木聚糖酶的应用

【背景及概述】^[1][2][3]

半纤维素是聚合碳水化合物，是在植物细胞壁中与纤维素紧密结合的几种不同类型的多糖混合物，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种组分。半纤维素是自然界中第二大丰富的多聚糖，而木聚糖是半纤维素中的主要成分，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%。木聚糖是一种复杂的多糖类物质，其主干由β-1，4-糖苷键将β-D-吡喃木糖连接成多聚物；在多聚物主链β-D-吡喃木糖残基的O-2或O-3位置上连有4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸、α-L-阿拉伯糖等，其中软木木聚糖结构上前者含量较高；同时其C2或C3常常会被乙酰化，被子植物如硬木的木聚糖中有70%~80%在C2或C3上被乙酰化，这影响了木聚糖在水中的可溶性，也就意味着自然界中有很大部分的木聚糖很难被分解利用。木聚糖酶可从动物、植物和微生物中获得，目前木聚糖酶的生产主要依靠真菌、细菌等微生物的发酵。木聚糖酶水解木聚糖，是以随机方式作用于木聚糖主链，使之降解为低聚木糖及木糖。木聚糖的催化机制主要为双替位机制(Double displacementmechanism)，也有极少数的木聚糖酶执行单替位机制(Sing le displacement mechanism)。木聚糖酶是一种可将木聚糖降解成低聚木糖和木糖的多组分复合酶系，在半纤维多聚糖资源的利用以及工业应用方面有巨大潜力。

【来源】^[1]

木聚糖的结构复杂，在主链上常常连有种类不一的支链。因而要降解利用木聚糖，亦需要相应的各种酶的作用。木聚糖酶广义上说是一种多聚复合酶，是能降解木聚糖的一类酶的总称。它在自然界中来源极为广泛，存在于细菌、真菌、蜗牛、甲壳动物、反刍动物、海洋藻类、陆地植物组织等。被报道的产木聚糖酶的微生物有木霉、曲霉、青霉、链霉菌、细菌等，其中被研究较多的是木霉、曲霉、细菌所产生的木聚糖酶，且不同来源的木聚糖酶它们的酶学性质也有所差异。

【分类】^[1]

广泛意义上的木聚糖酶主要包括有三类：外切-β-1，4-木聚糖酶（EC 3.2.1.92），该酶作用于寡聚木糖及木聚糖的非还原端；内切-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-木聚糖的主链内部切割

β-1，4-糖苷键，该酶从不同位点上切割木聚糖和长链的寡聚木糖，并产生木二糖及低聚木糖等水解产物；β-1，4-木糖苷酶（EC 3.2.1.37），通过水解低聚木糖的末端来催化释放木糖残基。狭义的木聚糖酶则指的是内切-β-1，4-木聚糖酶。

【结构】^[1]

木聚糖酶来源广泛、结构复杂，若按照糖苷水解酶催化区域的氨基酸序列同源性和疏水性分析，则糖苷水解酶类可被分成多个家族。经研究发现，根据水解酶分类系统木聚糖酶主要包含有G/11和F/10家族水解酶类。F/10家族木聚糖酶包含有内切-β-1，4-木聚糖酶、内切-β-1，3-木聚糖酶等，其分子量相对较大，pI值较小，可以作用于对硝基苯纤维二糖和对硝基苯，低聚木糖是底物降解的主要产物；G/11家族木聚糖酶单一，pI值较大，分子量一般较小，对木聚糖的特异性相对较高，且其酶解产物主要为木糖。当然在糖苷水解酶类5、7、8、16、26、43、52、62家族中也发现有些有木聚糖酶活性。木聚糖酶，据其基因结构及功能的分析表现出，有些木聚糖酶仅含催化区（CD），有些则除了含有催化区外，还可能含有一些非催化区，如纤维素结合区（CBD）、木聚糖结合区（XBD）、热稳定结构区（Thermostabilising Domain）、连接序列（Linker Sequence）及其他未知功能的非催化区以及催化区等。

【生产】^[2]

聚糖酶的纯化技术与纯度是决定其生产成本及市场竞争力的重要因素。在传统工艺中，微生物产木聚糖酶大部分是通过色谱法得到纯化。虽然色谱法具有较高的分辨率，但多步纯化耗时、回收率低，不适合高纯度木聚糖酶的产业化生产。目前，研究者在研究基于双水相纯化技术(Aqueous Two-Phase，ATPS)的衍生技术、三相分离体系(Three-phase parti tioning ，TPP)和扩张床吸附技术(Expanded bed adsorption ，EBD)。通过TPP 纯化Aspergillus niger 木聚糖酶，活性回收率达60 %，纯化倍数达95 倍。用扩张床吸附技术纯化木聚糖酶，虽然只有21 .8 %的活性回收率和30 倍纯化，但该技术有经济、省时、木聚糖酶发酵液不需沉淀澄清等优点。

【应用】^[1][3]

1.木聚糖酶在造纸中的应用

制浆和造纸工业中常常用氯来进行漂白，将对环境造成一定的破坏。而木材半纤维素主链中的两种基本成分是木聚糖和葡甘露聚糖，木聚糖酶能够水解木聚糖，它能增强纸浆纤维的多孔性，有利化学药品的渗透，从而提高木质素的提取率，用少量的氯来达到漂白效果。借助木聚糖酶来帮助造纸工业中的漂白是一种低投入，经济且环保的方法，在1987年就有研究者证实了木聚糖酶能够降低环境污染药物在造纸工业中的用量；用来自耐热嗜碱芽孢杆菌的木聚糖酶先处理甘蔗渣后，漂时过氧化氢的用量减少10卡帕，并且亮度增加了2.5%。

2.木聚糖酶在饲料中的应用

在谷物细胞壁中含有阿拉伯木聚糖等抗营养因子，从而会影响家禽对营养的吸收。木聚糖酶伴随着葡聚糖酶、果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、植酸酶等运用于动物饲料中，这些酶能够破坏阿拉伯木聚糖等抗营养因子的完整性，从而减小原材料的粘度，促进动物对饲料营养物质的消化吸收。研究发现：在以玉米-豆粕-杂粕型为基础日粮，分别在基础日粮上添加250g/t和500g/t的木聚糖酶，结果整个阶段的肉鸭生长增重分别比对照组增加了2.77%和4.96%，料重比分别下降了1.85%和2.11%，得出使用木聚糖酶对肉鸭的生产性能有一定的提高。通过在日粮中加入阿拉伯木聚糖酶来研究仔猪生理生化指标变化情况，得出在日粮内添加阿拉伯木聚糖酶能提高断奶仔猪的日增重，并且影响仔猪生长性能和相关血液的生化指标。

3.木聚糖酶在食品工业中的应用

木聚糖酶已广泛的被用在面包加工制作业上，木聚糖酶能作用于水不溶性的木聚糖主干，释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，提高面包的烘焙质量。阿拉伯木聚糖的广泛水解所引起的水在面筋及淀粉的分配，使得面团更加柔软且更有粘性。小麦中的木聚糖会影响面团的流变学特性和面制品的品质，而木聚糖酶能够有效的改变生面团的流变性质。在研究木聚糖酶对饼干加工制作的影响中发现，木聚糖酶可以提高面团的拉力和柔软度，从而降低了饼干的硬度并提高其伸展度。木聚糖酶降解产物木糖单体可衍生而成木糖醇，其可作为糖尿病或是肥胖症患者的甜味剂，在市场上是一种畅销的糖类替代品。

4.木聚糖酶在酿酒工业中的应用

木聚糖酶可以作用于植物细胞壁内的木聚糖，促进半纤维素的降解和淀粉的释放，提高发酵效率，并增加乙醇的产率；同时能够减少发酵液内的黏稠度，提高啤酒的清澈度，改善啤酒的口感。

5.其他方面应用

木聚糖酶的作用甚广，除了上述作用外，木聚糖酶还可被用在生物学实验研究中；在植物油、淀粉、可溶性咖啡的制备过程中，木聚糖酶的作用可降低提取液的黏度，提高浓缩效率；木聚糖酶的降解产物木糖可以作为一些微生物的发酵底物，并进一步用于发酵生产有价值的燃料及化工原料。

【主要参考资料】

[1] 叶世超, 薛婷, 何文锦, 叶冰莹, 魏芳, & 陈由强. (2013). 木聚糖酶的应用及其研究进展. 中国酿造, (7), 8-10.

[2] 聂国兴, 王俊丽, & 明红. (2008). 木聚糖酶的应用现状与研发热点 (Doctoral dissertation).

[3] 闵兆升, 郭会明, 顾承真, & 洪厚胜. (2013). 木聚糖酶及其在食品工业中的应用. 食品与发酵工业, 39(10), 168-173.