微生物β-1，4-内切木聚糖酶研究进展

徐君飞，张居作

（1.怀化学院生命科学系 民族药用植物资源研究与利用湖南省重点实验室，湖南 怀化 418008；2.湖南农业大学动物医学院，湖南 长沙 410128）

木聚糖是半纤维素（地球上位居第二的可再生资源）的一种，主要存在于植物体内，将木质素和纤维素连接起来起到了稳定植物组织结构的重要作用。同时，木聚糖也是除纤维素以外的自然界中最为丰富的多糖，结构十分复杂，单体为D-木糖，主链和侧链上都连接有大小不同的取代基团。在化石能源越来越紧缺、环境污染越来越严重的当代，科研工作者们广泛关注可再生资源的合理利用，因此，木聚糖的充分利用吸引了很多眼球，但因为木聚糖化学结构的复杂性，要想完全将木聚糖降解必须借助于一套复杂的、具有不同功能和作用方式的水解酶系。这一套负载的木聚糖降解酶系主要有β-1,4-内切木聚糖酶（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，研究表明这些完整的酶系在微生物中广泛存在。β-1,4-内切木聚糖酶是木聚糖水解过程中最重要的一种酶类，其特异性作用于木聚糖主链上的β-1，4-D-木糖苷键的糖苷键，将木聚糖彻底水解为木糖、木二糖及木二糖以上的木寡糖。

1 微生物β-1，4-内切木聚糖酶的来源及选育

总结近年来的研究报道发现，采用降解物着色法和酶活力测定法筛选到的产β-1,4-内切木聚糖酶的野生菌株主要有木霉、曲霉、链霉菌等真菌[1-3]，芽孢杆菌、节杆菌、肠杆菌等细菌[4-7]，但大多酶活力不高，因此需要进行物理、化学或生物学改造，常采用的方法有紫外诱变、微波诱变、等离子体诱变[8]、原生质体融合[9-12]、基因工程育种[13]等。如杨颖[8]报道，利用常压室温等离子体对绿色糖单孢菌进行诱变处理，采用刚果红平板水解圈法结合摇瓶发酵胞外酶测定法筛选出6株突变株，木聚糖酶活性分别提高了16.51、15.24、4.30、55.75、12.45、8.94倍。张会[13]报道，以糖化酶生产菌黑曲霉CICC2462为受体菌，以高表达的糖化酶基因位点为基因整合的靶位点，构建β-1,4-内切木聚糖酶基因黑曲霉表达载体，采用农杆菌介导法对黑曲霉进行遗传转化，并通过在潮霉素基因表达框两侧设计顺向重复序列，使其在转化子后代中删除潮霉素筛选标记基因，获得食品级工程菌，该菌株在适宜的发酵培养条件下，酶活可达到4 495.897 5U/mL。

2 β-1，4-内切木聚糖酶的酶学性质

大量研究现有报道的木聚糖酶的酶学性质、氨基酸组成、三维结构后发现，木聚糖酶分子质量为8～145ku，稳定pH 3.0～9.0，最适作用pH 4.0～6.5，最适作用温度40～60℃，等电点变化范围在3.0～9.0，其中，谷氨酸、天冬氨酸、酪氨酸、色氨酸、甘氨酸和丝氨酸等关键氨基酸直接影响到木聚糖酶的催化性和稳定性，且真菌木聚糖酶的蛋白质亚基较细菌木聚糖酶的蛋白质亚基复杂，热稳定性较细菌木聚糖酶差，因此，现有工业化应用木聚糖酶大多来源于细菌。

3 β-1，4-内切木聚糖酶的分子结构与分类

β-1，4-内切木聚糖酶的分子结构主要包括催化区（catalyitc domain，CD）、纤维素结合区（cellulose-binding domain，CBD）、木聚糖结合区（xylan-bindingdomain，XBD）、连接序列和重复序列等。目前，研究较多的主要是木聚糖酶的CD、CBD、XBD。木聚糖酶的水解特性主要与CD的结构相关，因为β-1,4-内切木聚糖酶的催化原理和催化特性一致，所以，不同来源的β-1,4-内切木聚糖酶的CD在大小和数量上基本不变，但其中组成CD的氨基酸具有多样性；其次，XBD在降解不溶性木聚糖的过程中具有重要作用[9]。

根据催化结构域中氨基酸同源性对木聚糖酶进行分类，可大致将β-1,4-内切木聚糖酶分为F家族和G家族两大类。F家族木聚糖酶的CBD和活性中心由铰链区相连，分子质量一般较大（＞30ku）；底物专一性较差；水解速度快，产物为低分子质量的木寡糖；G家族木聚糖酶无纤维素酶活性，分子质量一般较低，底物专一性非常高，酶的同源性强[14]。

4 β-1，4-内切木聚糖酶的分子生物学研究

自1983年BERNIER R J等[15]首次从Bacillus subtitlesPAPⅡ中克隆到木聚糖酶基因后，国内外研究者已克隆到上百种不同微生物木聚糖酶基因，并分别进行了原核活性表达和真核活性表达[16-18]。真核表达能够对蛋白质进行翻译后加工、折叠和修饰，特别适用于真菌来源的木聚糖酶基因的表达，且真核表达系统大多能大量分泌表达，多用于木聚糖酶的商业化生产[19]。

5 β-1，4-内切木聚糖酶的应用

木聚糖酶具有重要的潜在应用价值，到目前为止，其在食品、饲料和制浆造纸等行业的应用最为普遍和成功。

5.1 食品行业[20-28]

木聚糖酶在食品行业的应用主要集中在以下几个方面。在食用酒的生产过程中，适量添加木聚糖酶，有利于淀粉、蛋白质等有效成分的溶出，促进淀粉酶的作用，提高发酵效率，增加酒精产率，并有利于葡萄酒的澄清和过滤，改善酒的色泽和香味；在软饮料加工过程中，适量添加木聚糖酶，可提高饮料的稳定性，使饮料澄清；在果蔬加工过程中，为了提高果蔬汁产品的有效成分产出率，将木聚糖酶、纤维素酶、果胶酶、淀粉酶以一定比例混合制成果浆酶添加到果蔬原料中，可在保证原有质量的情况下增加汁液中营养物质和风味物质的溶出，并且能大大提高提取和浓缩等工艺的效率；在面包制作过程中，适量添加木聚糖酶，增大面包体积，改善面包心质地，延缓老化，并可赋予面包良好的色泽和香味；在奶油、果冻等生产过程中，适量添加木聚糖酶，可提高产品的乳化性，使产品具有更好的外观和口感；另外，利用木聚糖酶生产低聚木糖，因为低聚木糖具有极好的双歧杆菌增殖性，改善肠道微生态环境，能降低血清胆固醇、调节血糖及改善钙的吸收，并且很难为人体消化酶所分解，能量值几乎为零，既不影响血糖浓度，也不增加血糖中胰岛素水平，并且不会形成脂肪沉积，故可将其作为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，也因为其无龋齿性和抗龋齿性，也可以作为儿童食品的甜味添加剂。

5.2 饲料行业[28-31]

饲料原料大多为植物原料，其中含有大量难以被动物消化吸收的木聚糖，如果木聚糖未经适当处理，必将大大降低饲料的利用率。因此，在饲料加工过程中，往其中适量添加木聚糖酶，可破坏木聚糖结构、降低肠道内容物黏度、减少肠道微生物数量、提高内源消化酶活性、促进养分吸收、提高饲料转化率。目前，将木聚糖酶应用于饲料行业的研究报道很多，也取得了一定的成效，但在木聚糖酶的稳定性及稳定化技术方面还有待深入研究。

5.3 制浆造纸行业[28，32-33]

制浆造纸行业是我国国民经济的重要支柱，但也是导致森林资源消耗、环境污染的直接原因。现有研究报道表明，在制浆造纸过程中，用纤维素酶和木聚糖酶对纸浆原料进行协同处理，可提高纸浆的漂白率，明显降低化学漂白剂的用量，提高木质素的溶出率，改善纸浆的滤水性和脆性，提高纸张的明亮度和强度。

木聚糖酶在制浆造纸行业中应用前景非常广阔，还可将其应用于富含半纤维素类植物原料的生物制浆，废纸的二次纤维回收和脱墨处理等方面。

5.4 其他工业[28]

微生物木聚糖酶可将富含纤维素和半纤维素的材料生物转化为乙醇，这在当今燃料匮乏的我国来说，具有非常大的发展潜力。对木聚糖酶进行分子生物学研究，将其基因克隆后，进行分子标记，构建原核、真核高效表达体系，分离提纯重组酶，并将其应用于去污洗涤、生物脱胶等行业。另外，有人报道，在植物生理学上，木聚糖酶可应用于催生种子萌发、催化果实成熟以及提高植物对真菌的寄生抗性等生理过程；在制药工业中，将木聚糖酶与其他物质结合使用，可延缓药物成分的释放。

6 展望

我国拥有着丰富的廉价木质纤维原料，如玉米芯、甘蔗渣、小麦麸、秸秆等，大都未得到有效地开发利用，作为农林废弃物不但浪费可惜，而且还污染生态环境。为了能够充分利用这些农林废弃物，将其转化为有用产品，变废为宝，亦或为了满足日渐严格的环保要求标准，大力推崇生物漂白技术在纸浆漂白中的应用等，都需要寻找或通过有效的手段获得具有耐碱性、热稳定性好、酶活力高的木聚糖酶资源。

总的来说，微生物木聚糖酶在饲料、食品、造纸、能源等行业的应用前景非常好，已经有很多应用于工业化生产，并产生较大经济效益，但是，在实际应用中，由于其本身理化性质以及稳定性、适应性等各方面的问题，限制了其广阔的应用范围，因此，科研工作者们还需进一步加强其基础理论和应用研究。

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