半纤维素酶

半纤维素酶 纺织服装学院轻化 摘 要：In this paper, the biological degumming and biological pulping of the three major enzymes, namely the pectinase hemicellulase (mannase xylanase) and lignin degradation enzyme has carried on the comprehensive summary of = on its application prospect is also comments 关键词：hemicellulase ramie degumming mannase 0 前言本质而言，纺织工业中的麻类生物脱胶与造纸工业中的生物制浆并无二致。二者都是依靠微生物降解植物纤维原料中的果胶、 半纤维素及木质素， 使其分散成满足纺织工业和造纸工业不同要求的束纤维或单纤维的过程 麻类生物脱胶的关键酶类主要为果胶酶和半纤维素酶，木质素降解酶所起的作用并不重要，而生物制浆所需的关键酶类主要为半纤维素酶和木质素降解酶，果胶酶所起的作用并不重要。由于不同麻类半纤维素结构和成分不同， 因此， 麻类生物脱胶所需的半纤维素酶也相应不同。例如， 红麻和黄麻的半纤维素成分主要为木聚糖，故所需的半纤维素酶为木聚糖酶，而苎麻的半纤维素主要为甘露聚糖，因此其生物脱胶过程中所需要的半纤维素酶主要为甘露聚糖酶。半纤维素是植物细胞壁的重要组成部分,约占植物干重的 35%,在自然界中含量仅次于纤维素。与纤维素相比,半纤维素成分复杂,包括木聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖等,其结构与组成已有详细报道。半纤维素的复杂结构决定了半纤维素的降解需要多种酶的协同作用,此外,半纤维 素酶产生菌一般也都产生纤维素酶,即同时分泌两类酶的混合物,这样应用传统 的微生物学和生物化学方法研究半纤维素酶就遇到了许多困难,而分子生物学方法的发展则为深人研究及解决这些问题提供了新的途径。应用重组DNA技术已能使编码半纤维素酶各酶组分的基因在无纤维素酶和半纤维素酶微生物中克隆表达,从而证实了半纤维素酶各酶组分都是分别由不同的基团编码。1 半纤维素酶的分类半纤维素则是一类结构和成份十分复杂的物质，主要包括甘露聚糖、木聚糖及多聚半乳糖等，因此，半纤维素酶类相应包括甘露聚糖酶、木聚糖酶、多聚半乳糖酶等。 1.1甘露聚糖酶葡萄甘露聚糖和甘露聚糖是一种在高温高压低浓度碱液中稳定的多糖类物质，常规化学法脱胶工艺不易将其降解。苎麻的半纤维素主要由葡萄甘露聚糖和甘露聚糖组成，因此甘露聚糖酶在苎麻生物脱胶中将发挥十分关键的作用。-1,4-D-甘露聚糖酶是一种能水解含 -1,4-D-甘露糖苷键的甘露寡糖、 甘露多糖（ 包括甘露聚糖、 半乳甘露聚糖、 葡甘聚糖等 的水解内切酶， 属半纤维素酶类。大部分甘露聚糖酶以胞外诱导酶的形式存在于生物体中，只有很少一部分以结构酶的形式存在。 在培养基中加甘露多糖或木聚糖等， 该酶高水平分泌。 微生物产该酶为多分子型，如里氏木霉 QM9414产2种同功酶，嗜碱芽孢杆菌AM-001 产3种同功酶。已报导产-甘露聚糖酶的菌有芽孢杆菌、 假单孢杆菌、 诺卡氏菌，弧菌， 曲霉、 木霉、 酵母、 青霉、 梭孢菌、 多孔菌和链霉菌等。分子量为 22KD162KD.甘露聚糖酶在医药、 食品以及石油工业中也有十分重要的应用前景。1.2木聚糖酶木聚糖多为异聚多糖，主链和侧链上具有多种取代基因，它的降解需要许多酶的参与，主要由-1,4-内切木聚糖酶，-木糖苷酶，-葡萄糖醛酸苷酶，乙酰木聚糖酯酶，酚酸酯酶 等组成。这些酶通过特定的协同机制作用于木聚糖，使木聚糖得以降解。2 半纤维素酶在麻类脱胶中的应用2.1苎麻脱胶简介苎麻原麻是一种韧皮纤维，其内部包含了多种不同化学成分，其中70%是纤维素，可以作为纺织原料，30%为非纤维素成分，统称为胶质，胶质中的绝大部分是果胶和半纤维素，这些胶质大多包围在纤维外表，半纤维素伴在纤维素周围，呈网络结构，果胶将半纤维素等杂质与纤维素相互胶结在一起，在纺纱前，必须先进行脱胶，除去胶质，使纤维呈单纤维分离状态。苎麻脱胶一般采取：化学法，生物法。 根据处理工艺不同，可分为：微生物脱胶、酶法脱胶、生物化学联合脱胶。酶脱胶法，即利用酶的生物活性，降解苎麻纤维外包裹的胶质复合体，从而使纤维分离出来。工艺流程：斜面菌种摇瓶培养一级种子罐二级种子罐发酵罐粗酶液；原麻扎把装笼浸酶处理洗麻拷麻漂洗给油脱水烘干2.2木聚糖酶在苎麻脱胶中的应用木聚糖的完全水解需要多种酶的协调作用。首先,由内切1,4-D-木聚糖酶随机断裂木聚糖骨架,产生木寡糖,降低了聚合度,然后 由外切酶 -木糖苷酶将木寡糖和木二糖分解为木糖。侧链取代基的存在能阻抑木聚糖酶的作用,因此需要有不同的糖昔酶水解木糖与侧链取代基之间的糖苷键,如-L 阿拉伯糖苷酶、-D-葡萄糖醛酸酶、阿魏酸脂酶。研究揭示,这些特异性糖苷酶能以协 同方式与内切木聚糖酶和-木糖苷酶一起高效分解木聚糖。2.3葡萄甘露聚糖酶在苎麻脱胶中的应用葡萄甘露聚糖和甘露聚糖是一种在高温高压低浓度碱液中稳定的多糖类物质，常规化学法脱胶工艺不易将其降解。苎麻的半纤维素主要由葡萄甘露聚糖和甘露聚糖组成，因此甘露聚糖酶在苎麻生物脱胶中将发挥十分关键的作用。 甘露聚糖是由-1，4-D-吡哺甘露糖连接而成的线状多聚体，-甘露聚糖酶是水解以-1，4-D-吡哺甘露糖为主链的甘露寡糖、甘露多糖(甘露聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖)的内切水解酶，-甘露聚糖酶是水解-1，4-D-吡哺甘露糖为主链的内切水解酶，作用底物主要是半乳甘露聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄甘露聚糖以及甘露聚糖。不同来源的-甘露聚糖酶对不同来源的底物作用深度及其水解产物是不相同的。-甘露聚糖酶水解底物的方式和深度主要与-半乳糖残基和葡萄糖残基在主链中的位置、含量、酯酰化的程度有关。同时，底物的物理状态会影响争-甘露聚糖酶的水解作用，若底物呈结晶状态，则不易被水解。-甘露聚糖酶水解甘露聚糖后，将水解产物通过高效液相色谱(HPLC)或纸层析方法分析，可知水解产物主要是低聚糖(一般210个残基)，不同来源的酶和底物反应后，水解产物的聚合度大小也不相同。存分解甘露聚糖过程中，由于甘露聚糖的结构，使得多种主、侧链酶在降解甘露聚糖时会产生协同作用。增效协同作用定义为2种主链酶(如-甘露聚糖酶和-甘露糖苷酶)或2种侧链酶(如-半乳糖苷酶和乙酰甘露聚糖酯酶)在作用于底物时的合作作用。3 生物酶脱胶的特点 酶脱胶专一性强，作用条件温和，无任何毒副作用,在工艺上使用方便,不需高温、高压、强酸、强碱、强氧化剂,易生物降解而不会带来环境污染,所得精干麻纤维柔软，蓬松卷曲，手感好，前卫的成束断裂坚韧度降低，苎麻纤维的光泽度、档次都有较大的提高。然而商品酶粉剂价格昂贵，生产成本高，酶活性不稳定，采用菌种发酵生产粗酶液需要变换操作工艺，企业需要投资发酵设备，配置专职生物酶脱胶技术人员，厂家难以接受，使酶脱胶未能得到生产应用。实现全酶生物脱胶处理，需要进一步寻找合成高活性半纤维素酶细菌，这有赖于生物技术的进一步发展。4 半纤维素酶发展前景半纤维素酶在木质纤维材料的加工、畜牧、食品、纺织以及可再生能源开发等方面将具有非常广阔的前景。目前，对半纤维素的利用主要是利用生物手段，即利用微生物将纤维素类物质分解为糖类的特性，把大量的纤维素类物质转化为工业酒精和饲料等，来缓解全球能源危机和资源紧张的现状。而对于半纤维素酶的利用却很有限，最主要的原因还是因为半纤维素酶的生产总量不足，且成本较高，所以不能被人们广泛利用。相信在不久的将来,随着分子生物学技术 的发展和对半纤维素酶结构、种系发生及催化机制的深人研究,这些问题将会逐一解决。参考文献：1石军,陈安国.木聚糖酶的应用研究进展J.中国饲料,2002(4):10-12.2阎伯旭,齐飞,张颖舒,等.纤维素酶分子结构与功能研究进展J.生物化学与生物物理进展J.1999,26(3):233-237.3杨永彬,黄谚谚,林越鑫.纤维素酶的结构及分子多样性J.生命的化学,2004,24(3):211-213.4孙建义,许梓荣,李卫芬.生命科学探索与进展M.杭州:杭州大学出版社,1997:218-221.5ProkopV.Theeffectoftargetedcombinationof additivestoprestarteronnutrition parametersandperformanceofpigletsJ.JAnimSci,1999,44(3):119-124.5陈合;李世玉;舒国伟;温振杰;半纤维素辅助提取黄姜色素的研究J;中国调味品;2010年02期6陈杨栋,陈婷,李力炯等.苎麻微生物脱胶菌株筛选及脱胶效果评价J.纺织学报,2010,31(5):69-73.7苏静.Bacillus subtilis 16A苎麻脱胶关键酶半纤维素酶纯化及协同脱胶效果的研究D.山东大学,2008.DOI:10.7666/d.y1351993.8学位论文 Bacillus sp.16A苎麻脱胶机制初步研究及其关键酶的纯化 - 2006 9孙孝梅.黄建忠 木聚糖酶微生物发酵生产的研究进展 期刊论文 -台湾农业探索2012(6) 10H.S.Sabh