木聚糖酶的研究进展及在生产的应用.pdf

广东饲料 第 2 0卷第 5期2 0 1 1年 5月 木聚糖酶昀研穷进展及在生产上的应用 周平发 史宝军 崔 细鹏 刘金 山 ( 广东溢多利生物科技股份有限公司，广东 珠海 5 1 9 0 6 0 ) 摘要： 木聚糖酶作为一种饲料添加剂具有降低饲料粘度、 提 高营养物质利用率、 提高机体免疫力、 改善动物生产性能 等作用， 具有广阔的研究前景。本文从木聚糖酶的分子结构、 理化性质、 反应机理、 应用及展望等方面进行综述。 关键词 ： 木聚糖酶 ； 饲料 ； 应 用 Ab s t r a c t ： As a f e e d a d d i t i v e ， x y l a n a s e h a v e b e e n u s e d i n a n i ma l n u t r i t i o n a l p h y s i o l o g y t o r e d n c e f e e d v i s c o s i t y ， i mp r o v e ri s e o f n ut r i t i o n a l ma t e r i a l ，i mmu ni t y a n d pr o du c t i o n pe ffm na n c e， t h e r e s e a r c h o n x y l a n a s e h a s br o a d pr o s p e c t s Th e a r t i c l e r e v i e we d mo l e c u l e s s t r u c t u r e ， p h y s i c o c h e mi c a l p r o p e rt y ， f u n c t i o n i n g me c h a n i s ms ， a p p l i c a t i o n a n d p r o s p e c t s o f x y l a n a s e Ke y WOr d s ： x y l a n a s e ； f e e d ； a p p l i c a t i o n 中图 Q 9 4 3 1 【 文献标识码 A 【 文章编 1 o o 5 8 6 1 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 2 4 0 4 在小麦、 玉米 、 豆粕 、 菜粕等植物性饲料原料 中 存在着大量的非淀粉多糖( N S P ) ， 特别是阿拉伯木 聚糖 ， 是重要的抗营养因子 。对动物消化吸收存在 一 定 的抗营养作用 。当木聚糖进入单 胃畜禽小肠 后 ， 木聚糖部分溶于水 ， 使食糜含水量增加 ， 进而增 加小肠 内容物的粘度 ， 阻碍营养物质与消化酶的结 合 ， 降低营养成分( 尤其是脂肪和蛋 白质) 的消化和 吸收 ， 从而降低饲料的转化效率。 此外 ， 它们还会导 致动物 胃肠道中微生物繁殖的增多 ， 使畜禽腹泻率 增加 ， 从 而影响畜禽 的生产性能 ， 并对畜禽产品品 质造成不利影响( 刘强 ， 1 9 9 8 ； 谭权等 ， 2 0 0 8 ) 。众多 研究表明，添加木聚糖酶能降解饲粮中的木聚糖、 降 低食糜黏度 、 减少微生物的定植 、 维持肠道正常结 构 ， 从而提高机体对营养物质的利用率和表观代谢 ( A ME ) ， 取得了良好的社会效益和经济效益 。 本文 就木聚糖酶的研究进展及其在生产上的应用进行 综述。以期对合理利用木聚糖酶制剂有所帮助。 1木聚糖酶的研究进展 1 1 木 聚糖酶 的分子 结构 木聚糖酶是可将木聚糖降解成低 聚糖和木糖 的一类 酶 的总称 。 一 1 ， 4 一内切 木 聚糖 酶 ( E C 3 2 1 8 ) 作用于木聚糖主链， 随机切开木聚糖内部的 【 收稿 日l 2 0 1 1 0 4 2 3 2 4 木糖苷键 ， 将其分解为低聚糖 。不同来源的木聚糖 酶在结构和性质上有很大的差别 。 有 的木聚糖酶只 含有单一区域即催化区。 有的同时具备催化区和多 种非催化区。 多区域木聚糖酶分子结构中含有催化 区 ( c a t a l y t i c d o m a i n ， C D) 、纤维素结合 区( c e l l u l o s e b i n d i n g d o m a i n ， C B D) 、 木聚糖结合区( x y l a n b i n d i n g d o ma i n ， XB D) 、 锚定 区( d o c k e r i n d o m a i n ， D D) 、 连接 序列 ( 1 i n k e r s e q u e n c e ) 、重 复序列 ( r e p e a t e d s e q u e n c e ) 、 热稳定区( t h e r m o s t a b i l i s i n g d o m a i n ) 及其他 未知功能的非催化区等。 这些区域承担着不同的生 理功能。木聚糖酶的催化 区承担着酶的水解功能 ， 并作为该酶分类 的基础。 虽然不同木聚糖酶分子在 其氨基酸组成的数 目和种类上相差很大 ， 但其催化 区大小比较一致 。 谷氨酸和天冬氨酸在催化区的特 定位置是决定其催化特性 的关键因素 。研究表明 ， 同一族的木聚糖酶的催化结构域具有同源性。Z u i 等( 2 0 0 0 ) 发现 ， 有 6种 以上第 1 0族木聚糖 酶的催 化区表现高清晰度 的 x R a v结构 。木聚糖酶的底 物结合区差异较大 ， 一些木聚糖酶的底物结合区对 木 聚糖有 特异 性 ，所 以又称之 为木 聚糖结合 区 ( X B D) 。 一般这些底物结合 区并不影响酶的催化活 性 ， 但对不溶性底物有着特殊作用。木聚糖酶分子 中的功能区域之间由连接序列相连 ， 此序列的长度 变化很大 ， 一般为 6 5 9 个 氨基酸( B l a c k等 ， 1 9 9 4 ) 。 广东饲料 第 2 0卷第 5期2 0 1 1年 5月 该序列中或含有较多的丝氨酸残基 ， 或含有较多的 脯氨酸和苏氨酸， 不同来源木聚糖酶的连接序列 间 的同源性一般不高。 1 2木 聚糖酶 的理 化性 质 不 同来源的木聚糖酶的组成和性质不尽相同 ， 但它们在理化性质方面仍存在较大的相似性 ： 分 子量 ： 微生物来源的木聚糖酶是简单 的蛋白质亚单 元 ， 其分子量在 8 4 5 K D a 之问 ； 耐热性 ： 细菌和 真菌产木聚糖酶 内切酶的最适温度范 围是 4 0 6 0 ( C ， 真菌木聚糖酶的耐热性通常比细菌产木聚糖酶 差一点 ； 耐酸碱性 ： 不 同微生物生产 的木聚糖酶 通常在较广的 p H值 ，即 p H值 3 l 0范围内稳定 ， 而最适 p H范围是 4 7 ； 等电点 ： 各种来源的木聚 糖酶的等 电| 点一般在 3 1 0之间 ； 氨基酸组成 ： 不 同来源的木聚糖酶的氨基酸组成相差不大 ， 主要为 丙氨酸 、 谷氨酸 、 甘氨酸 、 丝氨酸和苏氨酸等 ； 糖 类成分 ：真核微生物产 的木聚糖酶通常为糖基化 酶。 这些糖类一般与蛋 白质共价连接或与木聚糖酶 形成可解离复合体 。 糖基化是酶对非常坏境保持稳 定的一种手段 。 1 3木 聚糖酶 体 系 木聚糖酶通常是指 内切和外切木聚糖酶的统 称 ， 狭义上的木聚糖酶仅 限于 3 1 , 4 一内切木聚糖 酶( E C 3 2 1 8 ) ， 负责木聚糖主链骨架的降解 。其作 用方式是在不同位点上作用于木聚糖和长链木寡 糖 ，从 一 1 ， 4 一木聚糖 主链 的内部切割木糖苷键 ， 从而使木聚糖降解为木寡糖 。 其水解产物主要为木 二糖与低 聚木耱 ， 也有少量的木糖 、 阿拉伯糖和甘 露糖。 广义上 的木聚糖酶是指能够降解木聚糖或半 纤维素的一组酶的总称。由于木聚糖结构 的复杂 性 ， 它的完全降解需要多种水解酶的参与而共 同完 成。木聚糖降解酶系中除了最关键的酶 3 1 ， 4 一内 切 木 聚 糖 酶 之 外 还 包 括 ： 3一木 糖 苷 酶 ( E C 3 2 1 3 7 ) 作用于木寡糖的末端 ， 释放 出木糖残基。尽 管有许多木聚糖酶都能水解 木聚糖或者木寡糖释 放出木糖 ，但唯有 3 一木糖苷酶能够水解木二糖 ； O 一 L 一呋喃型阿拉伯糖苷酶和 一葡萄糖醛酸酶 是能够释放侧链糖 的木聚糖降解酶 ； O 一葡萄糖醛 酸酶和酚酸酯酶是在降解乙酰化木聚糖 时起作用 的木聚糖降解酶。 1 4木 聚糖酶 催化 反应 的机 理 木聚糖 酶可切开 8 1 ， 4 一糖苷键 ， 其作用机理 是保守性 的活性位点氨基酸残基( 如谷氨酸 ) 的羟 基提供一个质子到要切开的键上 ， 在正碳离子中间 物 的稳定性是 由负电荷基团或者 由组氨酸残基维 持。 在研究有关的化学修饰时得到的有关羟基的证 据表明 ， 木聚糖酶催化反应有两种 ， 一种是保守异 头构型的两步置换反应机制 ； 另一种是倒位异头构 型的一步置换反应。前者的详细机制( K u i k a m l 等 ， 1 9 9 9 ) 为 ： 南非离子化 的天冬氨酸或谷氨酸残基 对最初要降解的糖一号碳 的亲核攻击 ； 残生的糖 片段从活性部位移去 ； 正碳离子与离子化 的谷氨 酸或天冬氨酸共价作用 ； 水分子的羟基加到正碳 离子 ， 质子加到亲核基团上 ， 结束反应。 1 5木聚糖酶的诱导表达 在木聚糖降解酶中 ，虽有少数微生物产生的 木聚糖酶为组成型酶 ，但大多数微生物产生的木 聚糖酶主要还是诱导酶。因此 ， 除了菌株本身的特 性 以外 ，基质中的诱导物与酶的合成有着密切的 关系。酶的生物合成是在基 因控制下进行 的， 调节 基因所产生阻遏蛋 白可通过与操纵基 因的结合或 分开而控制有关结构基因转 录成 m R N A， 进而翻译 成对应的酶。木聚糖酶诱导物的作用就是它能与 对应的阻遏蛋 白结合 ，降低 阻抑蛋 白与操纵基 因 的结合力 ，使结构基因能转录生成对应的 m R N A， 产生对应的酶。 1 6木 聚糖酶 的发 酵生 产 目前 ， 产木聚糖酶的微生物分布很广 ， 有几十 个属 ， 一百多个种 ， 其中包括细菌 、 放线菌丝状真菌 以及某些酵母。木聚糖酶的生产主要依靠真菌、 细 菌等微生物发酵产生 。 丝状真菌对木聚糖酶的分泌 水平一般超过酵母 和细菌很多； 同时真菌中一般产 生木聚糖降解酶系 ， 其中包括几个能降解木聚糖支 链的辅助酶。 真菌木聚糖酶的生产有固体发酵和液体发酵 ， 现在多采用经济实用的固态发酵的方法 ， 以廉价的 半纤维素如玉米轴穗 、 麦麸 、 米糠 、 稻草 、 玉米秸秆 、 甘蔗渣等为底物 ， 使用木霉菌 、 曲霉 菌、 青霉菌 、 耐 碱嗜温性杆菌等来生产木聚糖酶。 与液态发酵相 比 同态发酵有如下优点 ：培养基简单且来源广泛 ， 2 5 广东饲料 第 2 0 卷第 5 期2 0 1 1 年 5 月 多为价格低廉的各种饲料原料 ，如豆粕 、麸皮 、 薯 类 、 米糠等 ； 发酵过程一般不需要严格的无菌操 作 、 环境污染较少 ， 后处理加工方便 ； 终产物是含 有主要酶种和多种辅助酶种的复合酶 ， 是 自然组合 酶 ， 具有协同作用。 2木聚糖酶在生产上的应用 2 1 在养猪生产的应用 一 般来说 ，木聚糖酶对猪 的应用效果不如家 禽那么明显。 这方面的研究报道也不多。 许多研究 报道表明仔猪 日粮中添加木聚糖酶可以补充仔猪 内源酶分泌量 的不足 ， 提高饲料养分利用率 ， 减少 腹泻 ， 增强机体抵 抗力 。郝瑞英等 ( 2 0 0 9 ) 研 究表 明，在断奶仔猪低磷饲粮种添加木聚糖酶能促进 钙 、 磷的消化利用和骨骼生长。 袁巧灵等 ( 2 0 0 6 ) 报 道 ， 在杂交仔猪饲料中添加木聚糖酶 ， 其 日增重和 饲 料 转 化 率 分 别 比 对 照 组 提 高 了 2 2 3 2 和 7 2 5 ，试验组仔猪腹泻发病率 比对照组降低 了 1 0 ，表明在 日粮中添加木聚糖酶可提高 日粮 中 养分的消化率 ， 降低仔猪腹泻发病率 ， 对仔猪 的生 长性能具有明显改善作用 。俞沛初等 ( 2 0 0 5 ) 研究 表 明， 添加木聚糖酶可显著提高仔猪对能量 、 干物 质 、 粗蛋 白质 、 粗脂肪 、 粗纤维 、 粗灰分 的表观消化 率 ， 同时结果还显示 ， 添加外源酶可刺激仔猪肠道 某些内源性消化酶的分泌。 2 2在家禽生产的应用 目前， 关于木聚糖酶在家禽 日粮中的应用研究 国内外有许多报道 。 在家禽 日粮中添加木聚糖酶能 对家禽的生产性能有所改善， 提高饲料养分的利用 率 ， 降低死亡率 ， 减少肠道食 糜粘 度 ， 减少环境污 染。徐骏等( 2 0 0 7 ) 报道， 添加 0 0 5 木聚糖酶使试 验组仔 鸡增重提 高 ，而料 重 比降低 。王 海英等 ( 2 0 0 3 ) 在小麦 日粮 中添加木聚糖酶后 ， 肉鸡耗料增 重比和小肠食糜黏度显著降低 ， 死淘率 降低 7 1 9 ，能量利用率和蛋白质 、 脂肪 、 淀粉的消化率显著提 高 ， 改善了肉仔鸡 的生产性能 ， 达到甚 至超过玉米 日粮的饲喂效果 。廖细古等( 2 0 0 6 ) 试验表明， 在玉 米 一豆粕型 日粮中添加 2 5 0 g t 和 5 0 0 g t 的木聚糖 酶， 可 以使整个阶段肉鸭生长增重分别比正对照组 提高 2 7 7 和 4 9 6 ；料 重 比分别下 降 1 8 5 和 2 1 l 。 王修启等( 2 0 0 3 ) 的试验结果显示 ， 木聚糖酶 2 6 使鸡 的表 观代谢 能值 ( 干物质 基础 ) 提高 4 1 4 ( P 0 0 5 ) ， 有 机物消化率提高 5 3 6 ( P 0 0 5 ) ， 赖氨酸和天冬氨酸的消化率分 别提高 5 1 9 ( P O 0 5 ) 和 5 0 0 ( P 0 0 5 ) ， 组氨酸 和脯 氨 酸 的消化 率 分别 提高 3 6 7 ( 尸 0 0 5 ) 和 2 3 9 ( P 0 0 5 ) 。 2 3在 水 产动物 的应 用 目前有关水产用饲料 中木聚糖酶 的研究及应 用较少。主要原因是水产动物消化道 p H一般呈 中 性或微碱性 ( 李馨等 ， 2 0 0 9 ) 。随着酶制剂生产工艺 及稳定化技术上的提高 ， 饲用木聚糖酶定能在水产 动物中得到广泛的应用 。高春生等( 2 0 0 6 ) 报道 ， 在 基础饲料 中添加 0 0 5 0 2 木聚糖酶饲喂草鱼 ， 结果发现草鱼增重率提高 ， 饵料系数降低 ， 干物质 、 粗蛋白质 、 粗脂肪和粗纤维的消化率提高。 3展 望 在饲料工业 中，木聚糖酶有着广泛的应用 ， 但 因现有产品的性能仍然存在许多不足之处 ， 使其在 应用受到了一定的限制。 今后需解决以下几个方面 的问题 ， 以提高木聚糖酶产品的性能及应用范围。 3 1选育木聚糖酶高产茵 酶活力偏低是木聚糖酶研究开发 中遇到的普 遍问题 ， 低木 聚糖酶造成发酵成本过高 ， 限制了该 酶制剂的工业化生产和应用。 获得木聚糖酶高产菌 株仍是研究的主要方面 ， 但多数从 自然界 中筛选获 得的菌株往往产木聚糖酶活力较低 ， 不能满足工业 化应用的需要。因此 ， 需要通过一定的选育手段获 得高产酶菌并通过优化产酶条件等途径来提高菌 株所产木聚糖酶的活力水平。 另外随着对木聚糖酶 基 因研究的逐渐深入 ， 近年来通过对木聚糖酶基因 进行克隆 ，表达来构建工程菌的研究逐渐增多 ， 随 着蛋 白质工厂 ，基因工程方面研究 的不断深入 ， 运 用基 因工程技术在分子水平上对木聚糖酶基 因进 行分子改造， 来高效地产高活力的木聚糖酶。使构 建工程菌实现产业化将成为可能 。 3 2发展 固定化技术 以提 高木 聚糖 酶的应用 效 率 酶制剂生产工艺条件粗放( 如高温 、 高压、 重金 属离子 、 氧化剂和极端 p H条件 ) ， 天然酶的酶活性 广东饲料 第 2 0卷第 5期2 0 1 1 年 5月 会遭到极大破坏 ， 使酶的生产和使用受到限制。固 定化可以使木聚糖酶更高效的应用 ， 特别是在酶法 制备低聚木糖时， 固定化木聚糖酶 比游离酶具有更 大的优势 ， 因此应加大这方 面的研究 ， 探寻出最佳 的同定化材料和方法。 3 3进 一 步探 讨木 聚糖 酶作 用效 果的评 价 方法 木聚糖酶活性的测定 因企业方法 的不 同而不 同。 单纯看酶活力大小来评价酶制剂的作用效果是 不科学的。 酶制剂作用效果的评价方法主要有体外 法和体内法。 体外法是在体外模拟酶制剂作用的适 宜条件 ，将酶制剂按一定剂量加入待测饲料中 ， 通 过测定底物的降解量 、 产物生成量 、 黏性下降程度 来评价酶制剂作用效果的方法 。 体 内法是将酶制剂 添加到动物饲粮 中， 根据动物 的生产性能 、 养分利 用率 、 小肠食糜黏度等来评价酶制剂作用效果的方 法。虽然体外法研究具有省时、 省力 、 省钱的特点 ， 但因体外条件与体内条件差别较大， 不能反映体 内 的真实情况 ， 体外试验 的结果需要用体 内试验进一 步验证 。 3 4建立饲粮 中木聚糖与木聚糖酶的定量关系 谷物中木 聚糖含量受种类 、 品种 、 产地 、 环境 、 气候 、 收割时问 、 加工 、 测定方法等因素的影 响， 不 同品种或不同来源 的同种类谷物其 总木聚糖和水 溶性木聚糖的含量 、 结构也存在差异。国外的报道 数据有 限， 且多为麦类作物 ； 国内对不 同来源的谷 物及其副产物中总木聚糖 、 水溶性木聚糖含量的研 究报道也很少。 因此 ， 建立木聚糖含量的数据库 ， 根 据木聚糖含量和来源确定木聚糖酶 的添加量 ， 将木 聚糖含量作为一个评价饲料 营养价值的重要指标 是十分必要的。 3 5进一步研究木聚糖酶的作用机理 大量证据表明， 木聚糖酶的主要作用机理是降 解木聚糖 、 降低食糜黏度 ， 从而提高养分利用 率和 降低微生物发酵。此外 ， 木聚糖酶还能影响畜禽外 周血激素水平 、 内源酶的活性和肉鸡小肠葡萄糖转 运载体基因和生长抑素的表达。迄今为止 ， 对于木 聚糖酶的作用机理尚未完全阐明， 可能是单一作用 或联合作用 ， 也可能存在其他作用机制 ， 仍有待进 一 步研究。 4结语 虽然当前饲用酶制剂得到了长足的发展， 但仍 然满足不了饲料行业快速发展的要求。 利用多种手 段筛选分离改 良最终获得性质优 良的饲用木聚糖 酶 ， 对缓解我国饲料资源的不足 ， 提高饲料 的利用 率 以及动物 的生产性能起到巨大 的推动作用 。另 外 ，还应加强复合酶的组合配置的科学合理性 ， 有 助于提高木聚糖酶在饲料中的添加效果 ， 更好推动 木聚糖酶在饲料中的广泛应用 。 参考文献 ： 1 】 刘强我国麦类饲料中非淀粉多糖抗营养作用机理 的研究 D 】 北京 ： 中国农业科学院 ， 1 9 9 8 【 2 谭权 ， 张克英 木聚糖 的抗营养作用 J 中国家禽 ， 2 0 0 8 3 0 ( 1 2 ) ： 5 5 5 7 3 】 Z u i F ， At s u s h i K， B e a u c h e mi n K A， R o d e L M C o mp a r i s o n o f me t h o ds o f Add i n g Fi br o l y t i c En z y me s t o L a c t a t i n g Co w D i e t s J 1 J D a i r y S c i ， 2 0 0 0 ， 8 3 ： 2 5 1 22 5 2 0 4 】 B l a c k G ， N a i l e w o o d G ， X u e G ， e t a 1 X y l a n a s e B f r o m Nr o c a l l i ma s t i x p a t r i c i a r mn c o n t a i n s a n o n c a t a l y t i c 4 55 r e s i du e l i n k e r s e q u e n c e c o m p r i s e d o f 5 7 r e p e a t s o f a n o c t a p e