N-乙酰葡糖胺的糖、玉米浸汁和各种低聚糖等。其中研究最

2、多的是各种低聚糖，而且现在很多品种已经实现了工业化生产。第2页/共32页第二页，共33页。1.3 1.3 低聚糖的功能低聚糖的功能(gngnng)(gngnng)特性特性 双歧杆菌增殖因子和低能量。 不被消化性和代谢不依赖胰岛素。 无龋齿性 。 不消化或不吸收糖 摄入 （小肠）消化 发酵（大肠(dchng)） SCFA 吸收 酶降解 可利用能源第3页/共32页第三页，共33页。第二节半纤维素、半纤维素酶类和低聚木糖第4页/共32页第四页，共33页。木材细胞壁的构造及组成：瘤层 内层中层外层初生壁 中胶层 次生壁中胶层：厚约为m，位于细胞之间，负责将它们连在一起，在成熟的木材中，中胶层是高度木化

3、的。初生壁：位于细胞外的初生壁是一层厚约0.1-0.2 m壁，由半纤维素，纤维素、果胶和完全包在木质素中的蛋白质组成。次生壁：分为三层，由内向外、内层，中层，外层。由包裹在木质素和半纤维素中定位不同的纤维素纤丝组成，并代表了纤维素合成阶段及在最初原生质中的位置，只要植物细胞壁的天然结构保持完好，其中木质素就能防止降解(jin ji)酶类接触纤维素纤丝。第5页/共32页第五页，共33页。第6页/共32页第六页，共33页。一、半纤维素1.半纤维素：是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。单糖聚合体间分别以共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们(t men)与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等

4、构成具有一定硬度和弹性的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。是植物纤维材料中除去纤维素和果胶之外的碳水化合物，是植物纤维原料中的主要成分之一。2.1 半纤维素的组成及基本(jbn)结构第7页/共32页第七页，共33页。D-木糖D-甘露(gnl)糖D-葡萄糖D-半乳糖2 组成(z chn)无热量甜味剂；对人体肠道内的双歧杆菌(gnjn)有较高的增殖作用 半纤维素只是一群糖共聚物的总称。这些糖基形成基础链（主链），其它糖基作为支链连接于基础链上第8页/共32页第八页，共33页。不同来源(liyun)半纤维素的组成木本植物(mbnzhw)：D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等草本

5、植物(cobnzhw)和谷类：D-木糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖第9页/共32页第九页，共33页。二、纤维素和半纤维素化学结构(jigu)的差别1、由不同的糖单元组成，纤维素只含有葡萄糖，为同聚多糖。半纤维素含有多种糖，可能为同聚多糖，也可以为两种或多种单糖形成的杂聚多糖。2、糖链链长的聚合度不同，纤维素的糖链较长，半纤维素的链长较短。3、两类物质(wzh)的分子中分支不同，纤维素无分支，半纤维素有分支，有的单糖只出现在支链上。组成(z chn)不同长短不同形状不同第10页/共32页第十页，共33页。三、半纤维素的分类(fn li)1 对碱的溶解性不同(b tn)半纤维素24% K

6、OH不溶溶解(rngji)聚葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖Ba2+配合物析出聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖2、根据主链的糖基不同 如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖，聚半乳糖葡萄糖甘露糖类等。第11页/共32页第十一页，共33页。1 木聚糖：主链为-D-吡喃木糖以-1,4-糖苷键连接而成的线状分子(fnz)，分子(fnz)量约30000（200个糖单位），白色无定形粉末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液。2 木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖类广泛存在于自然界，几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素。3 不同植物所含木聚糖多少也有所差别 一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占

7、干重的15%-30%。 一些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖含量非常高，一般能高达30%以上。四 木聚糖类线状分子(fnz)与直链无分支一样吗？第12页/共32页第十二页，共33页。4 同聚多糖同聚多糖(du tn)与异聚多糖与异聚多糖(du tn)5 木聚糖分类：木聚糖分类： 硬木(yngm)木聚糖软木(runm)木聚糖草木类木聚糖组成单位： O乙酰4O甲基葡萄糖醛酰木糖聚合度：150-200高度乙酰化，发生在C3位组成单位：阿拉伯4O甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基聚合度：70-130非乙酰化组成单位：L呋喃型阿拉伯糖基、 4O甲基D吡喃葡萄糖醛酸基聚合度：70-130第13页/共32

8、页第十三页，共33页。7）面团形成过程Dough formation:小麦粉和水 -混合 揉捏- 疏水相互作用和二硫键 -线状多聚物 多聚物之间相互作用 氢键、疏水相互作用、 二硫键 - 面团形成 -发酵(f jio)(产气泡) - 气液界面形成强膜。第14页/共32页第十四页，共33页。 大多数的细菌和真菌能够分泌胞外木聚糖酶，释放木糖，为在木聚糖上生长的异养生物提供养料。 瘤胃微生物是具有潜力的半纤维素酶产生者。 瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢有较高的胞外半纤维素酶活性。 很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺少(qusho)外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。 胞外半纤维素

9、酶活力较强的微生物曲霉，枯草杆菌，厌氧性的梭状芽孢杆菌。第15页/共32页第十五页，共33页。半纤维素降解(jin ji)酶1 木聚糖降解酶系的多样性（1）由于来源的不同(b tn)，故木聚糖酶的组成，性质均不相同（2）木聚糖本身结构的杂合性决定了它不可能被任何一种单一的酶类彻底降解。（3）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它们的接近性也不是等同的（4）由于同种异形酶或同基因的不同(b tn)等位基因的产物，经过翻译后修饰和加工形成同工酶。第16页/共32页第十六页，共33页。2.4 木聚糖降解(jin ji)酶的分类根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分为(fn wi)6类： 内切木

10、聚糖酶 木糖苷酶（外切酶） L-呋喃型阿拉伯糖苷酶 葡萄糖醛酸苷酶 乙酰木聚糖酯酶 酚酸酯酶。作用(zuyng)于主链作用于还原端第17页/共32页第十七页，共33页。（1） 内切木聚糖酶内切木聚糖酶作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度聚合度作用步骤作用步骤(bzhu)：木聚糖：木聚糖 低聚木糖低聚木糖 木三糖，木二糖，木三糖，木二糖，根据酶理化性质根据酶理化性质 分子质量分子质量30K的酶（通常为的酶（通常为硷性蛋白）硷性蛋白） 分量质量分量质量 30K（酸性蛋（酸性蛋白）白） 最适条件：多数最适最适条件：多数最适PH，最适反应温度，最适

11、反应温度4575 之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值值2的寡聚木聚糖的寡聚木聚糖 影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用制作用不生成(shn chn)木糖第18页/共32页第十八页，共33页。（2） 木糖苷酶有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体在细菌和酵母中， 木糖苷酶主要存在于细胞内。作用于寡聚木糖，属外切酶，主要水解短链的低聚木糖或木二糖，并从非还原性末端(m dun)释放出木糖最佳底物：二聚木糖 木糖苷酶是一个多功能酶第19页/共32页第十九页，共33页。（3） L呋喃型阿拉伯糖苷酶存在形式(x

12、ngsh)多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚体等形式(xngsh)存在。分为两种类型：外切型：占多数，作用(zuyng)于对硝基酚呋喃型阿拉伯糖苷和分支阿拉伯聚糖 内切型：占少数，作用(zuyng)于线形阿拉伯聚糖（4） 葡萄糖醛酸苷酶此酶水解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的 糖苷键第20页/共32页第二十页，共33页。（5）乙酰木聚糖酯酶作用位点：木糖残基C2 C3 位上的乙酰取代基因酶在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团； 酶在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团作用：消除乙酰基团对内(du ni)切木聚糖酶作用的空间的阻碍作用，增强内切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力（6）酚酸酯酶此酶主要包

13、括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键第21页/共32页第二十一页，共33页。（1）（2）（3）（4）第22页/共32页第二十二页，共33页。2.5 木聚糖酶的催化特性1、木聚糖酶作用的温度与PH 不同来源(liyun)的木聚糖酶其催化特性是有差异的，它们有不同的最适PH和最适作用温度1）多数木聚糖酶在酸性范围内，最适温度40 -60 2）真菌木聚糖酶的耐热性通常比细菌木聚糖酶差一些。3）酶活性的改变与PH变化关系呈现钟罩形曲线，PH通过影响酶活性中心基团的电离程度或使酶的构型发生变化而影响酶活性第23页/共32页第二十

14、三页，共33页。2、木聚糖底物专一性1）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2）实验表明不同的木霉木聚糖酶对底物具有高度选择性3）木聚糖酶的底物特异性包括底物组成的特异性，对特定(tdng)键水解的特异性，对带有取代基底物的特异性4）根据木聚糖酶对底物组成特异性的不同可将其分为特异性酶和交叉特异性酶，前者只分解木聚糖的糖苷键，后者除分解木聚糖的糖苷键外还分解纤维素的糖苷键第24页/共32页第二十四页，共33页。3、不同水解酶之间的协同增效作用1） L呋喃糖苷酶与

15、内切木聚糖酶协同作用2）乙酰木聚糖酯酶与内切木聚糖酶协同作用3）内切木聚糖酶与木糖苷酶之间协同作用4）内切木聚糖酶与酚酸酯酶协同作用5）不同的内切木聚糖酶之间协同增效作用6）当几种酶混合(hnh)在一起时，有时起协同作用，但有时无协同作用甚至起抑制作用抑制作用机制有两个：A：一种酶与木聚糖的结合(jih)阻碍了第二种酶与之结合(jih)B：一种酶作用于底物改变(gibin)了底物原有的分子构型第25页/共32页第二十五页，共33页。4、木聚糖酶的分子结构域、木聚糖酶的分子结构域木聚糖酶分子结构可分为木聚糖酶分子结构可分为(fn wi)两种类型两种类型单结构域酶多结构域酶单结构域酶多结构域酶A、

16、催化域、催化域1）木聚糖酶的催化域（）木聚糖酶的催化域（CD）承担着酶的水解功能，并作为）承担着酶的水解功能，并作为该酶的分类基础该酶的分类基础2）一般地，大部分木聚糖酶只含有一个单一的催化域，但在）一般地，大部分木聚糖酶只含有一个单一的催化域，但在自然界中也发现有些木聚糖酶含有两个催化域自然界中也发现有些木聚糖酶含有两个催化域第26页/共32页第二十六页，共33页。B、纤维素结合域（ CBD ）1）许多木聚糖酶分子中存在着CBD，CBD中带电荷(dinh)氨基酸含量较小，除甘氨酸，天冬氨酸之外，还含有4个高度保守的色氨酸残基。2）这些结合域起到了两个可能的作用：打开植物细胞壁的结构，使得酶分

17、子能够更容易地接近底物并水解，提供了一种普遍的机制，使得联合的水解酶在植物细胞壁的表面积累，导致不同的酶之间发挥协同作用。C、木聚糖结合域（XBD）D、连接序列E、热稳定域F、纤酶小体结合域 许多降解纤维素的厌氧细菌产生的纤维素酶和木聚糖酶往往聚集成与细胞壁相连的四级结构复合物，称之为纤酶小体作用：它可将细菌细胞吸附于纤维素物质的表面并用速分解之，并使菌体细胞快速有效地吸收水解产物。第27页/共32页第二十七页，共33页。3 3、 低聚木糖生产工艺低聚木糖生产工艺 1）低聚木糖生产的几种( j zhn)途径： 富含木聚糖的原料(yunlio)化学(huxu)处理木聚糖酶处理分离纯化低聚木糖酸液

18、碱液蒸汽木聚糖酶 Xylanase吸附，离子交换沉淀，萃取等第28页/共32页第二十八页，共33页。 2) 富含木聚糖的原料（Biomass) 玉米芯 35-40%，棉子壳25-28%， 蔗渣 24-28%， 稻壳 24-32%， 麦杆14-15%， 桦木 24-32%， 油茶壳 24-32%。 3）化学处理 稀酸、稀碱溶液和蒸汽处理 蒸汽或者Autohydrolytic 处理-热蒸汽把木聚糖的乙酰基切下，形成(xngchng)乙酸，进而降解木聚糖。此法不加化学物质，非常符合环保要求。DP20第29页/共32页第二十九页，共33页。 4) 真空浓缩等精制处理 真空浓缩是为了增加XO浓度，除去乙酸等挥发性物质和前体。 分离不同DP值的XO可以(ky)用膜法，也可以(ky)用不同浓度的乙醇溶液。吸附是要除去非糖成分。 离子交换和色谱分离分别适用于脱盐和去色素物质。第30页/共32页第三十页，共33页。5) 5) 对木聚糖酶的要求对木聚糖酶的要求(yoqi)(yoqi) 1）木聚糖酶要以内切型（endoxylanase) 为主，外切（Exo-xylanase) 和 木糖苷酶 (- xylosidase) 活力要低。 2）木聚糖酶在XO的生产成本中占有较大比例，提高酶活力，降低酶生产成本，是实现(shxin)XO工业化的前