植物內切β-木聚糖酶的研究進展

王慶東 候志斌 許文杰

摘要 ? ?β-木聚糖酶是與細胞壁半纖維素降解密切相關的一類酶。本文總結了植物木聚糖酶的特征和分類，介紹了其在植物生長發育中的功能，概述了其在啤酒釀造等行業中的應用現狀，以期為深入開展植物源β-木聚糖酶的研發提供理論依據。

關鍵詞 ? ?植物;木聚糖酶;研究;開發

中圖分類號 ? ?TS201.2 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0211-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract ? ?β-xylanase is a type of enzymes closely related to cell wall hemicellulose degradation.This article summarized the characteristics and classification of plant xylanase，introduced its function in plant growth and development，and summarized its current application in beer brewing and other industries，in order to provide the theoretical basis for further developing plant-derived β-xylanase.

Key words ? ?plant;xylanase;research;development

半纖維素是自然界中第二大豐富的多聚糖，而木聚糖是植物半纖維素的主要化學成分，它常與少量的葡萄糖、甘露聚糖、阿拉伯木聚糖、木葡聚糖和半乳葡萄甘露聚糖等聚合成具有支鏈的高分子化合物[1]。舒爾茨于1891年從植物組織中分離出一類多糖，認為是纖維素的半成品或纖維素的前體分子，將其命名為半纖維素[2]。自然界中木聚糖的存在形式多樣，結構變化較大，且多為異型糖。研究發現，闊葉材與禾本科草類的半纖維素主要是聚木糖類;針葉材的半纖維素以聚半乳糖葡萄甘露糖類為主，而主鏈上的葡萄糖基與甘露糖基的分子比也因木材種類不同而在1∶1～1∶2之間變動。

木聚糖酶是一類可以將木聚糖水解為低聚木糖和木糖的復合酶系[3-4]。研究表明，木聚糖酶的來源不同，結構和酶學性質差異較大[5]，木聚糖酶除了含有催化區外，尚含有一些重要的非催化區，如纖維素結合區、木聚糖結合區、熱穩定區、鏈接序列以及其他未知功能的非催化區[6]。木聚糖酶已在細菌、真菌、蝸牛、甲殼動物、反芻動物、海洋藻類、陸地植物等生物中被發現。研究較多的是木霉、曲霉和細菌等來源的木聚糖酶[7]，近年來，植物中木聚糖酶的研究日漸增多。

1 ? ?植物木聚糖酶的分類

木聚糖酶主要有內切酶和外切酶。其中，外切-β-1，4-木聚糖酶作用于木聚糖的非還原末端，以單個木糖為降解單位，不斷增加整個反應體系的還原性[8]。內切-β-1，4-木聚糖酶優先從不同位點上作用于長鏈寡聚糖和木聚糖，切割β-1，4-木聚糖主鏈內部的木糖苷鍵[9]，把木聚糖降解為木二糖及木二糖以上的寡聚木糖，也有少量的木糖和阿拉伯糖。依水解酶分類系統，木聚糖酶主要屬于G11和F10家族水解酶類，其中，水解主鏈發揮主要作用的內切-β-1，4-木聚糖酶和內切-β-1，3-木聚糖酶等都屬于分子量相對較大而pI值較小的F10家族;而G11家族木聚糖酶結構單一，pI較大，分子量較小，對木聚糖酶的特異性很高，酶解產物主要為木糖[10]。因不同來源木聚糖主鏈的聚合度各異，主鏈取代基的種類、數量、長度和取代位點也不一樣。因此，常需要多種酶的協同作用，才能徹底降解木聚糖[10]。主要包含以下幾種類型的酶。

1.1 ? ?內切β-1，4-D-木聚糖酶[EC 3.2.1.8]

內切β-1，4-D-木聚糖酶簡稱木聚糖酶，作用于木聚糖主鏈的糖苷鍵，主要生成木二糖和木三糖等，很少生成木糖[11]。內切β-1，4-D-木聚糖酶是木聚糖酶解反應中的關鍵酶，也是當前的研究熱點。目前，已從擬南芥、大麥和玉米等多種植物中分離純化出等電點和分子量不同的內切木聚糖酶具體信息，如表1所示。

1.2 ? ?β-D-木糖苷酶[EC 3.2.1.37]

β-D-木糖苷酶的作用位點是低聚木糖的非還原端，可并釋放出單個木糖。純化后的β-木糖苷酶可能具有雙功能的酶活性，例如，從 T.reesei、Butyrivibrio ?fibrisolven、Clostridium ?stercorarium 和H.vulgare等物種中獲得的β-木糖苷酶同時具有阿拉伯糖苷酶的活性，這些雙功能酶常具有不同糖苷水解酶家族的催化結構域。此外，細菌和真菌通常只產生一種β-木糖苷酶，而許多高等植物則產生不止一種β-木糖苷酶[11]。

1.3 ? ?α-L-呋喃阿拉伯糖苷酶

已發現2種類型，即對β-硝基酚-呋喃型阿拉伯糖苷或者阿拉伯聚糖分枝具有特異性的外切型酶;對阿拉伯聚糖側鏈有特異性[11]的內切-1，5-α-L-阿拉伯聚糖酶[EC 3.2.1.99]，

1.4 ? ?α-D-葡萄糖醛酸苷酶[EC3.2.239]

它的主要作用位點是4-O-甲基葡萄糖醛酸與木糖之間的α-1，2-糖苷鍵，可與內切木聚糖酶相互作用，促進低聚木糖的產生。此外，木聚糖酶還包括：作用于木糖殘基的C-2和C-3位上乙?；囊阴Ｄ揪厶酋ッ竅EC 3.2.72]和一些酚酸酯酶，例如，可切除阿魏酸與阿拉伯糖殘基所形成酯鍵的阿魏酸酯酶[EC 3.2.73]和作用于香豆酸和阿拉伯糖殘基所形成酯鍵的香豆酸酯酶[EC 3.2.][11]。

具有不同結構的木聚糖，常因為其側鏈上的取代基種類不同，需要由不同的酶分工協作才能被徹底降解。木聚糖作為半纖維素的主要成分，其主鏈主要由木糖聚合而成，側鏈取代基較多，主要是α-L-呋喃阿拉伯糖。因此，目前對木聚糖降解酶研究較多的是內切β-1，4-D-木聚糖酶、 β-D-木糖苷酶和α-L-呋喃阿拉伯糖苷酶等，而酚酸、乙酰基、α-D-葡萄糖醛酸作為取代基在木聚糖側鏈出現得少，相關的研究報道較少。

2 ? ?木聚糖酶在植物生長發育中的功能

2.1 ? ?在種子萌發中的作用

植物木聚糖酶可能參與谷粒萌發過程中糊粉層細胞壁的解聚。在發芽的谷粒中，糊粉組織會分泌水解酶進入胚乳組織，用于水解儲存的淀粉、蛋白質和核酸等，為胚胎發育提供所需營養。其中，胚乳等組織細胞壁的解聚是胚乳動員所必需的，細胞壁的解聚可以促進水解酶擴散進入胚乳組織。同時，這些水解酶的釋放伴隨著糊粉層細胞壁的降解[12]。

研究發現，大麥籽粒發芽一段時間后，ɑ-淀粉酶分泌量下降，內切木聚糖酶被合成并從谷粒的糊粉層組織中釋放。糊粉層細胞壁的降解發生在富含β-葡聚糖的胚乳細胞壁解聚之后，這與大麥內切聚糖酶的產生比β-葡聚糖酶、木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶的合成分泌更遲的結果一致[20]。糊粉組織內外細胞壁的組成可能不同，發芽前期，糊粉層的外壁被降解，糊粉層的內壁則保留在具活性分泌的糊粉細胞的周圍[21]。發芽后期，糊粉層細胞壁的水解伴隨著內切木聚糖酶的釋放，可為胚胎發育提供額外的碳水化合物，這可能有利于大麥籽粒在逆境中的發芽[20]。

此外，Backer[22]在小麥籽粒發芽過程中分離獲得一種內切木聚糖酶，與大麥中分離得到的內切木聚糖酶具有高度相似性，推測小麥內切木聚糖酶可能在其籽粒發芽過程中也發揮著類似的功能。

2.2 ? ?在植物授粉中的作用

植物在有性生殖過程中花粉雄配子體會與雌性生殖器官相互作用[23]，此過程發生在花藥中。二倍體花粉母細胞經歷減數分裂產生單倍體細胞—小孢子。小孢子在花藥子囊腔中成熟，花藥子囊腔是封閉的、細胞外液空間。在小孢子成熟過程中，小孢子作用于絨氈層[24]，絨氈層給小腔轉運營養物質并調控其組分。小孢子成熟的早期階段，絨氈層分泌β-葡聚糖酶，它水解由β-葡聚糖組成的小孢子四分體細胞壁[25]，釋放的單個小孢子體繼續在子囊中成熟。期間，絨氈層分泌花粉外壁前體物質，前體物質凝聚在花粉的內壁上形成花粉的外壁，外壁由許多基粒棒排列而成，最終在表層形成腔體成為花粉特有的物種結構。在小孢子發生的后期，絨氈層產生其他微粒并儲存在花粉表層的外壁腔體中，花粉表層的微粒被稱為花粉外被、含油層或者花粉鞘。授粉后，花粉落在心皮的柱頭上形成花粉管，它通過分泌木聚糖酶穿透柱頭，最終傳遞雄配子到胚珠。玉米花粉外被包含少量的油脂和單基因編碼的內切木聚糖酶，該酶在絨氈層中表達，并在有性生殖過程中水解初生細胞壁，可促進花粉管滲透進入柱頭內部[26]。

2.3 ? ?在果實成熟軟化中的作用

果實的成熟是一個復雜和不可逆的過程，隨著果實生理和生化過程的發生，將導致果實在顏色、風味、香氣、質地和硬度等方面發生變化[27]。果實細胞壁的半纖維素多糖是由葡甘露聚糖、半乳葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖、木聚糖和阿拉伯糖基木聚糖等組成，這些多糖與纖維素網絡關聯對細胞壁提供強的拉力，在水果成熟軟化過程中這個網絡結構會被酶解[28]。目前，在梨、西紅柿、鱷梨、楊桃、芒果、香蕉等水果成熟過程中發現了內切木聚糖酶的活性，該酶的活性多在水果采后軟化階段增加，并與不同品種的水果的軟化速率相關[29]。

2.4 ? ?在植物莖桿發育過程中的作用

木聚糖酶在豌豆等植物莖桿生長發育過程中也發揮著重要作用。在豌豆莖的伸長過程中，該酶可促使細胞壁膨脹疏松，促進細胞生長[30];在桉樹次生木質部細胞壁的形成過程中該酶也能發揮重要作用;該酶參與擬南芥木質部木葡聚糖鏈的移位，使細胞膨脹[31];在白樺的形成層發育過程中，木聚糖酶基因表達具有時序性，推測可能與維管組織次生細胞壁的形成有關[32]。

3 ? ?植物木聚糖酶的應用

目前，微生物來源的木聚糖酶在食品、造紙、紡織、廢紙脫墨等行業廣泛應用，但植物來源的木聚糖酶的研究和開發較少，僅在啤酒釀造中有應用。

麥芽制備是啤酒釀造中的首要工序，它主要通過合成并釋放內源性的多種水解酶類，如淀粉酶、蛋白酶、糖化酶、β-葡聚糖酶和木聚糖酶等，將麥芽中的蛋白質、淀粉、葡聚糖等大分子物質分解成小分子物質。阿拉伯糖基木聚糖是糊粉層細胞壁和胚乳細胞壁的主要成分，在啤酒釀造制麥過程中，阿拉伯糖基木聚糖的不充分降解不僅會阻礙糊粉層中的水解酶和胚乳中的營養物質的釋放，而且大量沒有降解的阿拉伯糖基木聚糖會進入到麥汁中，使麥汁黏度增加，影響后續的過濾和加工，使啤酒成品渾濁，影響啤酒的泡沫和口感等品質[33]。在大麥發芽過程中，阿拉伯糖基木聚糖和β-內切葡聚糖酶共同作用于胚乳層的細胞壁，使胚乳細胞壁降解并使與蛋白質和淀粉等水解相關的酶類順利進入。這些內源性酶的分泌，改變了阿拉伯糖基木聚糖的結構和功能，影響了麥汁的黏度、濁度以及過濾速度，改善了麥汁的口感和泡沫等品質[34]。但目前為止，對小麥芽內源性的木聚糖內切酶的酶學特性以及具體組成、降解小麥芽水溶性阿拉伯糖基木聚糖、水不溶性阿拉伯糖基木聚糖的程度，還有降解物的分子量大小都不明確，系統研究這方面的內容可為啤酒釀造工藝優化、啤酒質量的提高提供理論支持。

木聚糖是作物秸稈半纖維素的主要成分，也是秸稈飼料的主要抗營養因子之一，它可以使動物消化道中的食糜黏度增加，使細胞中養分的釋放被阻斷，使飼料利用率下降，最終使動物生產性能下降[35]。因此，外源性的木聚糖酶作為飼料添加劑應用廣泛。

但是研究發現，在小麥、玉米和水稻等多種植物體內同時存在木聚糖酶抑制蛋白，其中籽粒中的含量最高[36]。2010年，Dornez等[37]研究發現，植物內源性木聚糖酶的活性不能被水稻木聚糖酶抑制蛋白抑制，而真菌來源木聚糖酶的活性卻能夠被抑制，但是，植物來源的內切木聚糖酶能否作為飼料添加劑，以避開植物自身木聚糖酶抑制蛋白的作用，高效促進秸稈等粗飼料半纖維素的降解等相關的研究尚鮮有報道。

根據Gebruers等[38]的估算，小麥中抑制蛋白的含量遠大于作為飼料添加劑的外源木聚糖酶的含量。理論上，這些抑制蛋白會對外源添加酶造成負面影響。英國ADAS咨詢公司和Danisco動物營養分公司[39]聯合發布的相關調查報告顯示，歐洲小麥品種中木聚糖酶抑制蛋白的含量較高，建議添加更高劑量的木聚糖酶。

當前，工業上較廣泛使用的木聚糖酶幾乎都是微生物來源，而微生物源的木聚糖酶有酶穩定性差、底物特異性低和壽命短等弊端。因此，對植物等其他來源木聚糖酶的結構和功能的研發，將促使木聚糖酶在釀酒和飼料等領域的工業化應用。此外，研究發現，部分作物本身的木聚糖抑制蛋白會抑制微生物來源木聚糖酶的活性，而對植物內源性木聚糖酶沒有抑制作用。因此，對植物來源的木聚糖酶的研究將會進一步促進飼料行業的快速發展。

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