微生物產(chǎn)木聚糖酶研究進(jìn)展

郄衛(wèi)那　張?zhí)m英　何健等

摘要：木聚糖酶是生物技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。介紹了木聚糖酶的分類、作用機(jī)理、高產(chǎn)菌株的種類及獲得、工業(yè)應(yīng)用等，以期為指導(dǎo)木聚糖酶工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用建立基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：木聚糖酶；功能分類；作用機(jī)理；高產(chǎn)菌株；工業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號： TS201.2+5；Q556+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0387-04

收稿日期：2013-10-22

作者簡介：郄衛(wèi)那（1986—），女，河北石家莊人，碩士研究生，從事環(huán)境微生物與環(huán)境工程研究。E-mail：woniubeibao@gmail.com。

通信作者：賀芹，講師，主要從事環(huán)境微生物與環(huán)境工程研究。E-mail：qhe@njau.edu.cn。我國是農(nóng)業(yè)大國，玉米、小麥、大麥、高粱等作物的木質(zhì)纖維素類原料提供的大量非淀粉糖被廣泛應(yīng)用于能源、制漿、造紙業(yè)、紡織業(yè)等行業(yè)。木聚糖是雙子葉植物次生細(xì)胞壁中最主要的半纖維素，木聚糖水解研究對于木質(zhì)纖維素原料利用具有重要的意義。然而，由于植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致半纖維素或木聚糖難以被直接工業(yè)化利用，一般要先采用物理、化學(xué)或生物手段將多糖結(jié)構(gòu)降解為可利用單糖。微生物產(chǎn)生的木聚糖水解酶是木聚糖降解酶系中最關(guān)鍵的酶，可將木聚糖降解為寡聚木糖、木糖及少量其他單糖[1]。木聚糖酶生物來源廣泛，在各種真菌、放線菌、細(xì)菌中均有發(fā)現(xiàn)。目前，國際上關(guān)于木聚糖酶的研究主要集中在木聚糖酶發(fā)酵誘導(dǎo)與調(diào)控機(jī)理、酶基因分子的克隆與表達(dá)、酶的純化鑒定等方面。國內(nèi)關(guān)于木聚糖酶的研究側(cè)重于產(chǎn)木聚糖酶菌株的篩選與馴化、工程菌的構(gòu)建、培養(yǎng)條件優(yōu)化、酶學(xué)性質(zhì)以及酶的純化等方面。

1木聚糖與木聚糖酶

木聚糖（xylan）廣泛存在于自然界，是植物細(xì)胞壁的主要組成成分之一，其含量通常占高等植物細(xì)胞干重的15%～35%，在自然界中較為豐富。木聚糖在細(xì)胞壁中起填充、黏合作用，在保護(hù)纖維素結(jié)構(gòu)的整體性以及防止纖維降解等方面具有重要作用[2]。木聚糖是由木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等構(gòu)成的高分子聚合物，這種結(jié)構(gòu)決定了木聚糖的難降解性。木聚糖酶（xylanase）指可將木聚糖催化水解為低聚木糖或木糖的一類復(fù)合酶系，包括內(nèi)切β-木聚糖酶（endoxylanase）、外切β-木聚糖酶（exoxylanase）、β-木二糖苷酶等。通常情況下，細(xì)菌可產(chǎn)生酸、堿2種木聚糖酶，真菌一般只產(chǎn)低分子量的堿性木聚糖酶，但真菌所產(chǎn)酶活相對較高。由于木聚糖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同生物來源的木聚糖酶大多數(shù)只含有1個(gè)亞基，分子量范圍為8～145 ku，最適反應(yīng)pH值為4～7，最適反應(yīng)溫度為40～60 ℃。水解植物細(xì)胞壁的酶都有使可溶性水解酶聚集在不溶多糖上的碳水化合物結(jié)合部件（CDM）。木聚糖酶的CDM包括纖維素結(jié)合區(qū)（CBD）、木聚糖結(jié)合區(qū)（XBD）。研究顯示，木聚糖酶中CBD結(jié)構(gòu)域要遠(yuǎn)多于XBD，這可能與植物細(xì)胞壁的組成有關(guān)。纖維素是其中普遍存在且含量最高、分子結(jié)構(gòu)變化幅度較小的多糖。木聚糖與纖維素共存決定了CBD與纖維素結(jié)合之后，木聚糖酶可最大限度地接近并降解木聚糖[3]。

2木聚糖酶的分類

2.1根據(jù)同源性、疏水簇分類

根據(jù)糖苷水解酶催化結(jié)構(gòu)域的氨基酸同源性以及疏水簇分析，可將目前已知的糖苷水解酶分為58個(gè)家族。通常情況下木聚糖酶只有1個(gè)催化結(jié)構(gòu)域，歸為多糖代謝酶中的第10（F）、第11（G）2大家族。在密碼子偏好性方面，第10（F）家族的木聚糖酶基密碼子以“a”堿基為主，第11（G）家族以“g/c”堿基為主[4]。這2個(gè)家族酶催化區(qū)的氨基酸序列與催化基團(tuán)的周圍序列基本無同源性，表明這2個(gè)家族來源于不同的祖先基因，且在折疊方式上有很大差異。F/10家族木聚糖酶相對分子質(zhì)量大于30，為酸性蛋白，通常含有269～809個(gè)氨基酸殘基。酶的空間結(jié)構(gòu)呈“碗狀”，主要由α-螺旋、β-折疊片重復(fù)出現(xiàn)構(gòu)成上面略大下面較小的形狀，其催化部位位于碗底近碳端狹窄部位的深溝中[5]。G/11木聚糖酶多為單結(jié)構(gòu)域，相對分子量小于30，含有182～234個(gè)氨基酸殘基，其三級結(jié)構(gòu)是由2個(gè)反相平行的β折疊片層扭曲成近90°，再加上1個(gè)α-螺旋使整個(gè)酶的空間結(jié)構(gòu)呈“右手半握狀”，其催化部位位于半握“手掌”與“手指”之間的長槽內(nèi)[6]。F/10家族的木聚糖酶在耐酸、耐高溫、耐堿等方面更具優(yōu)越性，最適作用溫度為60～80 ℃，催化產(chǎn)物中單糖較多。G/11家族通常為堿性蛋白，對木聚糖有很高的特異性，最適作用溫度為50～60 ℃，催化產(chǎn)物多為寡聚糖。

2.2根據(jù)底物特異性分類

根據(jù)對酶解反應(yīng)對象偏好性的不同，其催化特性特點(diǎn)又可細(xì)分為作用底物、糖苷鍵、基團(tuán)的特異性。有的木聚糖酶可以任意切割非取代木糖殘基，有的木聚糖酶則受酶切位點(diǎn)相鄰取代基的影響。有的木聚糖酶只能水解木聚糖主鏈，如某些黑曲霉產(chǎn)生的木聚糖酶；有的木聚糖酶可水解主鏈、支鏈。根據(jù)底物組成的不同又可將木聚糖酶進(jìn)一步分為特異性酶、交叉特異性酶。前者只能分解木聚糖β-1，4糖苷鍵，后者除此之外還可分解纖維素的β-1，4糖苷鍵，是雙功能酶。雙功能酶一般是指多肽鏈同時(shí)具有2種水解活性酶蛋白，可催化完成2個(gè)不同的生物反應(yīng)過程，往往涉及數(shù)目巨大的中間體酶蛋白[7]。相較單功能酶系，雙功能酶系具有快速、有效催化反應(yīng)的特性。雙功能木聚糖酶的產(chǎn)生主要是編碼功能相關(guān)蛋白的基因在進(jìn)化選擇壓力下發(fā)生融合所致，這種融合進(jìn)化對生物體的共存有著重要的意義[8]。一方面，位于同一條多肽鏈上的功能相關(guān)基因可共用一套調(diào)控原件；另一方面，活性區(qū)域空間位置的拉近以及相互關(guān)聯(lián)的增強(qiáng)均可對其他結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生直接影響[9]。研究表明，雙功能酶系有不同家族的木聚糖酶系、木聚糖酶和纖維素酶系、木聚糖酶和葡聚糖酶系以及木聚糖和其他輔酶構(gòu)成的酶系等。

3木聚糖酶的催化作用

3.1木聚糖酶的作用方式endprint

木聚糖需要在內(nèi)切木聚糖酶、外切木聚糖酶以及作用于支鏈的糖苷鍵酶等多種酶的共同作用下才能完全降解。降解不同的木聚糖底物，所需要的木聚糖降解酶系也較復(fù)雜，常見酶系的組成及作用特點(diǎn)見表1。表1木聚糖降解酶系組成及作用特點(diǎn)

木聚糖酶降解酶系作用特點(diǎn)內(nèi)切木聚糖酶β-1，4-木糖苷酶降解主鏈骨架，降低聚合度，主要生成低聚木糖外切木聚糖酶β-1，4-葡萄糖苷酶進(jìn)一步降解低聚木糖，從還原末端釋放木糖β-1，4-甘露糖苷酶側(cè)鏈水解酶α-L-阿拉伯糖苷酶降解支鏈，加速低聚木糖的產(chǎn)生α-L-葡萄糖醛酸苷酶α-D-半乳糖苷酶酯酶乙酰木聚糖酯酶

降解木聚糖過程中，外切酶與內(nèi)切酶相互促進(jìn)，加速了木聚糖的降解、催化進(jìn)程。內(nèi)切酶主要作用于木聚糖主鏈內(nèi)部的β-1，4糖苷鍵，將大的木聚糖主鏈切割成較小的聚合度較低的木糖，外切酶則把得到的低聚木糖進(jìn)一步降解為單糖。從作用位置來看，內(nèi)切酶的作用速度要高于外切酶；但從分解效率上看，內(nèi)切酶可有效降解木聚糖，能夠降解80%的木聚糖，而外切酶只能以不到50%的比例作用于低聚木糖或木聚糖支鏈；從作用后的產(chǎn)物看，內(nèi)切木聚糖酶的產(chǎn)物主要是寡糖等低聚糖，外切木聚糖酶則以木糖為主[10]。對于α-L-阿拉伯糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶、α-葡萄糖醛酸酶等，可以從非還原端作用于木聚糖支鏈中的阿拉伯聚糖、葡萄糖醛酸、阿拉伯半乳糖等之間的糖苷鍵，乙酰木聚糖酯酶破壞羧酸殘基與木聚糖之間的聯(lián)系，從而提高木聚糖的溶解性、降解速度，絕大部分的支鏈水解酶能夠進(jìn)一步激活主鏈酶的活性，加速酶解反應(yīng)的進(jìn)行。微生物在水解木聚糖時(shí)，往往是各種酶相互調(diào)節(jié)、協(xié)同作用，使木聚糖完全降解[11]。

3.2木聚糖酶的作用機(jī)理

早在20世紀(jì)90年代，人們便開始了對木聚糖酶催化機(jī)理的研究。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)修飾后的酸性氨基酸在木聚糖酶催化反應(yīng)中起重要作用[12]。在這個(gè)反應(yīng)中，第1個(gè)氨基酸作用于糖苷鍵，使其中的氧原子得到電子；第2個(gè)氨基酸與含氧的正碳原子中間產(chǎn)物或水分子形成羥基親和劑。處于活化狀態(tài)的氨基酸羥基把帶正電的質(zhì)子結(jié)合到糖苷鍵上使其不能發(fā)揮作用，同時(shí)通過正碳離子與得到電子的氨基酸形成共價(jià)鍵，帶正電的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到親核基團(tuán)上，水分子的羥基轉(zhuǎn)移到正碳離子上，完成水解過程[13]。

3.3木聚糖在糖平臺(tái)構(gòu)建中的關(guān)鍵催化作用

糖平臺(tái)是指碳水化合物含量為75%以上的生物質(zhì)。這些碳水化合物既是糖平臺(tái)中間體，同時(shí)又可作為進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)物質(zhì)。糖平臺(tái)技術(shù)基于生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程，其重點(diǎn)在于發(fā)酵、轉(zhuǎn)化從生物質(zhì)原料中提取的糖分，如纖維素組分來源的葡萄糖，木聚糖組分來源的木糖、半乳糖、阿拉伯糖等。糖平臺(tái)技術(shù)可以生產(chǎn)能源、燃料以及生物基產(chǎn)品，也可以生產(chǎn)很多能形成譜系產(chǎn)品的化學(xué)品[14]。工業(yè)上一般利用蔗糖與淀粉作為直接可發(fā)酵糖源。纖維素可以轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，由于其具有可再生性，纖維素糖平臺(tái)研究日益引起人們的注意。但是纖維素并不能直接作為發(fā)酵糖源，一般要通過預(yù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多聚糖的降解與分離。目前利用這種原料最有前景的方法是：預(yù)處理木質(zhì)纖維素后，纖維素變得更易被酶作用，再用酶水解纖維素成分。目前人們普遍采用生物、物理、化學(xué)方法首先脫除其中的半纖維素組分，如利用蒸汽爆破、木聚糖酶或稀酸水解等方法降解木聚糖成分，因此木聚糖酶的制備與利用成為其中一個(gè)重要的步驟。木聚糖酶可以分解秸稈類物質(zhì)獲得低聚木糖，木糖、阿拉伯糖等五碳糖以及甘露糖、半乳糖、葡萄糖等六碳糖，可作為發(fā)酵工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域重要的糖來源。

4木聚糖酶產(chǎn)生菌株研究進(jìn)展

4.1木聚糖酶產(chǎn)生菌株的種類

早在20世紀(jì)50年代，Srensen就對土壤中的木聚糖酶進(jìn)行了研究[15]。我國對木聚糖酶的研究起步較晚，1980年左右，曾宇成等首次從海棗曲霉中純化得到了4種木聚糖酶[16]。目前國內(nèi)外報(bào)道的產(chǎn)木聚糖酶微生物涉及細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母等。大多數(shù)產(chǎn)木聚糖酶細(xì)菌適宜生長溫度比真菌高，且細(xì)菌的熱穩(wěn)定性要高于真菌。細(xì)菌性木聚糖酶中含有增加熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域可與木聚糖酶催化結(jié)構(gòu)域緊密相連，同時(shí)含有較多的大體積、且可通過增加折疊分子的緊密性來增加熱穩(wěn)定性的疏水性芳香族氨基酸。細(xì)菌產(chǎn)木聚糖酶的pH值穩(wěn)定且范圍廣，且內(nèi)切木聚糖酶含量較高，可較快分解木聚糖。目前產(chǎn)木聚糖酶的霉菌主要有黑曲霉、青霉菌、里氏木霉、綠色木霉等。霉菌木聚糖酶的表達(dá)量往往高于細(xì)菌、酵母，且一般為胞外酶，發(fā)酵后易于分離純化，因此在木聚糖酶工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用霉菌[17]。但霉菌所產(chǎn)酶系較為復(fù)雜，常伴隨高活性纖維素酶的產(chǎn)生。表2列出了近幾年木聚糖酶產(chǎn)生菌株的產(chǎn)酶情況。

4.2木聚糖酶高產(chǎn)菌株的選育方法

4.2.1自然篩選土壤是取之不盡的菌種寶庫，長期堆放的秸稈、稻草、樹葉等木聚糖含量較高的土壤都可分離到相對高表2部分產(chǎn)木聚糖酶的真菌

菌株培養(yǎng)方式底物酶活Paecilomyces themophila J18 固態(tài)發(fā)酵麥秸18 580 U/g 底物[18]Aspergillus fischeri Fxn 1固態(tài)發(fā)酵麥麩1 024 U/g底物[19]Aspergillus foetidus MTCC 4898液態(tài)發(fā)酵1%木聚糖210 U/mL 發(fā)酵液[20]Pleurotus florida固態(tài)發(fā)酵預(yù)處理稻秸105.9 U/g底物[21]Bacillus pumilus ASH液態(tài)發(fā)酵2%麥麩5 407 U/mL發(fā)酵液[22]Burkholderia sp. DMAX固態(tài)發(fā)酵乙醇廢醪5 200～5 600 U/g底物[23]Streptomyces cyaneus SN32液態(tài)發(fā)酵麥麩、蛋白胨720 U/mL 發(fā)酵液[24]Cryptococcus adeliae 液態(tài)發(fā)酵2.4%木聚糖24 U/mL發(fā)酵液[25]

效的木聚糖酶生產(chǎn)菌株。菌種初篩一般采用剛果紅透明圈法，利用菌株在剛果紅平板上形成的的淡紅色圈來判斷木聚糖酶活性大小。由于木聚糖溶解性較差，因此也可以直接在平板培養(yǎng)基中加入木聚糖，再根據(jù)菌落周圍是否出現(xiàn)透明水解圈及透明圈的大小來篩選產(chǎn)酶菌株。在初篩基礎(chǔ)上，通常利用DNS酶活測定法進(jìn)行復(fù)篩，從而獲得產(chǎn)酶量高的菌種。endprint

4.2.2誘變育種從土壤中篩選出的絕大部分野生型菌株產(chǎn)酶活力較低，不能直接用于工業(yè)生產(chǎn)，要對菌株進(jìn)行選育改造，以獲得高產(chǎn)菌株。誘變育種是微生物常用的改良方法，可采用物理誘變或化學(xué)誘變來提高其產(chǎn)酶能力。離子束誘變育種是一種新型的誘變方式，目前已實(shí)現(xiàn)了對多種菌株的改造，該方法利用離子注入設(shè)備產(chǎn)生離子束作為誘變源，實(shí)現(xiàn)生物體遺傳物質(zhì)的永久改變。如維生素C的生產(chǎn)量在國內(nèi)外創(chuàng)造了新紀(jì)錄，就是利用離子誘變菌種取得的[26]。Li等利用低能氮離子獲得了黑曲霉突變菌株Aspergillus niger A3 N212，使其最適作用溫度以及產(chǎn)生的木聚糖酶酶活比出發(fā)菌株分別提高了2 ℃和98%[27]。

4.2.3基因重組技術(shù)基因重組技術(shù)在菌種改良方面具有極大潛力，目前基因重組常用的蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)包括原核表達(dá)系統(tǒng)、真核表達(dá)系統(tǒng)。原核表達(dá)系統(tǒng)是無須修飾只表達(dá)翻譯后即可獲得產(chǎn)物的首選系統(tǒng)，簡單易行，所獲得的微生物產(chǎn)量高，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。包怡紅等把高產(chǎn)菌株BP51克隆得到的木聚糖酶基因xynA在芽孢桿菌中構(gòu)建重組質(zhì)粒，再將質(zhì)粒通過原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化方法轉(zhuǎn)入短小芽孢桿菌中獲得重組菌株，產(chǎn)酶活力約提高20倍[28]。真核表達(dá)系統(tǒng)常采用的是酵母表達(dá)系統(tǒng)。與原核表達(dá)系統(tǒng)相比，酵母表達(dá)系統(tǒng)克服了蛋白翻譯后修飾、復(fù)性困難且效率低、不易純化等缺陷，具有生長快速、培養(yǎng)基廉價(jià)、操作簡單可行等特點(diǎn)，但也存在啟動(dòng)子作用效果不明顯、產(chǎn)率低、質(zhì)粒穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

4.2.4蛋白質(zhì)工程技術(shù)蛋白質(zhì)工程是指通過修飾蛋白質(zhì)的基因或改變其結(jié)構(gòu)來獲得具有新特性的蛋白質(zhì)，目前已成為學(xué)者們研究酶性質(zhì)（主要是熱穩(wěn)定性）的主要手段，常用方法有定點(diǎn)突變、同序概念半推理設(shè)計(jì)、木聚糖酶分子的化學(xué)修飾、雜合酶構(gòu)建、定向進(jìn)化等[29]。Baumann等采用易錯(cuò)PCR和定點(diǎn)突變技術(shù)獲得了新型耐高溫嗜堿芽孢桿菌（Bacillus halodurans）突變株，該突變株產(chǎn)生的木聚糖酶在75 ℃下仍具有較高的活性[30]。

5木聚糖酶的應(yīng)用

木聚糖酶的工業(yè)化應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，最初應(yīng)用于飼料，而后擴(kuò)展到食品、紡織、造紙、醫(yī)藥等行業(yè)。近年來，關(guān)于木聚糖酶在工業(yè)上的應(yīng)用每年都有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。根據(jù)木聚糖酶在工業(yè)應(yīng)用上的主要目標(biāo)，木聚糖酶的工業(yè)應(yīng)用主要可分為兩個(gè)方面：以去除木聚糖成分或得到較純品為目標(biāo)的飼料工業(yè)、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)等以及以獲得可利用糖或構(gòu)建糖平臺(tái)為主要目的的食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等。

5.1以除雜為主要目標(biāo)的工業(yè)應(yīng)用

5.1.1造紙工業(yè)造紙工業(yè)中一道重要的工藝是制漿，制漿的主要目的是去除原材料中的木聚糖、木質(zhì)素等成分，獲得高純度纖維素。木聚糖通過化學(xué)鍵直接連在纖維素、木質(zhì)素上，形成難降解的木質(zhì)素-木聚糖復(fù)合體（LCC），導(dǎo)致木質(zhì)素難以被去除、漂白。木聚糖酶能夠水解LCC，實(shí)現(xiàn)木聚糖的深入水解，使木聚糖降解溶出，加快紙漿中木質(zhì)素的釋放，提高紙漿強(qiáng)度[31]。目前已有一些關(guān)于嗜極性細(xì)菌或真菌在紙漿漂白中應(yīng)用的報(bào)道。要特別說明的是，造紙工業(yè)中選用的木聚糖酶應(yīng)具有分子量較小、不能同時(shí)降解纖維素的特點(diǎn)。原因是小分子量的木聚糖酶有利于在紙漿中溶解、擴(kuò)散，不具纖維素酶活的特點(diǎn)可避免降解紙漿中的纖維，影響成漿的質(zhì)量[32]。木聚糖酶的使用減少了因漂白紙漿中殘余木質(zhì)素成分所消耗的大量漂白劑。將木聚糖酶、臭氧、過氧化氫等與漂白劑組合使用，可最大限度減少漂白過程中致癌物的產(chǎn)生，減少廢水排放與環(huán)境污染。廢紙脫墨是指利用化學(xué)藥劑，對使用過的纖維進(jìn)行降解回收的過程。通過在脫墨中加入木聚糖酶，或者與其他復(fù)合酶一起使用，在一定條件下利用生物制劑可大大增加對纖維素的降解率，提高產(chǎn)率，減少環(huán)境污染。

5.1.2飼料工業(yè)動(dòng)物飼料中的半纖維素成分幾乎不能被單胃動(dòng)物吸收利用，因?yàn)檫@類動(dòng)物的體內(nèi)沒有相應(yīng)的消化酶。飼料中往往需要添加相應(yīng)的酶以降解難以被動(dòng)物直接利用吸收的成分，如纖維素酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶、植酸酶等用于降解非淀粉類多糖，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等用于補(bǔ)充動(dòng)物的內(nèi)源酶。在飼料中加入木聚糖酶，可降低腸道內(nèi)容物的黏性，加快內(nèi)源消化酶的擴(kuò)散速率。另外，木聚糖酶還可通過降解作用破壞植物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使植物性飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來。木聚糖酶可減少有害菌繁殖，改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而抑制厭氧微生物的生長，降低腸道疾病的發(fā)生率。通過調(diào)節(jié)畜禽的胃腸道環(huán)境從而提高其免疫力，減少排泄物對環(huán)境的危害，提高經(jīng)濟(jì)效益[33]。在飼料中添加木聚糖酶不僅可以提高能量、氨基酸、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，而且在非反芻動(dòng)物飼料中引入來源豐富的小麥等農(nóng)作物秸稈及副產(chǎn)物，可以極大地緩解我國飼料原料短缺的問題。

5.2以降糖為主要目標(biāo)的工業(yè)應(yīng)用

以降解木聚糖、獲得低聚木糖或木糖為目的的行業(yè)主要集中于發(fā)酵工業(yè)如食品行業(yè)等。木聚糖水解產(chǎn)生的低聚木糖、木糖作為雙歧因子、功能糖，可以激活雙歧桿菌的活性、改善胃腸道環(huán)境、增進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、幫助消化、增強(qiáng)人體免疫力；還可促進(jìn)人體對鈣質(zhì)的吸收、增強(qiáng)身體素質(zhì)、減少疾病等；也可作為低能量甜味劑及糖尿病人的食用糖源。

5.2.1木聚糖酶在面粉中的應(yīng)用小麥面粉中非淀粉多糖的主要成分是阿拉伯木聚糖，其中水不溶性阿拉伯木聚糖約占70%～80%。該物質(zhì)對面團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及面制品的口感有顯著影響。Uysal等研究發(fā)現(xiàn)，在面粉中添加適量的木聚糖酶能使不溶性阿拉伯木聚糖增溶，提高面團(tuán)的柔軟度、拉力，從而改善面制品的品質(zhì)、硬度[34]。對于面包等烘焙食品，木聚糖酶可水解谷物面包粉中的木聚糖至單糖，使水在面粉、蛋白兩相中重新分布，從而改善面包的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松軟度、保質(zhì)期。除此之外，木糖等單糖與蛋白在烘培過程中更容易發(fā)生美拉德反應(yīng)，增加食品的風(fēng)味與口感。

5.2.2木聚糖酶在飲品等方面的應(yīng)用木聚糖酶能夠降解果蔬汁、啤酒中的一些多糖類物質(zhì)。果蔬汁的生產(chǎn)包括榨取、澄清、穩(wěn)定等3個(gè)主要過程。果膠酶、纖維素酶、木聚糖酶等水解酶的組合使用不僅能提高果汁穩(wěn)定性，而且有助于飲料與固含物離心，從而快速降低果汁黏度，防止形成煙霧狀沉淀。木糖、阿拉伯糖等可以使果汁具有獨(dú)特的口感。釀酒工業(yè)中，原料含有水溶性較差的非淀粉多糖類物質(zhì)，木聚糖酶主要被用于破壞原料細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，加快淀粉酶的催化作用，提高發(fā)酵效率，增加乙醇產(chǎn)率。同時(shí)還可水解引起飲料呈現(xiàn)不透明狀態(tài)的多糖，降低發(fā)酵液的黏度，提高產(chǎn)品清澈度，產(chǎn)生的單糖能促進(jìn)乙醇發(fā)酵，提高酒品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。木聚糖酶可以作用于咖啡豆中的木聚糖等，減少產(chǎn)品黏度。同時(shí)，食用木聚糖酶水解木聚糖產(chǎn)生的低聚木糖后不會(huì)引起人體內(nèi)血糖較大幅度的波動(dòng)，所以可代替白糖制作成甜味劑，還可用作食品工業(yè)中的黏稠劑、脂肪替代品。endprint

6展望

木聚糖酶不僅可以降解農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈等，同時(shí)可以變廢為寶，為工業(yè)領(lǐng)域提供更為廣泛的原料來源及中間化學(xué)品。因而，獲得低成本的工業(yè)化木聚糖酶，對于降解半纖維素、獲得低分子量單糖或寡糖產(chǎn)品、構(gòu)建糖平臺(tái)非常關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]張王照，王亞茹，楊浩萌. 飼用木聚糖酶的研究進(jìn)展[J]. 飼料廣角，2005（15）：27-28，30.

[2]Uffen R L. Xylan degradation：a glimpse at microbial diversity[J]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology，1997，19（1）：1-6.

[3]Polizeli M L，Rizzatti A C，Monti R，et al. Xylanases from fungi：properties and industrial applications[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2005，67（5）：577-591.

[4]劉亮偉，秦天蒼，翟繼，等. F/10及G/11木聚糖酶家族密碼子偏好性分析[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（2）：223-227.

[5]劉亮偉，張革新，賀鐵明，等. F/10和G/11木聚糖酶家族的不同熱穩(wěn)定性機(jī)制[J]. 無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（1）：52-58.

[6]Poon D K，Withers S G，McIntosh L P. Direct demonstration of the flexibility of the glycosylated proline-threonine linker in the Cellulomonas fimi xylanase cex through NMR spectroscopic analysis[J]. Journal of Biological Chemistry，2007，282（3）：2091-2100.

[7]Vrzheshch P V. Steady-state kinetics of bifunctional enzymes. Taking into account kinetic hierarchy of fast and slow catalytic cycles in a generalized model[J]. Biochemistry-Moscow，2007，72（9）：936-943.

[8]Gilbert H J，Hazelwood G P. Bacterial celluloses and xylanases[J]. Journal of General Microbiology，1993，139：187-194.

[9]James C L，Viola R E. Production and characterization of bifunctional enzymes. Domain swapping to produce new bifunctional enzymes in the aspartate pathway[J]. Biochemistry，2002，41（11）：3720-3725.

[10]國春艷，黃衛(wèi)斌，朱屹，等. 飼用木聚糖酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 飼料工業(yè)，2007，28（22）：9-11.

[11]邵繼海.微生物木聚糖酶研究進(jìn)展[J]. 飼料工業(yè)，2009，30（14）：18-20.

[12]Khandeparker R，Numan M T. Bifunctional xylanases and their potential use in biotechnology[J]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology，2008，35（7）：635-644.

[13]Bray M R，Clarke A J. Essential carboxy groups in xylanase A[J]. Biochemical Journal，1990，270（1）：91-96.

[14]陳洪章.纖維素生物技術(shù)[M]. 2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：285-288.

[15]Srensen H. Xylanase in the soil and the rumen[J]. Nature，1955，176（4471）：74.

[16]曾宇成，張樹政. 海棗曲霉產(chǎn)生的糖苷酶類[J]. 微生物學(xué)通報(bào)，1987（3）：111-114.

[17]Fang H Y，Chang S M，Hsieh M C，et al. Production，optimization growth conditions and properties of the xylanase from Aspergillus carneus M34[J]. Journal of Molecular Catalysis B - Enzymatic，2007，49（1/2/3/4）：36-42.

[18]Yang S Q，Yan Q J，Jiang Z Q，et al. High-level of xylanase production by the thermophilic Paecilomyces themophila J18 on wheat straw in solid-state fermentation[J]. Bioresource Technology，2006，97（15）：1794-1800.endprint

[19]Senthilkumar S R，Ashokkumar B，Chandra Raj K，et al. Optimization of medium composition for alkali-stable xylanase production by Aspergillus fischeri Fxn 1 in solid-state fermentation using central composite rotary design[J]. Bioresource Technology，2005，96（12）：1380-1386.

[20]Shah A R，Madamwar D. Xylanase production by a newly isolated Aspergillus foetidus strain and its characterization[J]. Process Biochemistry，2005，40（5）：1763-1771.

[21]Singh M P，Pandey A K，Vishwakarma S K，et al. Extracellular xylanase production by Pleurotus species on lignocellulosic wastes under in vivo condition using novel pretreatment[J]. Cellular and Molecular Biology，2012，58（1）：170-173.

[22] Battan B，Sharma J，Dhiman S S，et al. Enhanced production of cellulase-free thermostable xylanase by Bacillus pumilus ASH and its potential application in paper industry[J]. Enzyme and Microbial Technology，2007，41（6/7）：733-739.

[23]Mohana S，Shah A，Divecha J，et al. Xylanase production by Burkholderia sp. DMAX strain under solid state fermentation using distillery spent wash[J]. Bioresource Technology，2008，99（16）：7553-7564.

[24]Ninawe S，Kuhad R C. Use of xylan-rich cost effective agro-residues in the production of xylanase by Streptomyces cyaneus SN32[J]. Journal of Applied Microbiology，2005，99（5）：1141-1148.

[25]Gomes J，Gomes I，Steiner W. Thermolabile xylanase of the Antarctic yeast Cryptococcus adeliae：production and properties[J]. Extremophiles，2000，4（4）：227-235.

[26]許安，姚建銘，余增亮. 離子注入改良維生素C二步發(fā)酵混合菌研究（Ⅰ）2-酮基-L-古龍酸高產(chǎn)菌系IPPM-1028的選育[J]. 工業(yè)微生物，1998，28（4）：21-24.

[27]Li S C，Yao J M，Yu Z L. Studies on mutation breeding of high-yielding xylanase strains by low-energy ion beam implantation[J]. Plasma Science and Technology，2007，9（2）：248-251.

[28]包怡紅，劉偉豐，董志揚(yáng). 耐堿性木聚糖酶在短小芽孢桿菌中高效分泌表達(dá)的研究[J]. 中國食品學(xué)報(bào)，2008，8（5）：37-43.

[29]Naber J E，Schepman A M J，Rrsch A. The binding of deoxyribonucleases of Escherichia coli to deoxyribonucleic acid immobilized in agarose[J]. Biochim Biophys Acta，1966，114（2）：326-337.

[30]Baumann M J，Murphy L，Lei N，et al. Advantages of isothermal titration calorimetry for xylanase kinetics in comparison to chemical-reducing-end assays[J]. Analytical Biochemistry，2011，410（1）：19-26.

[31]Mohn W W，Stewart G R. Bacterial metabolism of chlorinated dehydroabietic acids occurring in pulp and paper mill effluents[J]. Applied and Environmental Microbiology，1997，63（8）：3014-3020.

[32]Haki G D，Rakshit S K. Developments in industrially important thermostable enzymes：a review[J]. Bioresource Technology，2003，89（1）：17-34.

[33]聶國興，王俊麗，明紅. 木聚糖酶的應(yīng)用現(xiàn)狀與研發(fā)熱點(diǎn)[J]. 工業(yè)微生物，2008，38（1）：53-59.

[34]Uysal H，Bilgicli N，Elgün A，et al. Effect of dietary fibre and xylanase enzyme addition on the selected properties of wire-cut cookies[J]. Journal of Food Engineering，2007，78（3）：1074-1078.endprint

[19]Senthilkumar S R，Ashokkumar B，Chandra Raj K，et al. Optimization of medium composition for alkali-stable xylanase production by Aspergillus fischeri Fxn 1 in solid-state fermentation using central composite rotary design[J]. Bioresource Technology，2005，96（12）：1380-1386.

[20]Shah A R，Madamwar D. Xylanase production by a newly isolated Aspergillus foetidus strain and its characterization[J]. Process Biochemistry，2005，40（5）：1763-1771.

[21]Singh M P，Pandey A K，Vishwakarma S K，et al. Extracellular xylanase production by Pleurotus species on lignocellulosic wastes under in vivo condition using novel pretreatment[J]. Cellular and Molecular Biology，2012，58（1）：170-173.

[22] Battan B，Sharma J，Dhiman S S，et al. Enhanced production of cellulase-free thermostable xylanase by Bacillus pumilus ASH and its potential application in paper industry[J]. Enzyme and Microbial Technology，2007，41（6/7）：733-739.

[23]Mohana S，Shah A，Divecha J，et al. Xylanase production by Burkholderia sp. DMAX strain under solid state fermentation using distillery spent wash[J]. Bioresource Technology，2008，99（16）：7553-7564.

[24]Ninawe S，Kuhad R C. Use of xylan-rich cost effective agro-residues in the production of xylanase by Streptomyces cyaneus SN32[J]. Journal of Applied Microbiology，2005，99（5）：1141-1148.

[25]Gomes J，Gomes I，Steiner W. Thermolabile xylanase of the Antarctic yeast Cryptococcus adeliae：production and properties[J]. Extremophiles，2000，4（4）：227-235.

[26]許安，姚建銘，余增亮. 離子注入改良維生素C二步發(fā)酵混合菌研究（Ⅰ）2-酮基-L-古龍酸高產(chǎn)菌系IPPM-1028的選育[J]. 工業(yè)微生物，1998，28（4）：21-24.

[27]Li S C，Yao J M，Yu Z L. Studies on mutation breeding of high-yielding xylanase strains by low-energy ion beam implantation[J]. Plasma Science and Technology，2007，9（2）：248-251.

[28]包怡紅，劉偉豐，董志揚(yáng). 耐堿性木聚糖酶在短小芽孢桿菌中高效分泌表達(dá)的研究[J]. 中國食品學(xué)報(bào)，2008，8（5）：37-43.

[29]Naber J E，Schepman A M J，Rrsch A. The binding of deoxyribonucleases of Escherichia coli to deoxyribonucleic acid immobilized in agarose[J]. Biochim Biophys Acta，1966，114（2）：326-337.

[30]Baumann M J，Murphy L，Lei N，et al. Advantages of isothermal titration calorimetry for xylanase kinetics in comparison to chemical-reducing-end assays[J]. Analytical Biochemistry，2011，410（1）：19-26.

[31]Mohn W W，Stewart G R. Bacterial metabolism of chlorinated dehydroabietic acids occurring in pulp and paper mill effluents[J]. Applied and Environmental Microbiology，1997，63（8）：3014-3020.

[32]Haki G D，Rakshit S K. Developments in industrially important thermostable enzymes：a review[J]. Bioresource Technology，2003，89（1）：17-34.

[33]聶國興，王俊麗，明紅. 木聚糖酶的應(yīng)用現(xiàn)狀與研發(fā)熱點(diǎn)[J]. 工業(yè)微生物，2008，38（1）：53-59.

[34]Uysal H，Bilgicli N，Elgün A，et al. Effect of dietary fibre and xylanase enzyme addition on the selected properties of wire-cut cookies[J]. Journal of Food Engineering，2007，78（3）：1074-1078.endprint

[19]Senthilkumar S R，Ashokkumar B，Chandra Raj K，et al. Optimization of medium composition for alkali-stable xylanase production by Aspergillus fischeri Fxn 1 in solid-state fermentation using central composite rotary design[J]. Bioresource Technology，2005，96（12）：1380-1386.

[20]Shah A R，Madamwar D. Xylanase production by a newly isolated Aspergillus foetidus strain and its characterization[J]. Process Biochemistry，2005，40（5）：1763-1771.

[21]Singh M P，Pandey A K，Vishwakarma S K，et al. Extracellular xylanase production by Pleurotus species on lignocellulosic wastes under in vivo condition using novel pretreatment[J]. Cellular and Molecular Biology，2012，58（1）：170-173.

[22] Battan B，Sharma J，Dhiman S S，et al. Enhanced production of cellulase-free thermostable xylanase by Bacillus pumilus ASH and its potential application in paper industry[J]. Enzyme and Microbial Technology，2007，41（6/7）：733-739.

[23]Mohana S，Shah A，Divecha J，et al. Xylanase production by Burkholderia sp. DMAX strain under solid state fermentation using distillery spent wash[J]. Bioresource Technology，2008，99（16）：7553-7564.

[24]Ninawe S，Kuhad R C. Use of xylan-rich cost effective agro-residues in the production of xylanase by Streptomyces cyaneus SN32[J]. Journal of Applied Microbiology，2005，99（5）：1141-1148.

[25]Gomes J，Gomes I，Steiner W. Thermolabile xylanase of the Antarctic yeast Cryptococcus adeliae：production and properties[J]. Extremophiles，2000，4（4）：227-235.

[26]許安，姚建銘，余增亮. 離子注入改良維生素C二步發(fā)酵混合菌研究（Ⅰ）2-酮基-L-古龍酸高產(chǎn)菌系IPPM-1028的選育[J]. 工業(yè)微生物，1998，28（4）：21-24.

[27]Li S C，Yao J M，Yu Z L. Studies on mutation breeding of high-yielding xylanase strains by low-energy ion beam implantation[J]. Plasma Science and Technology，2007，9（2）：248-251.

[28]包怡紅，劉偉豐，董志揚(yáng). 耐堿性木聚糖酶在短小芽孢桿菌中高效分泌表達(dá)的研究[J]. 中國食品學(xué)報(bào)，2008，8（5）：37-43.

[29]Naber J E，Schepman A M J，Rrsch A. The binding of deoxyribonucleases of Escherichia coli to deoxyribonucleic acid immobilized in agarose[J]. Biochim Biophys Acta，1966，114（2）：326-337.

[30]Baumann M J，Murphy L，Lei N，et al. Advantages of isothermal titration calorimetry for xylanase kinetics in comparison to chemical-reducing-end assays[J]. Analytical Biochemistry，2011，410（1）：19-26.

[31]Mohn W W，Stewart G R. Bacterial metabolism of chlorinated dehydroabietic acids occurring in pulp and paper mill effluents[J]. Applied and Environmental Microbiology，1997，63（8）：3014-3020.

[32]Haki G D，Rakshit S K. Developments in industrially important thermostable enzymes：a review[J]. Bioresource Technology，2003，89（1）：17-34.

[33]聶國興，王俊麗，明紅. 木聚糖酶的應(yīng)用現(xiàn)狀與研發(fā)熱點(diǎn)[J]. 工業(yè)微生物，2008，38（1）：53-59.

[34]Uysal H，Bilgicli N，Elgün A，et al. Effect of dietary fibre and xylanase enzyme addition on the selected properties of wire-cut cookies[J]. Journal of Food Engineering，2007，78（3）：1074-1078.endprint