木聚糖酶的研究及应用前景

（张海珍1 吴萍2）

（张海珍 江苏省灌云县伊山高级中学 222200 吴萍 安徽科技学院生命科学院 233100）

摘要：对木聚糖酶的特性及其在国内外的研究进展作了介绍，详细阐述了木聚糖酶在造纸、食品、饲料、酿酒、烘烤等工业及其在生产单细胞蛋白、生物制药、液体或气体燃料、糖浆、饮料等方面的巨大潜力及十分诱人的应用前景。

关键词：木聚糖酶 特性 研究进展 应用前景

木聚糖酶（endo—1,4—β—D—xylan xylanohydrolase, EC. 3. 2. .1. 8）是一类以内切方式降解木聚糖分子中的β—1 ,4--木糖苷键的水解酶类。该酶在造纸工业上可用于预漂纸张，提高木素溶出率，改善纸张性能且减少环境污染。在食品工业中利用木聚糖酶降解半纤维素的主要成分，木聚糖生产低聚木糖具高附加的产品。在饲料工业中可提高饲料的能量值和禽。畜对饲料的利用率，并且在饮料和制药，溶剂，糖浆，气体或液体燃料等行业中也具有巨大潜力，其前景十分诱人。因此，木聚糖酶的开发具有重要的经济和社会价值意义。

1．木聚糖酶的特性

木聚糖酶（endo—1,4—β—D—xylan xylanohydrolase,EC·3·2·1·8）是一类以内切方式讲解木聚糖分子中的β—1，4—木糖苷键的水解酶类。包括内切β—木聚糖酶、外切β—木聚糖酶和β—木二糖苷酶。其主要水解产物为木二糖和木二糖以上的低聚木糖，还有少量木糖和阿拉伯糖。[1] 木聚糖酶按其序列同源性和疏水族分析属于糖苷水解酶的两个家族，即F家族（10家族）和G家族（11家族），属于同一家族的木聚糖酶催化区域具有同源性，可根据已知家族的酶来推测未知酶的催化特性。F家族的木聚糖酶分子量高，复杂，通常产生较小的聚糖；F家族则具有较高的特异性 [4,10]。

木聚糖酶体（xylanosome）是在微生物表面分离到的多酶复合体。[2] 这些复合体在半纤维素的降解中起重要作用。现在已知能够产木聚糖酶的微生物包括细菌、真菌、黑曲霉、木霉等。不同来源的木聚糖酶催化特性是有差异的，它们各自有其不同的PH值和最适温度。已证实放线菌和细菌的最适生长和产酶PH接近于中性；耐碱性杆菌PH值在9—10；而真菌却较适合酸性条件[15]，且能分泌胞外木聚糖酶的水平高于酵母菌[10,11,12]和细菌[2,13]，从而格外引起研究人员的关注。 1张海珍 灌云县伊山高级中学 中二 222200 2吴萍 安徽科技学院 教授

2．聚糖酶在国内外的研究进展

木聚糖的酶法降解在造纸、饲料、食品、制药等众多工业中有着十分诱人的应用前景，所以人们对各种产木聚糖酶的微生物，包括细菌、真菌等各方面的性质及其发酵特性进行了详细的研究，对于它们各自所产生的木聚糖酶的使用特性也进行了探索，包括最适PH值、最适温度等，并且已经动用发酵工程技术得到了各种木聚糖酶产品。人们通过研究发现，由于木聚糖酶是一种结构复杂的非均一多糖，含有许多不同的取代基，木聚糖的生物降解需要一个复杂的酶系统中的不同的组分的相互协作，菌体产生的木聚糖酶是一组酶，而非是单一的某一种酶。在木聚糖的生物降解中，具不同催化功能的酶之间的协同增效作用是十分明显的。同时，人们还发现木聚糖酶多为诱导酶，诱导物对酶的生成和酶活水平的高低影响较大。随着分子生物学的发展和众多新的试验方法的引入，对木聚糖酶的研究已经达到了分子生物学基因工程的水平，已有许多来自细菌和真菌的木聚糖基因被克隆并在大肠杆菌中获得了表达。克隆的基因一般使用自身所带的启动子在受体菌中表达，但是，酶的表达水平比在原始菌株中下降了不少[14]。

目前已经发现的木聚糖酶基因有xynA、xynB、xynC等，研究较多的是xynA，但是，主要局限于细菌中的xynA的克隆与表达，xynA在大肠杆菌中表达但不分泌到细胞外，Donald等首次将嗜热细菌中的xynA克隆到酒精酵母菌中并进行表达；Berquist等对Dther mophilum Rt46B.1及ThermotogaFJssB.B1的xynA进行了一系列研究。Dwivedi等从嗜热菌Rt8B.4中克隆了木聚糖酶基因xynA[14]。

国内对木聚糖酶的研究起步较晚，但由于其良好的应用前景，许多单位进行了不同的研究和开发工作。山东省食品发酵工业研究设计院已完成了对芽孢杆菌的从菌种到酶再到低聚糖的全部课题任务；山东大学微生物系国家重点实验室研究获得产酸性木聚糖酶的菌株黑曲霉An—76和产碱性木聚糖酶的菌株嗜碱细菌Cb—2，摇床试验产木聚糖酶分别为350ｕ/ｍl和300ｕ/ｍl。无锡江南大学早在2000年就已报道：经UV和NTG方法诱变筛选出一株假单细胞菌，命名为WLUN024，发酵初始PH6.5-8.5,发酵最适温度37℃ [14]。

3 .应用前景

木聚糖酶的应用领域在不断扩大，除了在造纸和纸浆工业领域，它和其它半纤维素酶一起使用可增加饲料的营养价值，木聚糖酶在植物性物质的浸渍中起到重要作用，它还可用于果汁和葡萄酒的澄清中、提取香料和色素、植物油和淀粉的生产中，在生产液体咖啡时对咖啡黏液有液化作用，在焙烤工业中也有应用[15]。

3.1在造纸工业中的应用

在造纸和纸浆工业中,尤其在西欧和北美国家,氯的使用量被严格控制。1986年Viikari首次提出用半纤维素酶处理纸浆，可以减少后道工序漂白过程中氯的需求量。纯化后的木聚糖酶使用时可以缩短纸浆的处理时间。木聚糖酶在造纸和纸浆工业中的重要性在于其取代了有毒的化学物质，同时通过酶发预处理可以回收该行业中有用的副产物，还可以降低漂白过程中化学药品的使用量并且改善漂白效果[15]。从化学纸浆中去除木质素产生完全白色的成品浆的过程称为“漂白”[3]。木质素和糖之间的键被切开，纸浆结构被打开，从而获得了酶作用的漂白效果。据扫描电镜研究显示：用木聚糖酶预处理后的纸浆在纸浆纤维的孔隙上有所提高，这有助于跟具有漂白作用的化合物相亲和，耐碱性的木质素和碳水化合物复合分子似乎是残余木质素溶解的主要障碍。而在通常的漂泊中，这些键的切割是靠酸性漂白如氯或二氧化氯来完成的。木聚糖酶在为纸张溶解而进行的回收纤维的脱树皮和脱墨过程中及在纤维素的纯化过程中起了重要作用[15]。

目前牛皮纸的漂白是通过使用大量的含氯的化学药品和亚硫酸氢钠，这些化学物质具有毒性、致畸性、持久性及在生物体内的可富集性，造成严重的污染，并扰乱生态系统[4]。这些漂白的化学物质给纸张工业造成排放污染物的问题，为此，绿色无公害木聚糖酶的利用尤显重要。

迄今为止，用于生物漂白的木聚糖酶经历了3代发展（酸性酶、中性酶和碱性酶），目前，对第3代木聚糖酶（碱性酶）的研发正处于高峰期，采用化学修饰鉴定木聚糖酶活性位点残基的蛋白质工程、X-射线结晶学和定点突变等基因工程手段，获得了性质优良的耐热、耐碱、具有强大活性的木聚糖酶。这些已经成为目前研究的热点[4]。

3．2在食品行业中的应用

木聚糖的水解产物（木糖和低聚木糖）应用在食品工业：比如作为增稠剂、脂肪替代物或抗冷冻食品添加剂；新鲜蔬菜、水果要加工成婴儿食品、膏状物、干燥蔬菜粉末及速容食品时，加入木聚糖酶，可使其组织柔化、细胞破壁且条件温和，从而使其浓缩或干燥效率成倍提高，且成本降低；在淀粉面包时，用木聚糖酶对小麦团中戊聚糖充分水解可致使面团松散、潮湿、发粘，且可改善面包体积和口感，而无负面作用；另外，可作用于农作物副产品如玉米芯来制备低聚糖或木聚单糖[3,5]。

3．3在饲料工业中的应用

中国饲料产量位居世界第二，然而中国饲料资源并不丰富，利用生物技术提高饲料利用率，特别是低质饲料的利用率，对我国极为重要[7]。不过，目前已有许多报道，木聚糖酶应用于畜、禽生产中取得了良好的生产效果和经济效益。

3．3．1在牛饲料中的应用

Pritchard（1996）和Allister等（1999）发现以大麦青贮饲料和苜宿青贮饲料为基础日粮的牛使用酶制剂时，体重和平均日增重均有增加。Lewis等（1996）、Beauchemin等（1997）以不同基准时，育肥期阉公牛的研究发现，外来木聚糖酶可提高饲料转化效率；Hristov等（2000）也对木聚糖酶作了更为详尽的研究[5]。

3．3．2在羊饲料中的应用

Antunovic等（1998）作了复合酶制剂对羊羔育肥和屠宰性能的研究试验，发现经木聚糖酶作用的饲料转化率也有所提高[5]。

3．3．3在猪饲料中的应用

Breschel等（1999）也有对增强饲料转化率的报道[6]。

3．3．4在禽类饲料中的应用

Choct等（1992）、Galante等（1998）、Janssens等（1999）对此都有相关的研究报道[7]。

总之，木聚糖酶在饲料资源的开发和提高廉价农副产品的利用率等方面，具有广阔的应用前景[15]。

3．4在酿酒业中的应用

酒是传统的消费品，出于成本的考虑，迄今为止，上未见到工业化使用木聚糖酶于酒类的酿造过程中，但是，在葡萄酒和日本大麦烧酒（Shochu）也有了应用研究。它对木聚糖酶的要求主要为：①能够耐酸性，以适应实际生产的条件；②该酶有较好的底物水解针对性；③木聚糖酶的产率要高。[9]

3．4．1在烧酒酿造中的应用

十年前,日本研究人员将A.Kawachii所产生的木聚糖酶进行了纯化,获得了三种主要的木聚糖酶(xyLA、xyLB和xyLC),其中, xylC是典型的耐酸性木聚糖酶,最适PH2.0,将它应用于日本大麦烧酒制造中,结果发现该木聚糖酶有助于提高发酵效率,增加酒精产量.原因在于木聚糖酶对谷物细胞壁中木聚糖的作用有助于加快淀粉酶作用[15].

3．4．2在清酒酿造中的应用

江南大学的陆建从米曲霉(Aspergillus oryzae IRIB 28)中分离得到一耐酸性木聚糖酶(木聚糖酶B),应用于清酒酿造中,结果同样加快发酵速度,提高酒精的产率[15]. 3．4．3在啤酒酿造中的应用

2000年，我国啤酒总产量为世界第三，且以每年100多万吨的速度增长，由于β-葡聚糖和木聚糖造成的啤酒滤膜堵塞而提高啤酒生产成本。而木聚糖酶可以和β-葡聚糖酶协同作用，从而解决堵塞问题。因此，耐酸性木聚糖酶在啤酒酿造行业中具有潜在的应用前景[15]

3．5在焙烤工业中的应用

该酶通过与面粉中的可溶性及不可溶性戊聚糖发生反应而提高面筋网络弹性，从而改善面团的加工及其稳定性能、改善面包瓤的组织结构和增大体积。又由于该酶不含-淀粉酶，故与真菌淀粉酶配合使用效果会更佳[8]。

3．6在其它行业中的应用

木聚糖酶在生产单细胞蛋白（SCP）、生物制药、液体或气体燃料、溶剂、糖浆及其饮料等方面也具有巨大潜力[15]，不过，在当前最被看好的应用前景是在生产燃料方面，国际上利用植物资源生产酒精成为了主要方面。