木聚糖酶的特性及应用前景
2007-06-05 14:01:56   来源：转载   评论：0 点击：

一、木聚糖酶

??木聚糖酶（1牞4－β－D－xylanxylanohydrolase,EC．3．2．18）是一类木聚糖降解酶系，属于水解酶类，包括内切β－木聚糖酶、外切 β－木聚糖酶和β－木二糖苷酶。木聚糖是以木吡喃糖为单位的由β－1．4 键连接的半纤维素，富含于阔叶树和大多数一年生植物体内，半纤维素在自然界中含量占生物量的30％，是一种重要的可再生资源，仅次于纤维素。已知木聚糖酶可以由多种生物合成，以微生物为主。
??木聚糖酶可以应用在能源工业中，促进生物量转化，也可作为食品、饮料工业用酶制剂。应用在保健品等方面，可以用于水解农业有机废料生产酒精，也可在制浆造纸中用于预漂白。现在已知能够产生木聚糖酶的菌种包括细菌、真菌、黑曲酶、木霉等，不同来源的木聚糖酶的催化特性是有差异的，有不同的最适pH和最适作用温度，金属离子对不同来源的木聚糖酶活性的影响各不相同。木聚糖酶水解木聚糖主链骨架的β－1．4糖苷键，其水解产物主要为低聚木糖，少量的木糖和阿拉伯糖。产木聚糖酶的菌株往往同时产生一定量的纤维素酶。相关研究表明木聚糖酶在果实的成熟、种子的萌发、真菌的寄生以及植物的抗性等诸多生理过程中也起着重要的作用。

二、对木聚糖酶的国内外研究进展

??木聚糖的酶法降解在食品工业、饲料工业、制药工业等众多行业中有着十分诱人的应用前景，尤其是最近在造纸工业中成功的运用这种酶进行预漂白处理，使得木聚糖酶的厂家成为了一个热点，并取得了一系列重要的进展。 对于各种产木聚糖酶的菌体，包括细菌、真菌、霉菌等，人们对它们的各方面性质和发酵特性都进行了详细的研究，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，包括最适温度、最适pH等，已经可以动用发酵工程技术得到各种木聚糖酶产品。人们通过研究发现，由于木聚糖是一种结构复杂的非均一多糖，含有许多不同的取代基，使得木聚糖的生物降解需要一个复杂的酶系统中不同组分的相互协作，使菌体产生的木聚糖酶是一组酶，而非一种酶，在木聚糖的生物降解中具有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，诱导物对于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，已有许多来自真菌和细菌的木聚糖酶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。原来能分泌到细胞外的酶液汁有少数在受体中能继续维持分泌性能，与信号肽的有无没有关系，其机制尚不清楚，有人推测与木聚糖酶本身的性质有关，但没有确切的证据。
??目前已发现的木聚糖酶基因有xynA、xynB、xynC、xynZ等。研究较多的是xynA，但主要局限于细菌中的xynA的克隆和表达，xynA在大肠杆菌中表达但不分泌到细胞外。Donald等首次将嗜热细菌的ynA克隆到酿酒酵母菌并进行了表达，分泌至培养液中的具有活性的木聚糖酶达10mg／l，他们还尝试将不同的强启动子引入表达载体以提高木聚糖酶的产量。Bergquist等对Dther?mophilum Rt46B．1及ThermotogaFJSS3．B1的xynA（DxynA和TxynA）进行了一系列研究，首先在大肠杆菌中克隆和表达，两者的xynA均为单一完整的开读框架，前者约为 1．5kb，编码蛋白为352个氨基酸，最适温度为85℃，最适pH为6．5，后者约为1． 1kb，编码蛋白质为346个氨基酸，有极高的热稳定性和高的pH范围。Tsujibo等从S．??ThermoviolaceusOPC－520克隆到两个木聚糖酶基因STX－I和STX－II，并分析了其序列和开读框架，这两个基因分别编码476个氨基酸和335个氨基酸的蛋白质，分属于两个不同的木聚糖酶家族。它们的催化域与各自家族成员有高度的同源性。Dwivedi等从嗜热菌Rt8B．4中克隆了木聚糖酶基因xynA，其中一个重组体含有6．7kb的插入片断，包括多个ORF（OpenReadingFramePre?diction：开读框架），xynA在2599～4653bp之间，编码含有多个结构域的蛋白质，缩减分析及在大肠杆菌中表达表明羧基端结构域与木聚糖酶活性有关，该片断的表达产物为30 kD，酶活性在pH7．0、温度70℃时至少稳定12小时，具有一定的应用价值。 不同来源的木聚糖酶的氨基酸组成在数量上变化很大，其催化区与纤维素酶无同源性，表明是由不同的祖先进化而来的，某些来源的木聚糖酶含有两个催化区。木聚糖酶活性位点的氨基酸与纤维素酶的相似，主要为色氨酸和羧基氨基酸，有的还含有半胱氨酸，它们或参与底物的结合，或参与酶的催化。

??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发展较快，已有多家单位进行了许多不同的研究开发工作。山东省食品发酵工业研究设计院依靠自己在发酵领域和功能性生物制品领域的雄厚经验和人才优势，在所承担的国家“九五” 科技攻关课题“酶法生产低聚木糖”的进行中对细菌产木聚糖酶进行了全面的研究工作，他们筛选到一株产木聚糖酶的芽孢杆菌，进行了菌种选育、分类鉴定、培养条件优化、酶性质的研究、中试生产和在生产低聚木糖上的应用研究等一系列的工作，取得了详尽的实验数据和完整的低聚木糖生产工艺，完成了从菌种到酶再到低聚木糖的全部课题任务，被众多专家学者认为其研究成果具有世界先进水平。合肥联合大学获得产木聚糖酶的黑曲酶菌株A3，所产酶最适反应温度55℃，最适反应pH4．6，液体发酵酶活达到350μ／ml，固体发酵酶活边达到5000μ／ml。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350μ／ml和300μ／ml。无锡江南大学2000年报道，他们已经UV和NTG方法诱变筛选出一株假单胞菌，命名为WLUN024，发酵初始最适pH6．5～8．5之间，发酵最适温度37℃。 虽然国内众多研究单位的木聚糖酶的活力数据有很大的差别，但不能仅仅凭酶活力一项来判断各家的酶的优劣，因为木聚糖酶是一个很大的概念，各家所用的菌种不同，所得到的木聚糖酶的就不同，木聚糖酶的应用范围也就不同，如饲料工业所需的木聚糖酶是偏酸性的，对酶解产物基本没有要求；用来生产低聚木糖的木聚糖酶的要求就要严格一些，它要求酶的最适pH要尽量接近中性，以减少后处理的程序，降低成本，对于酶解产物的要求是单糖含量越少越好，最好是不含木单糖，以低聚木糖的含量占绝对优势为最佳。 三、木聚糖酶应用的研究与开发 科学研究的一个重要目的是转化为生产力，具有优越的应用前景的研究往往会成为科学研究的热点，木聚糖酶也不例外。国内外众多科研机构和人员之所以对木聚糖酶表现出极大的兴趣，就是因为木聚糖酶在众多行业中有着广阔的应用前景。