木聚糖酶生產(chǎn)現(xiàn)狀研究

張姝倩

(濰坊科技學(xué)院 山東壽光 262700)

1 木聚糖酶的酶學(xué)特性

木聚糖酶(xylanase)是指能使植物細(xì)胞壁半纖維素中的木聚糖降解為低聚木糖和木糖的一組酶的總稱,具有專一性,屬于水解酶類。根據(jù)國內(nèi)外研究報到已知木聚糖酶可以由多種生物合成,以微生物為主,微生物中又以細(xì)菌及真菌為主要研究方向。大多數(shù)微生物來源的木聚糖酶有以下共性:單亞基蛋白,分子量范圍8～145k Da,等電點pI為3～10;酶的pH穩(wěn)定范圍3～10,最適pH值為4～7。與細(xì)菌相比,真菌木聚糖酶的最適pH值偏酸性;酶的最適反應(yīng)溫度為40～75℃,而真菌木聚糖酶的熱穩(wěn)定性在一般條件下較細(xì)菌的差[1]。

2 木聚糖酶在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

木聚糖酶是一種廣為所知的工業(yè)用酶制劑,特別是在工業(yè)造紙上的應(yīng)用,因其減少因漂白產(chǎn)生的二惡英對環(huán)境的污染,引起了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注,也使得木聚糖酶的廠家成為了一個熱點,并取得了一系列重要的進(jìn)展。木聚糖酶的另一用途就是應(yīng)用于飼料工業(yè)和食品工業(yè)上。例如在飼料工業(yè)中的應(yīng)用,有報道稱Van Paridon等學(xué)者1992年利用木聚糖降解酶來處理雞飼料,解除抗?fàn)I養(yǎng)因子,促進(jìn)飼料的能量轉(zhuǎn)化。食品工業(yè)中,木聚糖酶作為食品用酶被應(yīng)用于一些生產(chǎn)加工過程中,例如果汁澄清、咖啡、植物油和淀粉提取加工;也可將黑曲霉木聚糖酶加入到面團中,作用是改善面色的質(zhì)量,增大其體積,達(dá)到使其貨架期延長的目的。隨著亞麻制品越來越受到消費者的青睞,木聚糖酶在亞麻脫膠工業(yè)中的應(yīng)用也日益受到研究者們的廣泛關(guān)注。因為木聚糖是半纖維素的主要組分,木聚糖酶便成為了亞麻脫膠的關(guān)鍵酶之一,目前關(guān)于木聚糖酶在亞麻脫膠中的應(yīng)用仍在進(jìn)一步研究之中。木聚糖酶在生產(chǎn)燃料方面也極具經(jīng)濟價值,其原理是在纖維素酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下可以使植物細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素徹底水解為單糖,在此之后可運用基因工程和發(fā)酵工程生產(chǎn)酒精,有關(guān)于這個課題的研究近年來一直吸引著眾多專家學(xué)者。

3 微生物木聚糖酶的誘導(dǎo)

微生物木聚糖酶一般為誘導(dǎo)型,但也有少量組成型的木聚糖酶被人們發(fā)現(xiàn)。微生物木聚糖酶常見的誘導(dǎo)物是木聚糖,它是一種大分子聚合物,不能穿過細(xì)胞壁而直接進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)。由于木聚糖成分比較復(fù)雜,因此木聚糖酶的誘導(dǎo)也是相當(dāng)復(fù)雜,微生物的誘導(dǎo)水平因其種類不同而差別較大,某種微生物的誘導(dǎo)物會成為另一種微生物產(chǎn)木聚糖酶的抑制劑。另外,我們也不能忽視底物衍生物及酶反應(yīng)的終產(chǎn)物在木聚糖酶的誘導(dǎo)中起到的重要正向作用,然而濃度較高的同種的衍生物或終產(chǎn)物也可能成為微生物生產(chǎn)木聚糖酶的抑制劑[2]。

4 微生物木聚糖酶的生產(chǎn)現(xiàn)狀

影響微生物木聚糖酶的產(chǎn)量的關(guān)鍵因素有幾個方面:選擇適合的誘導(dǎo)物、最佳培養(yǎng)基成分和適宜的培養(yǎng)條件。在發(fā)酵生產(chǎn)過程中,除以上必備的發(fā)酵條件外,還有一些因素對木聚糖酶的生產(chǎn)結(jié)果會有影響,相關(guān)因素有:低聚木糖的釋放速率、數(shù)量及其化學(xué)特性,底物的可接近性等;在一些情況下,木聚糖酶與底物結(jié)合的緊密程度也會影響到微生物木聚糖酶的產(chǎn)量。除了一些因素之外,我們也不能忽視微生物菌體本身代謝所產(chǎn)生的酶,相關(guān)酶類的存在對于木聚糖酶的產(chǎn)量多少會有一定影響。

目前木聚糖酶酶制劑的生產(chǎn)大部分是由細(xì)菌及真菌等微生物發(fā)酵完成。根據(jù)發(fā)酵工藝不同,可分為深層液體發(fā)酵和固體發(fā)酵兩大類。

固體發(fā)酵是傳統(tǒng)的高效生產(chǎn)酶制劑的方法之一,與液體發(fā)酵相比有一些優(yōu)點,其一單位體積的培養(yǎng)基的生產(chǎn)能力大大高于液體培養(yǎng)基;其二,固體發(fā)酵對工廠、機械設(shè)備和能源等的要求不高,所以生產(chǎn)成本低;其三固體培養(yǎng)基對含水量要求不高,從而不易污染水的可能存在雜菌等。在發(fā)酵底物的選擇上,一些廉價產(chǎn)品均可以作為固體發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分,比如農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工后的廢棄物如玉米芯、玉米秸桿、甘蔗廢渣、麩皮、豆粕等既是微生物生長所需要的碳源,又可以是固體發(fā)酵生產(chǎn)木聚糖酶的良好底物。由于這些優(yōu)勢,近年來國內(nèi)外對固體發(fā)酵生產(chǎn)木聚糖酶的研究報道逐漸增加,固體發(fā)酵生產(chǎn)木聚糖酶的產(chǎn)量也較高。

液體深層發(fā)酵生產(chǎn)出來的酶相對于固體發(fā)酵生產(chǎn)出來的酶具有單一、穩(wěn)定性好,容易檢測和分離等優(yōu)點。而且相對于固體發(fā)酵生產(chǎn)的粗獷來說,液體發(fā)酵的培養(yǎng)基組分更加穩(wěn)定,生產(chǎn)出來的木聚糖酶質(zhì)量穩(wěn)定;伴隨著液體深層發(fā)酵工藝的不斷成熟,可以在發(fā)酵過程中對某些生長要素進(jìn)行補給,從而提高了產(chǎn)量。

5 展望

近些年來國內(nèi)外專家學(xué)者對木聚糖酶的研究與利用逐年增多,但是木聚糖酶作為一種發(fā)酵代謝產(chǎn)物,單位產(chǎn)量低、生物活性范圍窄等缺點嚴(yán)重限制了木聚糖的生物轉(zhuǎn)化,如要大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)木聚糖酶還有很長的路要走。首先,想要提高木聚糖酶的生產(chǎn)水平,必須構(gòu)建出高產(chǎn)菌株,可以通過紫外線誘變或基因工程的方法,并且確定最合適的培養(yǎng)基配比及代謝調(diào)控工藝,使之在生物反應(yīng)器進(jìn)行高效表達(dá),這也是國內(nèi)木聚糖酶工業(yè)化生產(chǎn)所面臨的最緊迫的問題。第二,深入研究木聚糖酶的分離提取純化技術(shù),適當(dāng)降低分離成本,通過下游技術(shù)的改善來提高木聚糖酶的產(chǎn)率。第三,在木聚糖酶的生產(chǎn)過程中,對培養(yǎng)基的原料組成進(jìn)行優(yōu)化,充分利用農(nóng)業(yè)加工過程中的廢料、棄料,能夠節(jié)約生產(chǎn)成本,擴大生產(chǎn)規(guī)模。

[1]Kulkami N,Shendye A,Rao M.Molecular and biotechnological aspects of xylanase[J].FFMS Microbiol Rev,1999,23:411-456.

[2]Singh S.,Madlala A.M.,Prior B.A.Thermomyces lanuginosus: properties of strains and their hemicellulases[J].FEMS Microbiol. Rev.2003,27:3-16.