木聚糖酶的研究進展

王秋影，廖美德

（華南農業(yè)大學天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室，廣州 510642）

木材、禾本科植物、農作物殘留物等木質纖維素類生物質的細胞壁由纖維素、半纖維素和木質素組成[1]。木聚糖是除纖維素外含量最為豐富的天然細胞壁多糖，是存在于植物細胞壁和胞間層中的半纖維素成分[2]。木聚糖是一種由木糖、葡甘聚糖、半乳甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖組成的異質多糖，其主鏈骨架由多個D-木糖殘基通過β-1,4 糖苷鍵連接而成[1]。在眾多可降解木聚糖的酶中，內切β-1,4-D-木聚糖酶（EC 3.2.1.8）起主要作用，木聚糖酶通過隨機水解β-1,4糖苷鍵產生不同長度的低聚木糖[3]。木聚糖的完全降解，可以產生多種形式的纖維素類物質，從而有利于提高麥秸、玉米芯、雜粕等非常規(guī)、低成本原料的工業(yè)利用率和飼料轉化效率[2]。研究表明，木聚糖酶可以提高畜禽飼料利用率，促進養(yǎng)分的消化吸收，有利于維持腸道微生態(tài)并可降低污染[4]。木聚糖酶在許多工業(yè)化生產中起著至關重要的作用，并且在改善焙烤食品、動物飼料以及漂白紙漿中作為一種添加劑使用，充分顯示了其廣闊的應用前景[3]。本文針對木聚糖酶的分類、分子結構、生化特性、發(fā)酵調控技術及應用研究進展作以綜述，以期為相關研究提供參考。

1 木聚糖酶的分類

木聚糖酶是指可以催化水解多糖——木聚糖為低聚木糖或木糖的一類多功能酶的總稱。主要包括內切-β-1,4-D-木聚糖酶（EC 3.2.1.8），可隨機切開木聚糖主鏈骨架的1,4-β-D 木糖苷鍵，將其酶解為低聚木糖，主要生成木二糖和木三糖等木寡糖，很少生成木糖；外切-β-1,4-D-木聚糖酶（EC 3.2.1.92）的目標位點在木聚糖和低聚木糖的非還原端，產物是木糖；β-木糖苷酶（EC 3.2.1.37）的目標位點在低聚木糖的還原端，水解產物是木糖殘基，是唯一的可以催化降解木二糖的酶，其通過酶解低聚木糖末端而釋放木糖殘基。狹義的木聚糖酶僅限于內切-β-1,4-D-木聚糖酶[5]。

木聚糖是來源于木材、谷物以及其他植物的雜合多聚分子，支鏈較多且取代基各不相同，因此完全催化水解木聚糖就需要具有不同催化性能的特異性酶類即支鏈酶的作用[3]。這些酶主要有乙酰木聚糖酯酶（EC 3.2.1.6）、α-D-葡萄糖醛酸苷酶（EC 3.2.1.1）和α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶（EC 3.2.1.55）等。其中，乙酰木聚糖酯酶的功能是催化水解乙酰化木聚糖，協(xié)同作用于內切木聚糖酶；后兩者催化水解木聚糖的側鏈，加速低聚木糖的產生[6]。

2 木聚糖酶的分子結構

木聚糖酶的分子結構和理化性質隨其來源不同而有較大差別，一些木聚糖酶只含有單一的催化結構域，另一些則同時具有催化和其他多種非催化結構域。多結構域木聚糖酶分子中含有承載不同生理生化功能的催化結構域、熱穩(wěn)定結構域、錨定結構域、木聚糖結合結構域、纖維素結合結構域、重復序列、連接序列及其他未知功能的非催化結構域等，這些結構域共同完成該酶對底物的催化降解。作為木聚糖酶分類基礎的催化結構域承擔著酶的催化水解功能。不同木聚糖酶分子的氨基酸組成種類和數目差異較大，但其催化結構域大小基本一致；決定催化特性的主導因素是天冬氨酸和谷氨酸在催化區(qū)的特定位置。研究表明，同一族的木聚糖酶其催化結構域具有同源性[7-8]。

3 木聚糖酶的生化特性

不同來源的木聚糖酶在相對分子質量、酸堿穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、等電點、氨基酸組成、糖基化學理化性質存在相似性。微生物木聚糖酶多數是簡單的單亞基蛋白；不同來源的木聚糖酶通常在pH 3～10 保持穩(wěn)定，最佳反應pH 4～7；細菌和真菌木聚糖酶的最佳反應溫度為40～60℃，作用溫度較溫和，不易對原材料中的營養(yǎng)物質造成破壞，來源不同的木聚糖酶其等電點在3～10；木聚糖酶的氨基酸組成之間差異不是非常顯著，氨基酸主要有蘇氨酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸和絲氨酸等；真核微生物木聚糖酶通常為糖基化酶，糖類與蛋白質共價連接或與木聚糖酶形成可解離的復合體。糖基化是對蛋白質的重要修飾，有調節(jié)蛋白質功能的作用，同時糖基化也是酶應對非常環(huán)境并保持穩(wěn)定的手段之一[9-10]。

4 木聚糖酶的發(fā)酵調控技術研究

影響木聚糖酶發(fā)酵生產的關鍵因素有產酶菌株的性能、誘導物、培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基組成；其他次要影響因素包括誘導物的水平、底物的易接近性、釋放低聚木糖的速率、酶與底物結合的緊密度、菌體本身代謝所產生的酶等[11]。

按照發(fā)酵形式的不同，真菌木聚糖酶的發(fā)酵分為固體和液體發(fā)酵兩種。一般采用未經精制的農副產品為底物進行固體發(fā)酵，現在多采用價格低廉的半纖維素，如麥麩、稻草、玉米軸穗、米糠、甘蔗渣和玉米秸稈等；使用的菌種為木霉、曲霉、青霉、耐堿嗜溫性桿菌等[7]。

Kumar等在無菌條件下，利用水稻秸稈為底物對原小單孢菌屬MARS進行固態(tài)發(fā)酵生產木聚糖酶的研究，其木聚糖酶產量為85.0 U·g-1[12]。Nawel 等利用分離自阿爾及利亞土壤中的反硝化瓊斯氏菌BN-13生產胞外木聚糖酶，在溫度為50℃、pH 7.0時酶活性最佳，在存在金屬離子時（如Mn2+）酶活性將增加，該菌株所產的胞外木聚糖酶具有很好的熱穩(wěn)定性，在50℃處理7 h后仍可保持50%酶活性[13]。Garai 等利用麥麩作為基質對白色曲霉進行了固體發(fā)酵研究，研究表明，在試驗氮源中，硝酸銨是最佳氮源，培養(yǎng)時間、溫度、含水量等物理參數利用Box-Behnken 法進行優(yōu)化，在最佳發(fā)酵條件下木聚糖酶的最大活性為770 U·g-1（底物干重），將木聚糖粗酶制劑作用于硫加氨水的木質纖維素材料，如玉米芯、麥秸、甘蔗渣以及銀膠菊，進行糖化，結果表明，玉米芯產糖量最大，經過響應面分析法優(yōu)化后，其還原糖產量為438.47 mg·g-1[14]。Walia等從蘑菇堆肥中分離到纖維菌屬（Cellulosimicrobium sp.）CKMX1，在35℃，pH 8.0 的條件下可以產生木聚糖酶，用蘋果渣作為固體發(fā)酵基質，經過對培養(yǎng)類型、蘋果渣的顆粒大小、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)溫度、起始pH 以及接種量進行優(yōu)化后，其木聚糖酶最高活性為535.6 U·g-1（菌體+蘋果渣干重），又采用中心組合設計和響應面分析法對酵母提取物、尿素、吐溫20 以及羧甲基纖維素4個獨立的變量進行優(yōu)化，此步驟優(yōu)化后木聚糖酶活性有了很大提高，達到861.90 U·g-1[15]。

5 木聚糖酶的應用研究

5.1 木聚糖酶在飼料工業(yè)中的應用

飼料中一般含有阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、α-半乳糖苷、果膠、纖維素等非淀粉多糖。研究發(fā)現，木聚糖是小麥、小麥麩以及黑麥中非淀粉多糖（NSP）的主要成分，單胃動物不能正常消化分解這種多糖，從而使其成為一種抗營養(yǎng)因子[4]。NSP能夠結合大量的水，使采食動物消化道中的食糜體積增大，黏度增加，形成凝膠，嚴重干擾內源消化酶的功能，導致食糜在消化道中的滯留時間延長，改變腸道微生物菌群（部分有害微生物異常繁殖）、抑制動物生長、飼料消化率降低，表觀代謝能受抑制。據報導，向飼料中添加木聚糖酶，可有效改善飼料性能，降低或消除非淀粉多糖引起的抗營養(yǎng)作用[16-17]。唐勝球等研究結果表明，飼料中通常含有多種抗營養(yǎng)成分，所以添加的酶一般是含有β-葡聚糖酶、纖維素酶和半乳糖酶等的復合酶，前兩者協(xié)同作用，效果顯著[18]。

在飼料中添加木聚糖酶能有效提高飼料利用率和動物的生產性能。王利等研究表明，小麥基礎飼糧中添加木聚糖酶可顯著改善飼喂小麥基礎飼糧生長豬的生長性能和營養(yǎng)物質表觀消化率（P＜0.05），平均日增重和平均日采食量分別提高了26.0%和16.5%，此外，還可維持腸道微生物菌群的平衡，在木聚糖含量為11.2%的生長豬小麥基礎飼糧中，木聚糖酶的適宜添加水平為2000 U·kg-1[19]。郝瑞榮等報導，在低磷飼糧中添加木聚糖酶，能促進斷奶仔豬對鈣、磷的消化利用及骨骼生長[20]。徐駿等報導，添加木聚糖酶0.05%使試驗仔雞增重提高，料重比降低[21]。

5.2 木聚糖酶在食品工業(yè)中的應用

木聚糖酶能從富含半纖維素類的玉米芯、甘蔗渣、小麥麩、秸稈等農林廢棄物分解得到低聚木糖。由于低聚木糖具有低熱量、低糖度的特性，食用后不會導致血糖濃度的大幅上升，因而可作為糖尿病或者肥胖癥患者的甜味劑[22]。另外，低聚木糖是難發(fā)酵性糖，不易造成齲齒。采用木聚糖酶水解法生產低聚木糖具有易于控制水解速度及程度、反應專一性強、所得產物易分離、精制較為容易等優(yōu)點、并逐漸成為生產高品質低聚木糖的主要方法。隨著人們生活質量的提高，低聚木糖在保健品市場將具有很好的前景[23]。

目前，應用于食品工業(yè)領域中有關低聚木糖的商業(yè)木聚糖酶有荷蘭吉斯特-布羅卡德斯公司的Rapidase Pomaliq、丹麥諾維信公司的Shearzyme和中國新華揚生物技術有限公司的Sunzymes 等[24-26]。Yuan 等分離純化出兩個來自枯草芽孢桿菌的木聚糖酶xyl Ⅰ和xyl Ⅱ，研究了內切木聚糖酶xyl Ⅱ對不溶性膳食纖維——麥麩的降解活性，色譜分析結果表明，酶解產物中含有麥麩低聚木糖[27]。Fang 等分離純化出肉色曲霉M34 胞外木聚糖酶，選用稻殼半纖維素作為產低聚木糖的原料，用該木聚糖酶進行降解，降解產物中可檢測到麥麩低聚木糖，結果表明，此麥麩木糖具有潛在的抗氧化活性，并且具有很好的雙歧菌增殖活性[28]。

此外，木聚糖酶在果汁生產、面包品質改良、香料和色素的提取、咖啡生產、植物油生產、淀粉生產及釀酒工業(yè)中也有廣闊的應用前景。

5.3 木聚糖酶在造紙工業(yè)中的應用

木聚糖酶可應用于紙漿漂白、生物制漿、廢紙二次纖維回收、紙張表面處理及二次纖維脫墨處理等，用木聚糖酶作為紙漿漂白劑助劑，不但能減少氯用量減少環(huán)境污染，還可增強其漂白性能[6,29]。慕娟等研究表明，將堿性木聚糖酶應用于麥草漿造紙中，可以減少氯用量20%，并且可以改善紙張品質，提高紙漿白度3%～6%[30]。陳艷希等利用堿性木聚糖酶輔助漂白馬尾松硫酸鹽漿的研究表明，有效氯用量減少了31%，漂白廢水中可吸附有機鹵化物（AOX）可降低25%[31]。隨著技術的發(fā)展，結合漂白工藝的改革，相信未來可進一步實現無氯漂白，解決紙漿工業(yè)中的環(huán)境污染問題，使造紙技術更環(huán)保、更高效。

5.4 木聚糖酶在能源轉化方面的應用

能源是人類活動的物質基礎，人類社會的發(fā)展離不開先進能源技術的使用和優(yōu)質能源的開發(fā)。當今世界能源短缺問題日益嚴峻，尋找新能源迫在眉睫。燃料乙醇代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源被認為是解決能源危機和排放污染問題的有效方法之一[6]。生產燃料乙醇的原料主要是甘蔗、玉米等，而目前人類面臨著糧食危機，因此應用糧食生產燃料乙醇沒有太大的實際意義[32]。我國是農業(yè)大國，有豐富的農產品廢棄物，其可再生纖維素資源作物秸稈可用來開發(fā)燃料乙醇，這將產生巨大的經濟效益，同時也可減輕工業(yè)對環(huán)境造成的污染，促進自然界中的碳素循環(huán)[33]。木聚糖酶可與其他酶協(xié)同作用，將植物纖維降解為戊糖和己糖，然后將其作為發(fā)酵底物，進一步通過微生物作用產生乙醇[34-36]。構建乙醇發(fā)酵用工程菌、開發(fā)秸稈纖維酶法降解工藝、優(yōu)化相關發(fā)酵工藝的研究等都為其工業(yè)化生產奠定了基礎。周振利用木聚糖酶和纖維素酶協(xié)同降解玉米秸稈，使糖化率達到54.79%[37]。

6 展 望

隨著生物技術的不斷發(fā)展，木聚糖酶的研究開發(fā)備受關注。木聚糖酶具有巨大的潛在應用價值，但存在諸多問題，其中最受關注的問題是木聚糖酶的生產成本較高。我國對木聚糖酶的研究起步較晚，對其分子機理的研究與國外還有一定差距；難以獲得優(yōu)良的高產菌株，原菌產酶量低等問題也使其應用受到很大限制。隨著對菌種選育方法的不斷改善以及基因工程、蛋白質工程等現代生物技術手段在木聚糖酶上的應用，將會有性能更加穩(wěn)定、活性特質更多、作用活性更高和使用范圍更加寬松的木聚糖酶產生，從而有利于推動商業(yè)化應用的健康快速發(fā)展。

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