木聚糖酶在工業(yè)上的應(yīng)用

真菌中的木聚糖酶:性能及其在工業(yè)上的應(yīng)用摘要：木聚糖是半纖維素的主要類型。這是一個由木二糖通過1,4位糖苷鍵連接的線性聚合物。在自然界中，多糖的分子骨干可以被4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸、乙?；?、α-L-阿拉伯呋喃糖基等比例添加。木聚糖的水解主要是酶的復(fù)合物承當，但主要參與的酶是內(nèi)切β-1，4-D-木聚糖酶和β-D-木糖苷。這些酶可由真菌、細菌、酵母、海洋藻類、原生動物、蝸牛、甲殼類動物、昆蟲、種子等產(chǎn)生,但是主要商業(yè)來源是絲狀真菌。最近,有很多工業(yè)對木聚糖及其其水解酶感興趣,主要是其可用于補充動物飼料、生產(chǎn)面包、食物和飲料、紡織品、纖維素紙漿的漂白、乙醇和木糖醇的生產(chǎn)。本文描述了一些木聚糖的特性和它的新陳代謝,木聚糖酶的生化特性以及其商業(yè)應(yīng)用。簡介：木聚糖屬于纖維素類，是世界上第二豐富的天然多糖(柯林斯等，2005年)。這些化合物存在于植物細胞的細胞壁和胞間層。木聚糖這個術(shù)語涵蓋了一系列非纖維素類多糖,由不同的比例的單糖單元組成,如D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡糖醛酸和D-半乳糖醛酸。半纖維素的命名是根據(jù)其主要的糖單元決定的。因此,當一個聚合物水解并產(chǎn)生木糖，它就可稱為一個木聚糖;同樣,半纖維素包括甘露聚糖、葡聚糖、阿拉伯聚糖和半乳聚糖(惠斯勒和理查茲2000)。在自然界中,在木材纖維素包含的糖往往不是一種。通常他們具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是由很多的元素聚合而成,最常見的葡糖醛酸、阿拉伯葡糖醛酸、葡甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖和半乳葡甘露聚糖(Haltrichet1996和普雷瑪2002)。大量的組成單元是不同的在不同的物種中，甚至在同種物種之間也是不同的。因此,半纖維素不是固定單一的化合物,但聚合物組件即植物纖維,每一個都有特有的屬性。半纖維素主要包括木聚糖,它是經(jīng)過木聚糖酶分解得到。真菌中的木聚糖酶具有有許多商業(yè)用途,如造紙、動物飼料、烘焙面包、果汁和葡萄酒行業(yè),木糖醇的生產(chǎn)等。本文將介紹真菌木聚糖酶及其進展，和這些酶的工業(yè)應(yīng)用。一、木聚糖結(jié)構(gòu)阿拉伯木聚糖已確定在小麥、黑麥、大麥、燕麥、大米、高粱、以及其他一些植物中發(fā)現(xiàn)，如：盤固草、竹筍和黑麥草。盡管這些多糖是次要局部對于的整體的谷物,但它們是構(gòu)成植物細胞壁的重要組成局部(Izydorczyk和Biliaderis1995)。葡糖醛酸和葡糖苷酸阿拉伯木聚糖主要位于二層膜結(jié)構(gòu)中，他是一種粘合劑，使非共價鍵結(jié)構(gòu)與木質(zhì)素、纖維素和其他聚合物形成一種共價鍵而粘合，對細胞壁的完整性起到至關(guān)重要作用。木聚糖在被子植物中是半纖維素的主要類奉獻者，占總干重的15-30%,但在裸子植物中木聚糖的含量會少點，含有7-12%(Haltrich1996年)。圖1O-乙?；?4-O-甲基葡糖醛酸(a),硬木和阿拉伯-4-O-甲基葡糖醛酸(b),柔軟木頭的結(jié)構(gòu)。木聚糖酶參與分解木聚糖的有:乙酰酯酶、α-葡萄糖醛酸酶、切木聚糖酶和α-L-阿拉伯呋喃。β-木糖苷酶(c)實現(xiàn)了水解；數(shù)據(jù)顯示碳原子被Ac乙?；禾鎿Q葡糖醛酸是由β-D-吡喃木糖基組成的線性聚合物，通過〔1-4)糖苷骨干(木糖)單位聯(lián)系在一起，如圖1中所示。這種多糖骨干由4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸單位、D-葡萄糖醛酸單位在位置4甲基化,和位置2或3被β-D-吡喃木糖基插入。被子植物(硬)中的葡糖醛酸在乙?；系奶鎿Q率也很高(70-80%),主要是位置2和3上由β-D-吡喃木糖基替換,這也使得木聚糖可以局部溶解在水中(考夫蘭和Hazlewood1993)。葡糖苷酸阿拉伯木聚糖通常在軟木中被發(fā)現(xiàn)，他們都有相同的木聚糖骨干，但是每一個當中的由十個β-D-吡喃木糖基組成的單位結(jié)構(gòu)會有由α-L-阿拉伯呋喃糖基代替(圖1b)。軟木比硬木具有較高含量的4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸單位。這些木聚糖并不是被乙?；?而是因為他們的呋喃糖苷結(jié)構(gòu),使得樹膠醛醣的邊局部很容易被酸水解。從這以后，以后我們提到的葡糖醛酸和葡糖苷酸阿拉伯木聚糖都被認為是木聚糖(Antranikian1997)。二、木聚糖復(fù)合物木聚糖酶的主要作用是催化水解木聚糖。這些酶主要是來自由微生物，他們參與植物細胞壁的分解,以及與其他酶水解多糖,并可以在一些種子萌發(fā)時消化木聚糖(例如在用大麥谷物生產(chǎn)啤酒的時候)。木聚糖酶也可以在海洋藻類、原生動物、甲殼類動物、昆蟲、蝸牛和陸地植物的種子中找到(Antranikian1997)。在微生物來源中,絲狀真菌會把這些酶分泌到介子中，并且相比在酵母和細菌中，它的產(chǎn)酶水平非常高。木聚糖酶基因已經(jīng)被人類從微生物的各種屬中提取得到，并且已大腸桿菌中表達。在細菌中的木聚糖酶，不僅是生產(chǎn)中活動水平低于真菌的,也限制在細胞內(nèi)或周質(zhì)中。此外,酶在細菌中表達并不僅僅是通過轉(zhuǎn)譯修飾,如糖基化。Kulkarni和Horikoshi在關(guān)于大腸桿菌中的木聚糖酶細胞外重組體的報告中提到：表達基因來自于嗜堿氣單胞菌屬、芽孢桿菌物種、嗜堿和嗜熱芽孢桿菌物種。異源表達的基因xynA，編碼來自芽孢桿菌的內(nèi)切木聚糖，在酵母釀酒中的酵母中，也被描述(Nuyenset2001年)。在真菌中,能克隆和表達內(nèi)切木聚糖酶的基因，可以在木霉屬里氏木霉和曲霉菌在酵母川地得到(Dalboge1997)。由于其異質(zhì)結(jié)構(gòu),木聚糖的降解不僅需要一個酶,而是一種復(fù)雜的酶系。該系統(tǒng)的組成局部目前被最廣泛研究的是內(nèi)切木聚糖和β-木糖苷酶。阿魏酸酯酶、香豆酸酯酶、酯酶和α-葡萄糖苷酸酶在1980年代末才被發(fā)現(xiàn),可能是因為獲得適宜的底物非常困難。這些酶廣泛存在真菌和細菌,但直到現(xiàn)在很少被凈化和分析從物理和化學(xué)屬性。這些酶將在以下給出描述。三、木聚糖酶1、內(nèi)切-1,4-β-木聚糖酶內(nèi)切-1,4-β-木聚糖酶(1、4-β-D-木聚糖木聚糖水解酶;EC3.2.1.8)在木聚糖的骨干上劈開糖苷結(jié)構(gòu),用來減少酶作用物的聚合度(圖1b)。對于木聚糖的分解不是隨機的,但是對水解的結(jié)構(gòu)選擇主要依賴于自然底物分子,如鏈長,分支,取代基的存在(普爾斯2000年)。最初,主要水解產(chǎn)品是β-D-吡喃木糖基寡聚物,但是在稍后的階段,小分子,如一位、二位或三位的β-D-吡喃木糖基也可能會生產(chǎn)。由木聚糖內(nèi)切酶水解木聚糖的化學(xué)方程式可能寫成如下:H(C5H804)nOH+H2O==>H(C5H8O4)n-pOH+H(C5H804)pOH這個方程顯示的都是單位化學(xué)計量水解一個木聚糖分子的事件;這樣的反響會發(fā)生在許多鏈條上.木聚糖內(nèi)切酶已經(jīng)被不同的分類方法分類。黃等人(1988)根據(jù)其反響的產(chǎn)物把他們分成兩種類型:=1\*GB3①非脫支酶，它是不水解3-α-L-阿拉伯呋喃糖基的分支點的阿拉伯木聚糖,因此也不分解阿拉伯糖；=1\*GB3①脫支酶，主要水解分支體系和水解阿拉伯糖。這些類型分別被發(fā)現(xiàn)在真菌的物種中。然而,一些真菌能生產(chǎn)兩種類型的木聚糖酶,這樣就能更有效的水解木聚糖。黃等人(1988)提出一些在微生物內(nèi)的木聚糖內(nèi)切酶與他們的物理化學(xué)性質(zhì)之間的對應(yīng)關(guān)系,如分子量(MW)和等電點(pI)。他們被分成兩組:根本的酶,MW<30kDa,和木聚糖內(nèi)切酶,MW>30kDa。在這應(yīng)該強調(diào),這個關(guān)系只適用于大約70%的情況下,對于許多明確的木聚糖內(nèi)切酶卻是相反。其他不同的分類方法,由TorronenHenrissat、Bairoch(1993)及Rouvinen(1997)提出的糖苷酶,,將在稍后描述。一般來說,木聚糖內(nèi)切酶在溫度為40-80°C,以及pH值4.0和6.5之間最活潑，但這些最優(yōu)范圍以外的條件也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)(表1、2),不同的真菌和細菌可以產(chǎn)生多樣的木聚糖內(nèi)切酶;在某些情況下經(jīng)過單一培養(yǎng)可以別離三個或更多酶活性(Rizzatti2004年)。許多因素可以用來檢測木聚糖內(nèi)切酶的各種形式。這些包括有mRNA的微處理,轉(zhuǎn)錄后修飾,如糖基化和自聚集，蛋白水解消化等。多種木聚糖內(nèi)切酶可以表達不同等位基因,甚至可以表達完全獨立的基因〔查韋斯2002年)。表1不同微生物產(chǎn)生的一些木聚糖酶的特性2、β-D-木糖苷酶β-D-木糖苷酶(β-1，4-木聚糖酶;EC3.2.1.37)可根據(jù)它們的相對親和力分為木二糖和較大的低聚木糖。低聚木糖酶和外-14-β-木聚糖酶可以認為是不同的實體,Biely提出(1985,1985),但它們都將被視為木糖苷酶,從非復(fù)原性末端水解低聚木糖和木二糖,釋放β-D-吡喃木糖(圖1c)。純化β-木糖苷酶通常不水解木聚糖;他們最好的底物是木二糖，他們與低聚木糖的親和力是和其聚合度成反比的。他們能夠分解斷開人工基質(zhì)，如對硝基苯-和o-硝基苯-β-D-吡喃木糖苷。反式低聚木糖活動也已在真菌中發(fā)現(xiàn),從而導(dǎo)致其基片的分質(zhì)量比以前高很多(Kurakabe1997年)。對于β-D-木糖苷酶，木聚糖酶在木聚糖經(jīng)過一系列的水解之后發(fā)揮一個很重要的作用。這種反響導(dǎo)致β-D-吡喃木糖苷短低聚物聚物的積累,這可能會抑制內(nèi)切木聚糖酶。接著β-木糖苷能夠水解這些物質(zhì)，這也是去除抑制作用的原因,并提高了木聚糖水解效率(安德拉德2004;Zanoelo2004)。對于原始的β-木糖苷酶,往往被保存在真菌菌絲體內(nèi),只能在細胞提取物或在生長培養(yǎng)基(細胞外)發(fā)現(xiàn)提取。例如,從腐質(zhì)霉變種(阿爾梅達1995年)中提取-木糖苷酶.和曲霉菌海棗(Rizzattiet2001年)的純化,分別從細胞中和培養(yǎng)基提取。它們由細菌和酵母產(chǎn)生，然而主要與細胞有關(guān)。真菌中的β-木糖苷酶往往是單體的糖蛋白,但一些已報告中指出有兩個或三個子單元組成(Antranikian1997)。通常這些蛋白質(zhì)有相對較高的分子量,在60-360kDa。雖然它們的最適條件pH值十分廣泛,但大多數(shù)都在4.0和5.0之間。最適溫度可以從40到80°C不同,但大多數(shù)的β-木糖苷酶給出的最適溫度在60°C。他們的熱穩(wěn)定性高，并且隨著有機體的不同而發(fā)生改變。一個很好的例子,一個來自曲霉菌海棗的穩(wěn)定酶,在60°C條件下培養(yǎng)4小時或在室溫下培養(yǎng)21天仍能夠保持活性(Rizzatti2001年)。3、乙酰酯酶乙酰酯酶(EC3.1.1.6)刪除O-乙?；鶑摩?D-吡喃木糖的位置2或3，并且能夠去除在木聚糖上殘留的乙?；?圖1)。這種酶很晚才被發(fā)現(xiàn),很可能是由于堿性萃取經(jīng)常采用高度乙?；哪揪厶牵拖裨谟材局幸粯?木聚糖經(jīng)常被剝?nèi)ヒ阴?Caufrier2003)。乙酰起到了很重要的角色在水解木聚糖中,因為乙?；闹ф溈梢杂绊懙矫?，如通過消除位阻翻開主鏈,從而促進了對內(nèi)切木聚糖的作用。表2由微生物產(chǎn)生商業(yè)木聚糖酶4、阿拉伯糖酶阿拉伯糖主要是在β-D-吡喃木糖的位置2和3上刪除L-阿拉伯糖的殘留代替物。有兩個不同類型的的行動模式:〔1〕外-α-L-阿拉伯呋喃(EC3.2.1.55)：主要降解p-硝基苯-α-L-阿糖和肢解阿拉伯聚糖(圖1b)；〔2〕內(nèi)-15-α-L-阿拉伯糖(EC3.2.1.99):水解線性阿拉伯聚糖(Kaneko2000年)。到目前為止大多數(shù)阿拉伯糖的調(diào)查是關(guān)于此種類型的。5、α-葡萄糖醛酸酶α-葡萄糖醛酸酶(EC3.2.1.)主要被發(fā)現(xiàn)在葡糖醛酸骨干單位中，水解葡萄糖醛酸殘留物和β-D-吡喃木糖之間的骨干連接(圖1)。一些微生物只有在短葡糖醛酸基質(zhì)的存在下才表現(xiàn)出他們的最大活性。然而,底物特異性隨微生物源的不同而變化,有些葡萄糖醛酸酶能夠水解完整的聚合物(普爾斯2000)。乙酰基接近葡萄糖醛酸取代基可以局部阻礙α-葡萄糖醛酸酶活動，也被指出。6、阿魏酸酯酶(EC3.1.1.-)和p-香豆酸酯酶阿魏酸酯酶(EC3.1.1.-)和p-香豆酸酯酶(EC3.1.1.)裂開木聚糖的骨干連接;第一個把阿拉伯糖和阿魏酸側(cè)基之間劈開,而第二個阿拉伯糖在威廉森和p-香豆酸之間劈開(Christov2004年)。四、在木聚糖復(fù)合體上的酶協(xié)同作用木聚糖降解酶的協(xié)同和共同作用使得內(nèi)切木聚糖攻擊雜聚木聚糖的易感性增強(德弗里斯2000年)。因此,添加乙酰酯酶到木聚糖中,導(dǎo)致的結(jié)果是醋酸的釋放和乙?；揪厶堑臏p少,這樣就更好的提供了內(nèi)切木聚糖酶的水解。另一方面,由內(nèi)切木聚糖酶產(chǎn)生的小乙?；酆衔?是酯酶的首選底物。復(fù)雜的基質(zhì)，如麥麩,含有很大量的阿糖基木聚糖,如內(nèi)切木聚糖酶事先沒有接受α-阿拉伯呋喃的處理將不能輕易被內(nèi)切木聚糖分解。這種酶,與內(nèi)切木聚糖協(xié)同作用,使阿糖基木聚糖的糖化被提高。正如上述,β-木糖苷酶可能負責刪除低聚木糖,抑制木聚糖酶的產(chǎn)物,允許木聚糖被更有效的水解。因此,生物技術(shù)的目的，理想的微生物將會產(chǎn)生一個足夠數(shù)量的復(fù)雜的木聚糖酶酶系。在細菌中，術(shù)語“纖維素酶”已經(jīng)被定義為酶的配合物,在不同的物種間，他們之間通過細胞膜相互聯(lián)系在一起(Kosugi2004)。纖維素酶是一個實體,可以降解粘附細菌的纖維素,在聚合物基質(zhì)中可以提供一種更有效的攻擊。以此類推,“一些木聚糖”這個詞應(yīng)用于觀察許多的子單元蛋白質(zhì)總量的結(jié)構(gòu)。這些配合物有一個非常高的相對分子質(zhì)量(500-600kDa),可以包含十多個蛋白質(zhì)在木聚糖活動中,其中一些是內(nèi)切木聚糖。在一些微生物,纖維素酶可能與一些木聚糖酶相關(guān)聯(lián),形成配合物負責纖維素和木聚糖的水解(Antranikian1997)。五、木聚糖酶嗜中溫、高溫來源利用微生物來研究木聚糖或酶系統(tǒng),生態(tài)和經(jīng)濟條件變得越來越相關(guān)。木聚糖酶是由嗜溫菌和嗜熱微生物合成。嗜中溫菌,曲霉菌屬和木霉屬是在木聚糖酶的生產(chǎn)中首先產(chǎn)生的。近年來,很多研究已經(jīng)放在單個高溫菌上，甚至是極端型微生物,因為他們生產(chǎn)酶十分穩(wěn)定(Niehaus2003年)。目前嗜熱真菌包括毛殼菌屬，特異腐質(zhì)霉,胎毛腐植腐菌,黑色素腕骨白霉素,宛氏擬青霉,籃狀菌屬二極管絲衣霉,埃默森踝節(jié)菌屬,細毛嗜熱霉和嗜熱子囊菌。這些真菌中的木聚糖酶的最正確溫度是60-80°C，并且在這個區(qū)間內(nèi)是非常穩(wěn)定的。這些酶通常是由糖蛋白組成，大多數(shù)的活性在pH值為(4.5--6.5)時到達最高。他們存在著多種形式，且大多數(shù)分子量在6-38kDa范圍內(nèi)。許多來自嗜熱微生物的內(nèi)切木聚糖在某種程度與嗜溫菌的結(jié)構(gòu)具有同源性。一些學(xué)者試圖解釋酶的耐熱性，通過觀察嗜熱菌的酶，發(fā)現(xiàn)了特殊的二硫化物橋梁,一個N端脯氨酸殘基，他會引起構(gòu)象的自由的減少、鹽橋和支鏈的疏水的減少(Turunen2001年)。Hakulinen描述了一些小的影響木聚糖酶的熱穩(wěn)定性的因素:(1)高的Ser比率;(2)帶電殘留物質(zhì)數(shù)量的增加,特別是參數(shù),導(dǎo)致增強極地交互;(3)次要結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定，包括更高的殘留物β-鏈，α-螺旋地區(qū)的穩(wěn)定。一些木聚糖酶通過在蛋白質(zhì)外表壓縮蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或提高芳香的殘留離子，來提高其穩(wěn)定性,進而增強其交互性。然而,這并沒有明確的結(jié)論,因為一個現(xiàn)象出現(xiàn)在一個微生物鐘，很可能不會出現(xiàn)在另一個中。六、木聚糖酶的生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中木聚糖酶可利用液體培養(yǎng)基或固體基質(zhì)培養(yǎng)。表1和2總結(jié)的數(shù)據(jù)是在不同的商業(yè)生產(chǎn)木聚糖酶培養(yǎng)形式,值得一提的是80-90%的木聚糖酶是在液體培養(yǎng)基上培養(yǎng)的。在固體基質(zhì)上培養(yǎng)，麥麩和大米被認為是誘導(dǎo)物。替代基質(zhì)在培養(yǎng)木聚糖酶的生產(chǎn)中也有被報道,如甘蔗的蔗渣、水稻殼和木漿(Kadowaki2003年)。在液體培養(yǎng)基上培養(yǎng)時，木聚糖酶用來跟各種來源的木聚糖反響(戈麥斯2000)。β-D-吡喃木糖殘留也可以作為木聚糖聚合物的誘導(dǎo)物(Ghosh2001),但在某些微生物這可能增加不同性質(zhì)的控制,導(dǎo)致內(nèi)切木聚糖降解阻遏(弗洛雷斯1996年)。另一個常被用作有效的誘導(dǎo)物化合物是β-甲基木糖苷,不可代謝結(jié)構(gòu)模擬的木二糖，并且本錢非常低(Morosoli1997)。木聚糖的感應(yīng)系統(tǒng)是由其他的化合物合成,如2-O-β-D-吡喃木糖、D-木糖(Xylβ1-2xyl)、3-O-β-D-吡喃木糖、D-木糖(Xylβ1-3Xyl)和2-O-β-D-吡喃葡糖基、D-木糖(Glcβ1-2Xyl)也被描述(Hrmova1991年)。木二糖,一種同源雙糖,是內(nèi)-1，4-β-木聚糖酶的強大抗病誘導(dǎo)劑,但失敗誘導(dǎo)降解纖維素復(fù)合體分解酶,內(nèi)切-1,4-β-葡聚糖酶。相反的對于雜多糖Glcβ1-2Xyl卻是可行的。這種合成基質(zhì)作為混合的誘導(dǎo)物,促進合成酶的配合物。這些研究結(jié)果顯示合成纖維素酶和木聚糖酶的系統(tǒng)是相互獨立的。當微生物在含有木聚糖培養(yǎng)基上培養(yǎng)時，特定木聚糖酶將會合成,而在含有纖維素培養(yǎng)基上的微生物會生產(chǎn)纖維素酶但是需要木聚糖酶的協(xié)同,這也許是因為纖維素基質(zhì)包含半纖維素。在紡織和造紙行業(yè),最重要的是能夠獲得纖維素酶而無木聚糖酶,需要提取出其中的半纖維素,而沒有破壞纖維素。多糖,比方木聚糖，在微生物能夠引起的酶復(fù)合物活動(Biely1985,1985)。這種效應(yīng)在一段時間內(nèi)曾被許多研究人員質(zhì)疑,因為這些大分子無法與細胞內(nèi)的取得聯(lián)系，進而影響基因的表達。為了使木聚糖的感應(yīng)酶發(fā)生,細胞的控制中心必須和誘導(dǎo)物有相對的接觸;這說明一些識別物質(zhì)存在細胞外表。木聚糖酶的原始結(jié)構(gòu),有相對較低水平的活動,應(yīng)該負責最初的木聚糖水解,產(chǎn)生小β-D-吡喃木糖低聚糖木二糖和木三糖等,(Kulkarni1985)。后來一些學(xué)者認為木二糖才是真正的切木聚糖酶合成誘導(dǎo)物(Haltrich1996年)。在β-木糖甙通透的幫助下(圖2),這些低聚糖進入細胞,引發(fā)的表達木聚糖系統(tǒng)的基因。誘導(dǎo)細胞的透性酶活性在葡萄糖的存在下減少,但它在木聚糖誘導(dǎo)物存在情況下具有非常高效的活性。在絲狀真菌,碳降解物由蛋白質(zhì)克雷亞(轉(zhuǎn)錄抑制因子)阻遏(Dowzer1994年)。圖2該設(shè)方案下分解木聚糖復(fù)合體的酶有切木聚糖酶和β-木糖苷酶。七、木聚糖酶的應(yīng)用近年來,使用纖維素和木聚糖酶生物技術(shù)顯著增加(Bhat2003年)。在商業(yè)生產(chǎn)相當重要的程序即木聚糖的降解最終產(chǎn)物是糠醛、木糖醇(Parajo1998)。木聚糖可以轉(zhuǎn)化為β-D-吡喃木糖和兩種類型的低聚糖水解物:酸或酶。酸水解往往是首選,因為它非?？?但伴隨著有毒化合物的形成，可能會阻礙后續(xù)微生物發(fā)酵。此外,從長遠來看,它會產(chǎn)生導(dǎo)致腐蝕的金屬設(shè)備的酸。最近,一些工業(yè)企業(yè)對高效酶開展大感興趣，想用來替代使用酸水解半纖維素材料。木聚糖酶已經(jīng)投入了工業(yè)生產(chǎn),比方在日本、芬蘭、德國、愛爾蘭共和國、丹麥、加拿大和美國。為了獲得這些酶所使用的微生物是黑曲霉,木霉屬和特異腐質(zhì)霉。一些商業(yè)木聚糖酶也可以從細菌中獲得。木聚糖酶在1980年代開始使用:最初是在動物飼料,后來在食品、紡織和造紙行業(yè)。目前,木聚糖酶、纖維素酶及果膠酶,占世界酶市場的20%。表2總結(jié)了商業(yè)木聚糖酶的屬性、來源和最終應(yīng)用。1.木聚糖酶在動物飼料在農(nóng)業(yè)上，酶在生產(chǎn)飼料中的使用是想當重要的,每年世界上大概生產(chǎn)超過6億噸,相當于營業(yè)額超過50億美元。被用于動物飼料的木聚糖酶有蛋白酶,葡聚糖酶、果膠酶、纖維素酶、淀粉酶、植酸酶、半乳糖苷酶和脂酶。這些酶能夠分解飼料成分的阿拉伯糖木聚糖,減少原料的粘度(Twomey2003)。阿糖基木聚糖在谷物的細胞壁上發(fā)現(xiàn)，它對家禽的營養(yǎng)吸收有影響。如果這些物質(zhì)以溶解態(tài)存在,他們可能會提高飼料的粘度,干擾了流動性和進而影響其他物質(zhì)的吸收。如果向玉米和高粱飼料中添加木聚糖酶，玉米和高粱全是低粘性的食物,它可以改善營養(yǎng)物質(zhì)在消化道上的吸收,導(dǎo)致一個更好的能量利用。其他酶的聯(lián)合行動又可以產(chǎn)生更多的消化食物混合物。較小的家禽和豬產(chǎn)生內(nèi)源性酶比成年的要少,所以食品補充劑含有外源酶，能夠使他們更好的生長。此外,這種飼料可以減少動物糞便中多余的殘留物(如磷、氮、銅和鋅),這樣在減少環(huán)境污染方面也是可行的。2.制造面包,食物和飲料木聚糖酶與α-淀粉酶、麥芽酶、淀粉酶、葡萄糖氧化酶和蛋白酶一起可以用于烘焙面包。像其他半纖維素酶,木聚糖酶在小麥粉中分解半纖維素、幫助水再分配,使面團更加柔軟。他們在制作面包的過程中,延遲面包屑的形成,使生面團膨脹。與木聚糖酶的共同使用,可以使面包吸收更多的水，進而改良發(fā)酵過程(Aguilar2003)。此外,大量的阿拉伯低聚糖在面包中對健康是有益的。在餅干制作,木聚糖酶可以改善奶油餅晶片的紋理,竟而改善了適口性和均勻性。果汁和葡萄酒行業(yè)為酶市場提供了很好的時機。水果和蔬菜生產(chǎn)果汁都需要提取方法清潔和穩(wěn)定。在1930年代,當柑橘開始生產(chǎn)果汁時,產(chǎn)量低，并且由于其濁度，使其果汁存在過濾的問題。向水果里增加化學(xué)成分和微生物酶，可以用來解決這些問題。如今,通過利用木聚糖酶,纖維素酶淀粉酶果膠酶,使得這些行業(yè)有了很大的提升，如應(yīng)用該方法后改良了水果和蔬菜汁的穩(wěn)定性;減少了對香氣、精油、維生素、礦物鹽、食用染料、顏料等的使用,降低粘度,水解了阻礙清汁的物理或化學(xué)物質(zhì),或可能導(dǎo)致渾濁的物質(zhì)。木聚糖酶,結(jié)合內(nèi)切葡聚糖酶,參加阿糖基木聚糖和淀粉的水解,能使小麥面粉中的面筋別離。這種酶也用于咖啡豆粘液的生產(chǎn)(黃1993)。對于木聚糖酶能在食品行業(yè)中使用的優(yōu)勢是其高穩(wěn)定性和最正確Ph值。伴隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進步,木聚糖酶的其他用途的也被發(fā)現(xiàn)。最近,重組酵母酒曲霉菌構(gòu)巢曲霉的木聚糖酶基因xlnA,使葡萄酒香氣比傳統(tǒng)工藝更明顯(恒河1999年)。在啤酒的制造過程中，大麥細胞壁水解阿拉伯木聚糖釋放的長鏈從而增加了啤酒的粘度渲染它“渾”的亮相。因此,木聚糖酶水解阿拉伯糖木聚糖降低低聚糖，降低啤酒的粘度,因此消除渾濁的方面(Debyser2002年)。3.制藥和化學(xué)應(yīng)用木聚糖酶和木聚糖很少被應(yīng)用在制藥行業(yè)。木聚糖酶有時與其他酶合成復(fù)合酶(半纖維素酶蛋白酶合其他)，可以作為一種膳食補充劑或用來治療消化不良,但很少可以找到醫(yī)藥產(chǎn)品配方。木聚糖水解產(chǎn)品,如β-D-吡喃木糖殘留,可以轉(zhuǎn)化為可燃液體(乙醇),溶劑和人工低熱量的甜味劑。第一步是去除木質(zhì)素中豐富的半纖維素,然后由木聚糖酶水解半纖維素酶β-D吡喃木糖等，生產(chǎn)糖單位。其次,產(chǎn)品發(fā)酵,主要由酵母菌(畢赤酵母屬赤酵母和念珠菌休哈塔),在圖3中列出，用于生產(chǎn)木糖醇或乙醇(Jeffries2000)。當糖用于生產(chǎn)酒精,β-D-吡喃木糖殘留到達5至20%。木糖醇是可與甜味劑媲美的蔗糖(Parajo1998年)。這是一個無糖的甜味劑,適合糖尿病和肥胖的人，可以用來預(yù)防骨質(zhì)疏松癥和呼吸道感染、脂質(zhì)代謝紊亂、腎臟和腸胃外的病變。各種各樣的木糖醇商業(yè)產(chǎn)品,如嚼口香糖,可以在市場上找到。雖然木聚糖的酶水解是獲得β-D-吡喃木糖單位的一個可行的方法，目前商業(yè)上木糖醇仍是通過化學(xué)催化大量生產(chǎn)。這被認為是一個高本錢的過程,主要是因為木糖在最初幾個步驟后必須凈化。除此之外,化學(xué)反響經(jīng)常會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品;事實上,在分解木質(zhì)纖維材料時,除了釋放糖,還可以形成其它衍生的葡萄糖〔羥甲基〕，木糖的降解物〔糠醛〕和木質(zhì)素〔芳香和酚類化合物、醛〕。從木質(zhì)纖維素物質(zhì)中解放出來結(jié)構(gòu),如醋酸和提取材料(如萜烯及其衍生品,卓酚酮和酚類醌類化合物如類黃酮、芪、木酚素和單寧),或從設(shè)備中得到的物質(zhì)(鐵、鉻、鎳和銅),可能會強有力的抑制微生物的活動。由此看來，在木糖醇生產(chǎn)、食品、制藥和牙科行業(yè)中，一個更適宜的技術(shù)開展更為迫切。4.紡織品木聚糖復(fù)合體可用于紡織工業(yè)，用來處理植物纖維,如黑森或亞麻布。對于這個目的,木聚糖酶降解纖維素的酶應(yīng)該是可行的。通過木聚糖酶解放長莖纖維素纖維來培養(yǎng)干苧麻(中國草)的過程是完整的。使用這種方法后,就沒有必要使用大量的漂白劑來漂白,因為木質(zhì)素不會在進行氧化,從而導(dǎo)致變黑纖(Csiszaret2001年)。目前相對紡織纖維的酶制劑研究的不是太多,然而這似乎是一個前景廣闊的市場，要求新技術(shù)的開展。圖3由細菌和酵母通過木質(zhì)纖維原料來生產(chǎn)乙醇和木糖醇的簡化方案5.纖維素紙漿和紙張木聚糖酶在造紙工業(yè)中的應(yīng)用主要是纖維素紙漿的漂白。在過去的二十年里，酶使用在這個領(lǐng)域,自從氧化酵素被應(yīng)用于木質(zhì)素的降解(Viikari2004年)。在現(xiàn)在,在許多國家,包括巴西，造紙行應(yīng)用的仍是化學(xué)過程,而非酶法水解。通常的方法是被稱為“卡夫”過程中,這個名字在德國代表力量。在造紙行業(yè)中三種桉樹(E.茅大腸、E.柳桉和E.尾葉桉)是特別青睞的原材料。木屑的預(yù)處理的方法(圖4)開始于兩種試劑〔鈉氫氧化和硫化鈉〕在8Kg/cm2，165°C下的浸煮器中的融合。在蒸煮液中的兩種試劑有助于加快脫木素,用于纖維素纖維的恢復(fù)。在這個階段,纖維素紙漿以棕色為主,由于出現(xiàn)的黑液是其顏色十分黯淡(圖4b)。此過程中可以認為90-95%半纖維素的溶解和局部木質(zhì)素的分解。總結(jié),我們有:——木屑(纖維和木質(zhì)素)+試劑=纖維素和木質(zhì)素——使用工業(yè)術(shù)語:木+白液(NaOH+NaS2)="纖維素"+黑液所沉積的木質(zhì)素賦予紙漿深色，棕色經(jīng)過洗滌后，預(yù)漂白開始，用于去除的少量雜質(zhì)和煮沸過程留下的一局部木質(zhì)素。氧氣用于這個過程(圖4c),目的是減少其他試劑的本錢。預(yù)處理完后的紙張略顯黃色,還不適合用于生產(chǎn)打印或?qū)懽鞯募垙?。這是由于染色的墻上還殘留木質(zhì)素纖維。在后續(xù)漂白過程,通過吸光物質(zhì)〔發(fā)色團)去除分解形成的產(chǎn)品的木質(zhì)素，到達純白色色彩。漂白過程可分為三個階段。首先,使用臭氧和二氧化氯(圖4d)在第二階段,氫氧化鈉,氧氣和過氧化氫。在最后階段用二氧化氯進行去除(圖4e)。硫酸鹽法的主要優(yōu)點是內(nèi)能把黑液中的化學(xué)品竟可能的回收。然而,并不是所有的行業(yè)都回收鈉氫氧化和黑液中的其他有機材料。另一方面,缺點是過程中有強烈氣味的氣體排放，低收益率(40-50%)和漂白的高本錢?？梢钥闯鲈诹蛩猁}法中污染試被大量使用。利用有機氯降解完的產(chǎn)物,具有高毒性和誘變性，所以造紙工廠的廢水需要處理。環(huán)境法規(guī)限制了在纖維素行業(yè)使用氯化合物漂白,尤其是在西歐和北美。如果在預(yù)漂白過程中使用木聚糖酶，這會降低使用的高達30％的氯化合物的量，以使在有機氯在廢水中的減少15-20％是可以實現(xiàn)的。在纖維素制漿中利用木聚糖酶可能會使的每噸少產(chǎn)生5–7千克的二氧化碳和2-4單位的卡伯值。木聚糖酶用于紙技術(shù)不需要純化,但必須有適合的溫度和偏堿性的pH值,必須不能包含纖維素分解酶，以來更好的保護纖維素纖維。木聚糖酶在漂白過程的微生物效率已經(jīng)被研究的有：鏈霉菌屬熱紫鏈霉菌〔GARG等人1996〕;鏈霉菌屬紅色欽氏菌〔Patel等人1993〕;鏈霉菌SP〔Georis等人2000〕;鏈霉菌鮮黃鏈霉菌〔Kansoh2004〕;芽孢桿菌屬菌種〔Shah等人1999年〕;短小芽孢桿菌〔Duarte等人2003〕;環(huán)狀芽孢桿菌〔DHILLON等人2000〕;白曲霉〔Tenkanen等人1997〕;米曲霉〔克里斯托夫等1999〕;曲霉曲霉〔Zhao等人2002〕;構(gòu)巢曲霉〔塔內(nèi)加等人2002〕;煙曲霉〔Lenartovicz等人2002年〕;毛殼解纖維素〔Baraznenok等1999年〕;細毛嗜熱霉〔Haarhoff等人1999〕;里氏木霉〔Oksanen等人，2000〕;構(gòu)巢曲霉和灰腐質(zhì)霉〔塞勒斯等人2004〕圖4顯示了纖維素紙漿的漂白生產(chǎn)階段。木屑(a)方面的纖維素紙漿后卡夫過程(b),預(yù)漂白階段通過使用氧氣(c)、纖維素紙漿漂白與臭氧、二氧化氯(d),后階段使用二氧化氯,療程氫氧化鈉、過氧化氫和氧(e)在纖維素紙漿漂白過程中對木聚糖酶的作用有以下兩個假設(shè)。第一個,在木質(zhì)素中木聚糖酶把木聚糖沉淀(Viikari1994)。木聚糖沉淀是由于在蒸煮結(jié)束階段pH值的降低。通過木聚糖酶的作用是使木質(zhì)素更多的與化合物接觸，竟而用于纖維素紙漿的漂白。第二個假設(shè)是基于木質(zhì)素與其他多糖形成復(fù)合物的能力,而事實上，在紙制工藝中一些骨干連接是不可能被水解的(Buchert1992年)。木聚糖酶裂開木質(zhì)素和木聚糖之間的結(jié)構(gòu)，翻開紙漿中纖維素主干結(jié)構(gòu)，隨后提取木聚糖的碎片(帕斯1992年)。木聚糖從纖維素中化學(xué)提取棕色物質(zhì)和木質(zhì)素碳水化合物，使得紙漿更好。八、木聚糖酶屬于蛋白質(zhì)木聚糖酶是糖基水解酶,用于降解木聚糖。他們根本上占糖基化水解酶的兩個成分,稱為F和G或10和11(Henrissat2002年)。來自兩個組分的木聚糖酶主要存在在細菌和真核生物,并且認為有不同的生理角色(Biely1997)。如果他們屬于旁氏姊妹關(guān)系,這說明木聚糖酶是出現(xiàn)生命進化的早期,在真菌和古細菌別離之間的前期出現(xiàn)。然而，木聚糖酶的這兩個成分似乎有進化起源不同于其他內(nèi)切葡聚糖酶，即成分10更多相關(guān)成分5，和成分11更多相關(guān)成分12(柯林斯2005)?？紤]到Biely等人(1997)的研究,更加說明成分11比成分10出現(xiàn)