徐君飛，張居作

（1.懷化學(xué)院生命科學(xué)系 民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 懷化 418008；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

木聚糖是半纖維素（地球上位居第二的可再生資源）的一種，主要存在于植物體內(nèi)，將木質(zhì)素和纖維素連接起來起到了穩(wěn)定植物組織結(jié)構(gòu)的重要作用。同時，木聚糖也是除纖維素以外的自然界中最為豐富的多糖，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，單體為D-木糖，主鏈和側(cè)鏈上都連接有大小不同的取代基團(tuán)。在化石能源越來越緊缺、環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的當(dāng)代，科研工作者們廣泛關(guān)注可再生資源的合理利用，因此，木聚糖的充分利用吸引了很多眼球，但因為木聚糖化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要想完全將木聚糖降解必須借助于一套復(fù)雜的、具有不同功能和作用方式的水解酶系。這一套負(fù)載的木聚糖降解酶系主要有β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶（β-1,4-D-xylanohydrolase：EC3.1.2.8）、β-1,4-木糖苷酶（β-1,4-Dxylanxlylohydrolase：EC3.2.1.37）、α-L-呋喃阿拉伯糖苷酶（α-L-arabinofuranosidase：EC3.2.1.55）、α-葡萄糖醛酸酶和乙酰木聚糖酯酶等，研究表明這些完整的酶系在微生物中廣泛存在。β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶是木聚糖水解過程中最重要的一種酶類，其特異性作用于木聚糖主鏈上的β-1，4-D-木糖苷鍵的糖苷鍵，將木聚糖徹底水解為木糖、木二糖及木二糖以上的木寡糖。

1 微生物β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的來源及選育

總結(jié)近年來的研究報道發(fā)現(xiàn)，采用降解物著色法和酶活力測定法篩選到的產(chǎn)β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶的野生菌株主要有木霉、曲霉、鏈霉菌等真菌[1-3]，芽孢桿菌、節(jié)桿菌、腸桿菌等細(xì)菌[4-7]，但大多酶活力不高，因此需要進(jìn)行物理、化學(xué)或生物學(xué)改造，常采用的方法有紫外誘變、微波誘變、等離子體誘變[8]、原生質(zhì)體融合[9-12]、基因工程育種[13]等。如楊穎[8]報道，利用常壓室溫等離子體對綠色糖單孢菌進(jìn)行誘變處理，采用剛果紅平板水解圈法結(jié)合搖瓶發(fā)酵胞外酶測定法篩選出6株突變株，木聚糖酶活性分別提高了16.51、15.24、4.30、55.75、12.45、8.94倍。張會[13]報道，以糖化酶生產(chǎn)菌黑曲霉CICC2462為受體菌，以高表達(dá)的糖化酶基因位點(diǎn)為基因整合的靶位點(diǎn)，構(gòu)建β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶基因黑曲霉表達(dá)載體，采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法對黑曲霉進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，并通過在潮霉素基因表達(dá)框兩側(cè)設(shè)計順向重復(fù)序列，使其在轉(zhuǎn)化子后代中刪除潮霉素篩選標(biāo)記基因，獲得食品級工程菌，該菌株在適宜的發(fā)酵培養(yǎng)條件下，酶活可達(dá)到4 495.897 5U/mL。

2 β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)

大量研究現(xiàn)有報道的木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)、氨基酸組成、三維結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶分子質(zhì)量為8～145ku，穩(wěn)定pH 3.0～9.0，最適作用pH 4.0～6.5，最適作用溫度40～60℃，等電點(diǎn)變化范圍在3.0～9.0，其中，谷氨酸、天冬氨酸、酪氨酸、色氨酸、甘氨酸和絲氨酸等關(guān)鍵氨基酸直接影響到木聚糖酶的催化性和穩(wěn)定性，且真菌木聚糖酶的蛋白質(zhì)亞基較細(xì)菌木聚糖酶的蛋白質(zhì)亞基復(fù)雜，熱穩(wěn)定性較細(xì)菌木聚糖酶差，因此，現(xiàn)有工業(yè)化應(yīng)用木聚糖酶大多來源于細(xì)菌。

3 β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)與分類

β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)主要包括催化區(qū)（catalyitc domain，CD）、纖維素結(jié)合區(qū)（cellulose-binding domain，CBD）、木聚糖結(jié)合區(qū)（xylan-bindingdomain，XBD）、連接序列和重復(fù)序列等。目前，研究較多的主要是木聚糖酶的CD、CBD、XBD。木聚糖酶的水解特性主要與CD的結(jié)構(gòu)相關(guān)，因為β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶的催化原理和催化特性一致，所以，不同來源的β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶的CD在大小和數(shù)量上基本不變，但其中組成CD的氨基酸具有多樣性；其次，XBD在降解不溶性木聚糖的過程中具有重要作用[9]。

根據(jù)催化結(jié)構(gòu)域中氨基酸同源性對木聚糖酶進(jìn)行分類，可大致將β-1,4-內(nèi)切木聚糖酶分為F家族和G家族兩大類。F家族木聚糖酶的CBD和活性中心由鉸鏈區(qū)相連，分子質(zhì)量一般較大（＞30ku）；底物專一性較差；水解速度快，產(chǎn)物為低分子質(zhì)量的木寡糖；G家族木聚糖酶無纖維素酶活性，分子質(zhì)量一般較低，底物專一性非常高，酶的同源性強(qiáng)[14]。

4 β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的分子生物學(xué)研究

自1983年BERNIER R J等[15]首次從Bacillus subtitlesPAPⅡ中克隆到木聚糖酶基因后，國內(nèi)外研究者已克隆到上百種不同微生物木聚糖酶基因，并分別進(jìn)行了原核活性表達(dá)和真核活性表達(dá)[16-18]。真核表達(dá)能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)進(jìn)行翻譯后加工、折疊和修飾，特別適用于真菌來源的木聚糖酶基因的表達(dá)，且真核表達(dá)系統(tǒng)大多能大量分泌表達(dá)，多用于木聚糖酶的商業(yè)化生產(chǎn)[19]。

5 β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶的應(yīng)用

木聚糖酶具有重要的潛在應(yīng)用價值，到目前為止，其在食品、飼料和制漿造紙等行業(yè)的應(yīng)用最為普遍和成功。

5.1 食品行業(yè)[20-28]

木聚糖酶在食品行業(yè)的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。在食用酒的生產(chǎn)過程中，適量添加木聚糖酶，有利于淀粉、蛋白質(zhì)等有效成分的溶出，促進(jìn)淀粉酶的作用，提高發(fā)酵效率，增加酒精產(chǎn)率，并有利于葡萄酒的澄清和過濾，改善酒的色澤和香味；在軟飲料加工過程中，適量添加木聚糖酶，可提高飲料的穩(wěn)定性，使飲料澄清；在果蔬加工過程中，為了提高果蔬汁產(chǎn)品的有效成分產(chǎn)出率，將木聚糖酶、纖維素酶、果膠酶、淀粉酶以一定比例混合制成果漿酶添加到果蔬原料中，可在保證原有質(zhì)量的情況下增加汁液中營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)的溶出，并且能大大提高提取和濃縮等工藝的效率；在面包制作過程中，適量添加木聚糖酶，增大面包體積，改善面包心質(zhì)地，延緩老化，并可賦予面包良好的色澤和香味；在奶油、果凍等生產(chǎn)過程中，適量添加木聚糖酶，可提高產(chǎn)品的乳化性，使產(chǎn)品具有更好的外觀和口感；另外，利用木聚糖酶生產(chǎn)低聚木糖，因為低聚木糖具有極好的雙歧桿菌增殖性，改善腸道微生態(tài)環(huán)境，能降低血清膽固醇、調(diào)節(jié)血糖及改善鈣的吸收，并且很難為人體消化酶所分解，能量值幾乎為零，既不影響血糖濃度，也不增加血糖中胰島素水平，并且不會形成脂肪沉積，故可將其作為功能因子添加在糖尿病人、肥胖病人及高血糖病人的食品中，也因為其無齲齒性和抗齲齒性，也可以作為兒童食品的甜味添加劑。

5.2 飼料行業(yè)[28-31]

飼料原料大多為植物原料，其中含有大量難以被動物消化吸收的木聚糖，如果木聚糖未經(jīng)適當(dāng)處理，必將大大降低飼料的利用率。因此，在飼料加工過程中，往其中適量添加木聚糖酶，可破壞木聚糖結(jié)構(gòu)、降低腸道內(nèi)容物黏度、減少腸道微生物數(shù)量、提高內(nèi)源消化酶活性、促進(jìn)養(yǎng)分吸收、提高飼料轉(zhuǎn)化率。目前，將木聚糖酶應(yīng)用于飼料行業(yè)的研究報道很多，也取得了一定的成效，但在木聚糖酶的穩(wěn)定性及穩(wěn)定化技術(shù)方面還有待深入研究。

5.3 制漿造紙行業(yè)[28，32-33]

制漿造紙行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，但也是導(dǎo)致森林資源消耗、環(huán)境污染的直接原因?，F(xiàn)有研究報道表明，在制漿造紙過程中，用纖維素酶和木聚糖酶對紙漿原料進(jìn)行協(xié)同處理，可提高紙漿的漂白率，明顯降低化學(xué)漂白劑的用量，提高木質(zhì)素的溶出率，改善紙漿的濾水性和脆性，提高紙張的明亮度和強(qiáng)度。

木聚糖酶在制漿造紙行業(yè)中應(yīng)用前景非常廣闊，還可將其應(yīng)用于富含半纖維素類植物原料的生物制漿，廢紙的二次纖維回收和脫墨處理等方面。

5.4 其他工業(yè)[28]

微生物木聚糖酶可將富含纖維素和半纖維素的材料生物轉(zhuǎn)化為乙醇，這在當(dāng)今燃料匱乏的我國來說，具有非常大的發(fā)展?jié)摿Αδ揪厶敲高M(jìn)行分子生物學(xué)研究，將其基因克隆后，進(jìn)行分子標(biāo)記，構(gòu)建原核、真核高效表達(dá)體系，分離提純重組酶，并將其應(yīng)用于去污洗滌、生物脫膠等行業(yè)。另外，有人報道，在植物生理學(xué)上，木聚糖酶可應(yīng)用于催生種子萌發(fā)、催化果實成熟以及提高植物對真菌的寄生抗性等生理過程；在制藥工業(yè)中，將木聚糖酶與其他物質(zhì)結(jié)合使用，可延緩藥物成分的釋放。

6 展望

我國擁有著豐富的廉價木質(zhì)纖維原料，如玉米芯、甘蔗渣、小麥麩、秸稈等，大都未得到有效地開發(fā)利用，作為農(nóng)林廢棄物不但浪費(fèi)可惜，而且還污染生態(tài)環(huán)境。為了能夠充分利用這些農(nóng)林廢棄物，將其轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品，變廢為寶，亦或為了滿足日漸嚴(yán)格的環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)，大力推崇生物漂白技術(shù)在紙漿漂白中的應(yīng)用等，都需要尋找或通過有效的手段獲得具有耐堿性、熱穩(wěn)定性好、酶活力高的木聚糖酶資源。

總的來說，微生物木聚糖酶在飼料、食品、造紙、能源等行業(yè)的應(yīng)用前景非常好，已經(jīng)有很多應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，并產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益，但是，在實際應(yīng)用中，由于其本身理化性質(zhì)以及穩(wěn)定性、適應(yīng)性等各方面的問題，限制了其廣闊的應(yīng)用范圍，因此，科研工作者們還需進(jìn)一步加強(qiáng)其基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究。

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