（林产化学加工工程专业论文）麦草浆预处理用木聚糖酶的制备与应用.pdf

摘要 由于发现传统纸浆氯化漂白过程中排出的废水含有致癌及剧簿的氯化有机 物，以数环境受到严重的破坏，世界各国纷纷制定法规，严格控制有机氯化物的 蓑 放。泼十年来，隧羞生物技零的发展，利用微生物及生麓薅代替部分乃至全部 氯的缎浆漂自研究迅猛震舞，并取褥了一个又一个斡突破。本聚糖辩在檀耨绎维 原料的生物转化和制浆造纸领域的应用已弓i 起全世界的广泛关注，一些成果已进 入实用化规模阶段。本文选用服氏木酶作产酶菌种，对以木聚糖为碳源制备蠹革 浆漂巍建本聚糖酶瓣裂备、艨产薅豹酶学毂凑、零聚糠簿对麦摹浆鞭处理豹务磺 影响困索和用手麦苹浆漂自的工艺条辞豹优讫进行了系统研究，熏黉研究结暴如 下： 磁甩木聚糖为底物合成麦荦浆漂白用术聚糖酶历程中，木聚糖酶的合成速度 块予c m c 酶，隧簧产薅嚣羯的延长，霹获褥越寒越疯黪滔毙豹本聚糖夔。黢产 含低纤维素酶的本聚糖酶在第三天酶活为15 0 i u m l ，本聚糖酶灞与c m c 酶灞眈 高达1 0 5 2 1 7 。术聚糖酶和c m c 酶的最适濑度分别为5 0 和5 5 ，在3 小时内 本聚糖酶的耐热能力低于c m c 酶。木聚糖黪和c m c 酶的最适p h 均为5 6 ，水聚 糖夔纛d h 4 6 。0 之裁穗定经较好，嚣纾然索酶在d h 4 0 5 。6 之滔稳定性较好。 用术聚糖酶进行生物漂白，能有效降低漂白时有效氯用量，减轻对环境盼污 染。术聚糖酶预处理麦草浆的煅适p h 值为6 0 ，温度为4 5 ，酶她理时间为1 5 小时，浆浓为5 ，术聚糖酶燃量为5i u g 。 在穗嚣氯矮鏊节，经本聚蘩黪蘧登瑾戆麦苹装魏鑫爱宠寒矮酶羧经理浆静夔 度2 4 3 9 个酉分点，强度比对照浆略有加强。用于麦草浆预处理的木聚糖酶 随着术聚糖酶活c m c 酶活比假的增大，纸浆白度略有下降，但比对照浆的自魔 略有增大，同时强发宥所增大。这说明木聚糖酶中存穰少量纤维索酶活的确熊有 效强褰漂自效果。瓣活蠢在4 0 3 8 7 1 0 5 2 。1 7 之阕，箨2 5 3 d 黪藩系续稿簇 本能满足木聚糖酶预处理的轰革浆的白度釉强度要求。降低预处璐温度和加木聚 糖酶用量均不能有效的提高术聚糖酶预处理麦草浆的p h 值。与米用木聚糖酶预 处理鹣浆料摆比，笼论酶处理豹次序如键，都有黠于撼嵩木聚糖酶灏处理麦擎浆 自度零鞋澈度。 关键词：木聚糖酶；麦草浆；预漂白；自魔；强度 b i o s y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o n o f x y l a n a s e f o rp r e t r e a t m e n to fw h e a ts t r a w p u l p x u x i a o l i s u p e r v i s e db yp r o f e s s o r y us h i y u a n ( c o l l e g eo fc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，n a n j i n gf o r e s t r yu n i v e r s i t y , n a n j l n g ，2 1 0 0 3 7 ) a p r i l2 0 0 5 a b s t r a e t c o n v e n t i o n a lp u l p i n ga n db l e a c h i n ga r ec h l o r i d i z e dp r o c e s s e s ，t h ee f f l u e n t s w i t hh i g hl o a do ft o x i ca n dm u t a g e n i cs u b s t a n c ea r ep r o d u c e dd u r i n gt h e s ec o u r s e s a n dm a k es e r i o u sp o l l u t i o ne n v i r o n m e n t a l l y m a n yn a t i o n si nt h ew o r l ds e td o w n r u l e st oc o n t r o lo r g a n i ca n dc h l o r i d i z e dd r a i n a g es t r i c t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f b i o t e c h n o l o g yi nr e c e n tt e ny e a r s ，t h eu s eo fe n z y m e si nb i o b l e a c h i n gi n d u s t r yh a s g r o w nr a p i d l y t h ep r o c e s s e su s em i c r o b ea n dm i c r o b i a le n z y m e st or e p l a c es o m e a n de v e na l lc h l o r i n ei np u l pa n dp a p e r ，a n dm a n yb r e a k t h r o u g hh a v eb e e nm a d e w h i l em a n ya p p l i c a t i o n so fe n z y m e si nt h ep u l pa n dp a p e ri n d u s t r ya r es t i l li nt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a g e ，s e v e r a la p p l i c a t i o n sh a v ef o u n dt h e i rw a yi n t ot h e m i l l si na nu n p r e c e d e n t e ds h o r tp e r i o do ft i m e t h i st h e s i ss t u d i e dt h eb i o s y n t h e s i so fx y l a n a s eb yt r i c h o d e r m ar e e s e ir u t c 一3 0w i t h x y l o - o l i g o s a c c h a r i d e s c a r b o ns o u r c e t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f x y l a n a s ea n dc m c a s e ，t h e c o n d i t i o n so fp r e t r e a t i n gw h e a ts t r a wp u l p sw i t hx y l a n a s e a n dt h ea p p l i c a c a t i o no fx y l a n a s ei nw h e a ts t r a wa r ea l s o o p t i m i z e d t h e m a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： u s i n gt h ex y l o o l 鬈o s a e e h 囊r i d e s a sc a r b o ns o u r c e ，c i nr a t i ow a s5 ，x y l a n a s e w i t hp o o r - c e l l u l a s ei n c r e a s e d ，t h ex y l a n a s ea c t i v i t yw a s15 0 i u m la tt h et h i r dd a y ， t h er e l a t i v ea c t i v i t yi n c r e a s e dt o1 0 5 2 1 7 t h es p e e do f b i o s y n t h e s i so fx y l a n a s ew a s f a s t e rt h a nc m c a s e d u r i n gt h ep r o d u c t i o no fx y l a n a s ew i t hx y l a na ss n b s t r a t e ，a n d t h eh i g h e rx cr a t i ox y l a n a s ew a so b t a i n e dw i t hl o n g e rf e r m e n t a t i o n t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ef o rx y l a n a s ec m c a s ea n dw e r e5 0 。a n d5 5 ，c m c a s ew a ss t a b l ei n f i r s tt h r e eh o u r s r e p e c t i v e l y ，t h eo p t i m a lp hf o rx y l a n a s ea n dc m c a s ew e r eb o t h 5 6 ，x y l a n a s ew a s s t a b l ei nap h r a n g ef r o m 4 。0t o6 0 ，w h i l ec m c a s ew a ss t a b l ei n ap h r a n g e f r o m 4 。0 t o5 6 w h e n x y l a n a s ew a su s e di nb i o b l e a c h i n go fp u l p ，h i g h e rb r i g h t n e s sv a l u e so f p u l pa n dr e d u c e dc h l o r i n ec o n s u m p t i o nc o u l db er e s u l t e d t h eo p t i m u mc o d i t i n sf o r x y l a n a s ep r e t r e a t m e n ti nt h eb l e a c h i n go fw h e a ts t r a wp u l pw e r e4 5 ，p h6 0 ，l ，5 h o u r s 。p u l pc o n c e n t r a t i o n5 ，a n dx y l a n a s el o a d i n g5 i u g c o m p a r e dw i t hc o n t r o lt e s t t h eb l i g h t n e s so fb l e a c h e dp u l pi n c r e a s e db y2 4 3 9p e r c e n t a g e sw h e n p r e t r e a t e d w i t h x y l a n a s e t h ei n t e n s i t yo f b l e a c h e d p u l pa l s oa l i t t l ei n c r e a s e d i tw a sf o u n dt h a tx y l a n a s ec o n t a i n e das m a l la m o u n to fc e l l u l a s e c o n t r i b u t e dt ot h e i m p r o v e m e n t o f p u l pb r i g h t n e s s a n d i n t e n s i t y w h e nt h e x y l a n a s ea n dc m c a s ea c t i v i t yr a t i ob e t w e e n4 0 3 8 7a n d1 0 5 2 1 7 a n dt h a tm e a n st h e s t r u c t u r eo fc o a r s ee n z y m e sp r o d u c e df r o m2 5t o3d a yc a nm e e tt h ed e m a n do f p r e t r e a t e d w h e a ts t r a wp u l p d e c r e a s et h et e m p e r a t u r ea n di n c r e a s et h ex y l a n a s e l o a d i n gb o t hc a n 7 t i m p r o v et h ep ho fp r e t r e a t i n gw h e a ts t r a wp u l pw i t hx y l a n a s e c o m p a r e dw i t ht e s tw i t h o u tx y l a n a s e ，h o w e v e r t h ex y l a n a s et r e a t i n gb e f o r e o ra f t e r w h e a ts t r a wp u l pb l e a c h i n g ，w h i c ha l li d e n t i f i e d x y l a n a s et r e a i n g c o n t r i b u t et o t h ei m p r o v m n to f b l i g h t n e s sa n di n t e n s i t y k e yw o r d s ：x y l a n a s e ；w h e a ts t r a wp u l p ；p r e b l e a c h i n g ：b l i g h t n e s s ；i n t e n s i t y 致谢 本论文是在导师余世袭教授的憨心指导和热情关怀下完成的。从师以来，导 爨潇饕懿知谈、簸鬟翡恶维，尹遘辩治学态囊，象实、镁裁、靛鸯疆学掬糖耪无 不给作者留下了深刻的印象，使作者受益非浅。导师谦虚谨慎、平易近人、宽宏 大度的美德还教给了作者为人的其谛。在论文的研究和写作过程中，导师给作者 提盛了很多建设j 整的意瑟，捷终孝酶论文缒j 蛭裂完成。在毙黪寓导疼糸搬袁教授 袭示最诚挚纳谢意 几年来，作者在学习上、生活上一直得到本所成员的支持和关怀，畿此我向 勇强副教授、陈牧老师、徐勇老师、寒向阳老师、欧阳嘉老师、张军华博士、顾 麓薅圭、玉套交篱圭、范一琵黧学、袋痰整嚣学、 窥蓑鞫擎、至艳弱掌表示裹 心的感谢。 吕进同学协助本人完成了大量的实验。 在毙，瀵匆各位老势，强学、朋发袭敷深深憋谢意! 本论文的颓稍完成透凝聚着作者家人的理解静支持，受弛，作者表承特别妁 感谢。 导师鳜 作者：徐晓丽 前言 遗纸工业是我国国民经济的重袋产渡之一。众所弱知，它氇燕我国蓬要鹩工 业污染源之一。这是因为目魏制浆造纸王业仍主要采用硫酸盐法制浆和氯漂技 术，禽氯漂剂是造纸工妲中普遍使用的漂白荆。长期以来，人们直认为氯楚纸 浆漂髓中最经济蠢效的漂白剡。但谯传统的氯灏工艺中，漂白废水中含有大擞对 人体健康十分有害的物质，其中以二恶英为代表的有机氯化物对环境的危害允为 严重，它们具有强致癌作用，致癌性物质造成了严重豹环境污染。同时对漂白废 水的嫩物技术处瑷也造成了很大的豳难。因为微生物处于高的有机氯化合物所造 成妁凑毒性、高氧化性的恶劣环境巾，使微生物的活性降低，生物处理功能很快 丧失，甚至致死。因此，寻找一个污染程度小或无污染的替代技术成了制浆造纸 工韭戆当务之急。同时随若全世暴魏围内对纸翻纸扳不断增加的篱求和越来越严 格的造纸废液排放的要求，加剧了漂白工艺向少氯和光氯漂白的方向发展。 巍1 9 8 6 年冒昧划浆造纸正韭生物技术研讨会上，芬兰辩学家v i i k a r i 等蓠次 报道引用术聚糖酶处理浆料熊改善矮漂自性能，减少氯气用量，提高纸浆白度。 遗最多项实验证实本聚糖酶爆予纸浆预漂孛能凑效降低漂巍化学爆晶的消耗攮， 提高纸浆强度。现今，随着生物技术的迅速发展，生物技术的应用已渗透到备个 领域，著在为大类解决揍嚣羧豹资源、郅境、憩源及健康等闼题上初步娃示线其 极大的潜力，给人类的可持续发展带来了希望。木聚糖酶及其潜在的工业应用前 景弓l 熬了久嬲豹关注，抵( 纛) 纾缨素酶活本聚耱酶龙其套羞诱入豹应用蔻曩， 它可以应用于生物制浆、纸浆漂白、废纸= 次纤维回收、废纸脱爨处理、纸浆纤 维竣性及终织王数等。黪裂是其在纸浆漂自王艺巾鹃躐太应建漤力早已萼| 起备爨 同行的高度重视。 本聚耱酶毒装投努广泛鹣耀途籁王鼗应曩赛蓼景。辍本聚糖酶露在蘩活力摹羹产 率低、生产周期忮、生产成本高、m 业应用工序条件的不确定因素，从而严熏阻 碍了本聚糖蕤魏模亿生产工艺瓣建发，尤其是本聚糖瓣在纸浆漂嶷工痔孛戆实际 工业化应用。因此，如何提高木聚糖酶的活力和产率，降低生产成本，简化特定 簿系络梅羁簧求黪本聚糖酶皱产工艺，探索具嚣懿本聚糖酶系在不司纸浆孛瓣漂 白条件的确定，融成为术聚糖酶技术开发和应用中亟待解决的重火课题。 1 文献综述 硫酸捻法镧浆是垒产裔强度浆最酱遍的方法，该种浆可焉学生产高晶获纸 品。为使最终产鼹的白度既离又稳定，必须把浆中残余木豢所造成的橡黑色通过 漂自来豫去。在多段漂过程巾，残余木索通过蘸纯段和碱抽提结合起来除去，氯 既能与残余木素中的酚型结构有良好的反应性，又能与非瓣型缋构反成，而且很 少弓| 起纤维素降解，因此，长期以来，一直认为氯是纸浆漂白最经济有效的漂白 剂。 然而，a n d o r 于1 9 7 7 年发现针叶术硫酸盐浆漂白中熹【化段废液禽有强烈致 癌物质，1 9 8 0 年s t o c k m a n 等进一步对氯化段废液中的一些致瘦物璇进行了鉴 定溺，1 9 8 5 年瑞典科学家发现造纸厂下游河流中昀鱼类含有可测定的二恶英 ( d i o x i n e ) ，随聪被证实来源于纸浆漂白过程巾。二恶英类化食物系糕代三环芳 香化合物，具有数癌、致突变、致畸变的“三敬”效应，并能降低人体的免疫能 力，弓i 起多发性脑神经病变等，二恶英是目翦发现的最毒的一类健会物，其中， 最毒的一种化合物毒性高于锇化钾1 7 万倍h 】。全世界每华生产化学漂白浆时， 排出大量的废水，对环境造成严重的破坏馋熙。我星是一令纸浆生产大国，然瑟 荦个制浆厂规模都很小，目前基本上采用碱法制浆和含氯漂剂漂白的工艺流程， 大郝分工厂都没露环保设施，弓 起的污染受蕊是非常严重的。困就，采援薪懿漂 白技术，以消除漂白废水对环境的污染戴制浆造纸工业迫切需要解决的问题。 避年来随着生物技术的迅速发展于应用领域的誉叛扩太，为铡浆技寒的交萃 事业带来了机会，1 9 8 6 年v i i k a r i l 4 等首先报邋，将术聚糖酶用于硫酸盐浆的漂 白上，可黪低传缝多段漂白巾预潦援氯爨2 5 ；翌年，又擞遂了警纾缭素酶( 本 聚糖酶和聚甘露糖酶) 处理松木和桦木硫酸盐浆，隧后再用过氧化氢处理，伴随 浆自发提衰，专绥蓬降低5 0 ，基浆豹特性霉怠羲潦浆棱恣；1 9 8 9 华芬兰蓠次 在1 0 0 0 吨规模工厂利用木聚糖酶进行硫酸盐浆漂白，取得了成功，使氯的消耗 降低了2 5 。3 0 1 5 】，1 9 9 2 年在疆班碧4 1 0 穗规模s c o t t 浆厂，裂弱本聚糖酶鲣灌， 成功她取代了原来的亚硫酸敖浆的氯源段，生产白度商达8 8 i s 0 亚硫酸盐桉木 浆1 6 】，耳翦在北欧襄l 茭耀当数量戆浆厂漯峦工艺孛融采焉本聚糖酶赡灌。 备国对无氯漂白纸浆的擞产给予了高度的熏视，露主娶包括漂白工艺的改进 赣非氯瀑裁豹选撩等，茏氯瀑骞王艺壶予其栽摸丈，生产残本熹，在掺广主蠢一 定的难度，而木聚糖酶预漂白( 生物漂白) 处理硫酸皴浆可降低漂白生产的氯用 蟹2 5 。3 0 稻泼主，挺裹是囊1 2 i s o ，显霹提囊鑫瘦瓣稳定佳，浚善纸浆静滤零 性能和造纸性能，达到降低污染负荷，提高纸浆性能，实现清洁生产的目的1 7 , 8 , 9 。 霆戴实瑷本聚糖黪懿王建纯瘦馐是鸯积极慧义静。 2 1 1 木聚糖和木聚糖酶 木聚糖是植物半纤维素的重要成份，是陆生植物细胞壁中最普通的半纤维 素，除纤维素外，木聚糖是自然界中最丰富的多糖。在阔叶材和一年生禾本植物 中木聚糖占植物原料干重的2 0 3 0 ，针叶材中木聚糖含量较少，一般为原料千 重的7 1 0 。木聚糖的基本结构单元是由1 3 。1 4 或1 3 1 3 糖苷键连接的多聚木糖 链，在d 木糖的第二位氧上连接有d 葡萄糖醛酸或4 o 甲基葡萄糖醛酸或在第 三位氧上连接有l 一阿拉伯呋哺糖。有些木聚糖还在第二或第三位氧上发生乙酰 化。硬木中木聚糖为o 乙酰基4 o 甲基葡萄糖醛酸木聚糖，其木聚糖高度乙酰 化( 常发生在c 一3 的位置) 。这些乙酰基存在导致木聚糖在水中的部分溶解性， 当用碱提取木聚糖时，这些乙酰基可迅速被去除。软木中木聚糖由阿拉伯糖苷 一4 一o 甲基葡萄糖醛酸木聚糖组成，与硬木中木聚糖相比，具有更高的4 一。一甲基 葡萄糖醛酸含景。4 o 甲基葡萄糖醛酸残基连接在c 2 的位置上，软木中木聚糖 没有乙酰化，在木糖的c 3 位置上具有与a 一1 ，3 糖苷键相连接的a l 一阿拉伯呋 喃糖单位【l0 1 ，几乎1 2 的木糖残基被阿拉伯糖取代【l “。d 吡喃木糖、4 - o 。甲 基一a d 一葡萄糖醛酸和l 一阿拉伯呋哺糖的比例为1 0 0 ：2 0 ：1 3 。软木中木聚糖链 比硬木中木聚糖链更短一些，多聚化( d p ) 程度在7 0 1 3 0 之间，其支链较少f l ”。 常见的支链取代基包括：o 一乙酰基、a l 一呋喃阿拉伯糖基、a d 一吡喃葡萄糖醛 酸基和4 o 甲基n d 吡喃葡萄糖醛酸基。后三种可以进一步通过酚残基如阿魏 酸和香豆酸与木质素相连。一般阔叶材木聚糖以o 乙酰基4 o 甲基葡萄糖醛 木聚糖的形式存在，而针叶材、禾本科植物中的木聚糖则主要以阿拉伯糖基一4 一o 一 甲基一葡萄糖醛酸基木聚糖形式存在。支链取代基的化学组成及其出现的频率不 但与木聚糖的植物来源有关，还取决于木聚糖的分离提取方案【l3 1 。同时木聚糖 以共价键与木质素相连，以非共价键与纤维素相互作用，在维持原位纤维素的完 整性和防止纤维免受纤维素酶的降解方面起重要作用。 由于木聚糖结构的复杂性，木聚糖的完全降解不但需要降解主链的酶，同时 还需要降解支链取代基的辅助酶【1 4 1 15 1 ，因此通常所说的木聚糖酶实际上是一组 酶的总称。 表1 木聚糖酶降解酶系 木聚糖降解酶系作用特点 1 4 一b 一木聚糖内切酶( 木聚糖酶) 1 4 b d 木糖苷酶1 4 1 3 d 甘露糖苷酶 1 4 1 3 d 葡萄糖苷酶 a l 一阿拉伯糖苷酶n d 葡糖苷酸酶 a d 半乳糖苷酶酯酶 负责木聚糖主链骨架的降解 负责寡聚糖的进一步降解 负责木聚糖支链的降解 根据这些酶作用于木聚糖部位的不同可将它们分为黼组，降解主链的酶有两 秘：内秘t 3 一l ，4 。本聚糖瓣( e c3 2 1 + 8 ) 蓑l 终留一零糖营黪( e c3 2 。1 3 7 ) ， 前者可随机地将木聚糖主链降解成短链的低聚术糖，后者作用于短链的低聚术 糖，及葵还露性寒端基释放整本糖。梵释辫解支链致钱整懿黪包括；a - l 一获糖 阿拉伯糖苷酶( e c3 2 1 5 5 ) ，a ，葡萄糖醛酸苷酶( e c3 2 1 1 ) ，乙酰酯酶( e c 3 。2 1 6 ) 濒簿魏酸或器豆酸鬻酶。 不同来源术聚糖的组成和性腰不尽相同，但它们在理化性质方面仍存在较大 静裰缎瞧。萁分子鬟范嚣一觳戈8 - 1 4 5 k d ，等奄森一般在3 一l o 之瓣，在p h 毽 3 1 0 内稳定，大多数酶反应的最适p h 范围4 7 ，细菌、真菌产木聚糖的最适温 褒蓬垂燕4 0 一6 0 ，粪蓠本漾糖豹辩热缝通常觅鲴麓本聚糖酶豹差一些。臻温氇 细胞菌产的木聚糖能在1 0 5 1 1 0 、p h 值5 3 下具有最饿活力。 来滚不霞豹本聚糖酶豹氨基酸组成裰差不大，主要为嚣氨馥、谷氨酸、苷氨 酸、丝氨酸和苏氨酸镲。根据木聚糖酶分子擞大小可将其分为两大类，即分子量 ，j 、予3 0 k d 豹酶稻分子量夫于3 0 k d 的酶，翦者遥常为碱性蛋自，君者通常为酸 性凝自 1 6 1 。通常细菌可产嫩两种木聚糖酶，即低分子量的碱性术聚糖和离分子 量豹本聚糖酶，毽真菌孛没有这种褒象，其通常只产生低分子鸯的碱僚木聚糖酶。 木聚糖酶对底物具有特异的结合性，对冀菌木聚糖酶的作用模式研究发现， 哥将其分为两种主婺类型，鄂菲支链型( 在弱潮主链的丽时不扶铡链漱代物中释 放阿拉伯糖) 和支链捌( 切割主链的同时从侧链取代物巾释放阿拉伯糖) 。对于 不褥静野维质赢物，本聚糖酶豹添性会有所变纯，其中的一些木聚糖酶只作用于 木聚糖，丽另外一蝗木聚糖酶( 如m y e r o t h e e i u mv e r f u c a r i a 和p e n i e i l l u m c a p s u l a u m 的术聚糖酶) 却可以作用予羧甲基纤维索和木聚糖。木聚糖的弊源性 可熊是术聚糖酶多样性的原因之一，但本聚糖酶的多样性对于复杂底物的协弱作 用却有着震要意义。 可以将木聚糖酶的蛋白质结构划分为以下区域： ( 1 ) 术蘩糖虢的纤维素结合区域( c e l l u l o s eb i n d i n gd o m a i n ，c b d ) ：在术聚糖 分予结构巾常禽有一种独立的无催化功躯的区域，滚区域可以秘结辐野续索结 合，在功能和氨基酸组成上与纤缭素酶分子中的c b d 很相似：在靠近n 末端 和c 一末端分别有一个半胱氨酸；除磬氮酸、天冬氨酸志外逐会骞4 令镁稳定 的色氨酸残基；含有带电荷氨慕酸的较少f i ”。程自然界中，木聚糖的半纤维 素通常是与纾缑素结会在一起的，焉且多以纾维素炎毋絮，医瓣诲多微生耪产生 的术聚糖既具有降解术聚糖的能力也具备降解纤维索的能力，c b d 可以使参与 植物多糖降解的各种辫能裹效地吸附予纾缨豢上，使其鼍各鑫豹底物更缎接近， 待纤维素被纤缀索酶降解至一定稷度时，各个酶就可以立刻有效地作用于各自的 底物，将c b d 皴c b d 、中闽区域、连接区域一超融去，仅影嫡酶与绥维索豹结 合能力”，但酶的底物特异性、酶活性和k 。以及对可溶性的术聚糖的水解能力 是誉变的，医露c b d 瓣水辫霹溶性的拳聚糖楚必嚣瓣。鼓然c b d 对薅秘催耗费 能不是必簧需的，但像能调节木聚糖对可溶性和不可溶性纤维索底物的活力。通 矗 常酶与赢物的结合需要静电作溺、亲永性作稻、电荷传递作精或羲键，影响酶与 底物结会的主要参数是环境中的盐浓度及其种类、温度和p h 值等。对予木聚糖 酶与木聚糖的结合燕要燕通过离子之阉的褶互作带而菲特异往结合的，因为木聚 糖含有大量的4 o 甲基葡萄糖浆酸残基等w 电离侧链纂团，带有大量的负电荷， 术聚糖酶在p h 低乎p i 时带磁电荷，容易与木聚糖结合，两p h 等于或高于p l 时，基本不结会h 9 1 。 ( 2 ) 术聚糖酶催纯区域( c a t a l y t i cd o m a i n ，c d ) ：术聚糖酶的c d 表现著酶的 水鳃特性，势作为该酶分类的簇础。根据许多纤绻素酶和术聚糖酶及其它一些酶 的催化区域的氨基酸序列构成，g i l k e s 等人 2 娜将其分戚许多组淄2 。所有的术 聚糖酶部属予f 、g 组，建于农网一缀中的本聚糖酶催化区域具凰源性，根据融 知酶可以推测未知酶的倦化特性。不问木聚糖酶分子在其氨慕酸组成的数晤上稽 蓑很大，但它们的镁诧嚣在大小上比较一致。蹇分子量的本聚糖酶多震于f 组”， 该组还包括对纤维索和木聚糖都有水解作用的非特异的葡聚糖酶f 2 】：低分子蹩 的本聚糖酶属于g 缀。f 、g 聪组在撰化特性上菇差异”。这嚣族术聚糖对本聚 糖作用方式有所不同，例如f 族的木聚糖酶是从带有阿拉伯姨哺糖支链的毗喃术 糖的非还原端寒抒拜阿拉约本聚糖8 1 ，4 糖营键的，恧g 族的本聚糖趟不魁 以这种方式。f 族和g 族的木聚糖在分子麓、静电荷、不带电荷的碱性和酸性瓴 綦酸毙攒等方嚣都不提网，按等毫点的不弱，g 羧本聚糖酶霹分鸯褰等憩点和低 等电点两个豫组( 其平均等电点分别为9 5 和5 0 ) 。木聚糖酶的氨湛酸组成在数 爨上变化也强大，健其c d 在大小郡趋肉一致，c d 大爨是邋过与巴知嚣壤魏澎 列相关性比较鉴定出来。木聚糖酶与纤维索酶的c d 几乎无嗣源性，表明两种酶 楚扶不弱的越先送亿瑟寒的。蠢些本聚糖瓣含鸯嚣个壤诧嚣，酶究表明l z 6 , 2 + 7 1 产 琥珀酸纤维杆菌( f i b r o b a e t e rs u c c i n g e n e s ) s 8 5 的分子擞为6 6 4 k d 的木聚糖酶中 愈a 、骞嚣镤纯区域。 ( 3 ) 术聚糖酶的连接谖域( l i n k e rd o m a i n ，l d ) ：连接随连接糕催化结构域 秘c b d 之瓣，著黢予了爨壹矮结梅鹣黍蘩牲。浚嚣豹淳裂审凌含鸯较多豹丝糕 酸残基 2 酊，或含有较多的脯氨醮和苏氨酸残基，逸些氨基酸被广泛的o 一糖基化。 迄揍嚣静彦刭长度变纯范嚣为6 5 擘今氨蘩酸。本聚糖薅豹寒潦苓鬻，莲接嚣耱 序列长度、它们所禽有的p r o 和带羟基的氮基酸数量也不同。不同来源木聚糖的 逡按摩魏之怒丽濠槛禳慧。但麓，本浆糖酶稳连接寒懿鳃缢残弱凌能与慕些免痰 球蛋白、核糖体蛋白、丙酮酸脱氢酶复合物中的连接序列相似。将酶的不同功能 嚣域分辨霹傻薅吴鸯较赛瓣柔耘往、镩篪性，捷瑟侵簿稳底耪麓够更鸯效途缝合珏引。 在水聚糖酶的应用中，对于不同的应用目的，应选用不阔的术聚糖酶酶系。 纸浆漂整鼹本聚糖虢，要求不会纤维索簿或纤维豢酶矮缀低，因为在纸浆漂自过 糕中少蹙纤缎索酶对漂白浆强度有一定的损伤。因此如何培养出低纤维索酶活的 本聚糖簿已戎灸木聚糖酶在链浆造纸王韭串应焉的关键技术。 5 1 2 术聚糖酶的生产菌株 谗多缨藏、放线蕴、冀藏秘酵母藏坶可产生本浆糖酶。缨藏一般能产生嚣秽 木聚糖酶，分别是高分予量酸性木聚糖酶和低分予蹩碱性米聚糖酶，真蘸姗大多 产低分子量碱髋木聚糖酶，丝状真菌对术聚糖酶的分泌水平一般超过酵母和细菌 缀多。鉴_ 于缝状赛鏊产薅懿许多钱点，特舅是偻予芏整纯建焉，因忿太餐对丝状 囊藏产瓣碾究较多，尤熬是对丝状囊蔻孛戆本霉属濑蓝霉溪麴辑究瞄“”。“。表 2 列出了分别属于术霉麟和曲霉属的常用的术聚糖酶生产菌株。 表2 常耀本蒜属、麴霉属木桊糖酶生产麟檬 属别藤秘 本? 肇属耋黝h a r 雌z 巍i a 富n 爵u m至p l 。o 。n h g 矗i 口b 幻r a c 埠h ，n i a g t ；u ；小 7 v i r i d e 1 r l c n o a e r m as 封静 一 z l i g n o r u m 薯r e e s e i a n i g e r a a w a m o r i a p u l l u l a n s 曲簿属a o c h r a o e u s a f i s c h e r i a s p o r g i l l u ss p pa f u m 堙a t u sa y o e t i d u s 墨：壁罄堡!垒：鎏! 翌些! 里氏木艨( t r i c h o d e r m ar e e s e i ) r u tc 一3 0 是野生的里氏术鬈q m 6 a 的诱变橼 祭那内于其具有优良稳定的黧理特性、较好的抗“代澍隰遇效应”的能力及高产 的纤维素酶豹能力等优点，在纤维素酶囊产上被酱遍认为是激裔工煦维广价值酌 薅橡口”。爱寒翡疆究发现，它弱爨圣舆猎舍戒本聚糖酶豹能力，量产本聚糖酶豹 熊力很强。：i 垃十年来开始有人以生产术聚糖酶为目的对其进行专门研究【3 5 _ 1 0 】； 甚至有报道如寨太、芬兰、德国等鼷家目前已有公褥利用璧氏本霉r u tc 3 0 生 产商品本聚耱酶，主要警用饲料加工、淀粉制造、食品热工及硫酸盐浆漂自的预 处璞上e 嘲。 用予选撵性降解木聚糖的本聚糖酶如纸浆漂自用酶，要求累禽纾维索懿戏纾 维索酶滔很低。摄然蹇然界中的本聚糖总是伴随喾野维索的存农薅存在，毽螅礁 存稔专一地产垒本聚糖酶的微生物，因此放自然界中筛选是获褥无( 低) 纤维索 酶潘本聚糖藩产釜鏊鹃逢径之一。不产鬟纤维素酶的木聚糖酶产生菌主簧魑一些 黪母蘸或类 l ! f 酵姆罄的微生物【3 6 ，主要罄釉魏表3 。倪与丝状宾蘩援跑，宅镌 产本聚糖酶购水平很低。 6 液3 专一产生术聚糖酶的徽生秘菌株 a u r e o b a s i d i u m p u l l u l a n s c a n d i d a s p 。 c r y p t o c o c c u s t r i c h o s p o r o nc u t a n e u m a 。p u h u l a n sy - 2 3 1 1 1 c a n d i d as h e h a t a e p i c h i as t i p i r i s b u t y r i r i b r i of i b r i s o l v e n s 斑予羁时食凑纡绻素黪灏本袋耱酶基因，爨氏零霉培葵农禽霄纾维装的培养 基巾一般会阂潜产生纾缎索酶秘本聚糖酶。骞人试圈从里氏本霉突变拣中筛选出 纾维綮酶基因缺陷疆稳孑，健大摄的分寓结果郡事与愿违 3 8 , 3 9 , 4 0 。有报道晓分离 出纤维素酶基嚣釉本聚糖黪基嚣都缺黧瓣量氏本霉稳予，烽本聚糠酶基因龆入到 这静基因缺陷趱寄住俸串，有霹麓获得专一缝产生本聚糖酶耱基本霉落株。采 用基因拼按、纂因克隆技术可以获稀纤维索酶灌西缺陷登术聚糖酶高产菌株，这 是一项长期的工作，离实际应用还有褶当长的距离。 从理论上来讲，酶的合成是在慕因的控制下送行的，同辩张基因永平下酶翡 合成受到燕境影响作熙缀太。由于聪种酶的合成分捌受不同的慕阪撩铡，程适当 的壤葵条传下毒可能挪剑纾维素辫的念成，从而选择性蛾诱导木聚糖酶的合成， 但窍关这方霹的文皴摄邀缀少。也有文献认为【4 ，本聚糖酶的选择性合成只可 能农以缝本聚糖侔羰源爨重才越驭褥。 稻子逸择健降解本聚糖瓣本聚糖酶翔纸浆漂疆照酶，鋈求零食纾维褰鬻践野 维索酶活徽低。蠢子简时禽有纤维豢酶和木聚糖酶豢戮，曩氏术霉培养在含麓纤 维索的培养基中一般会醋辩产生纤维索酶和术聚耱酶。因此获襻不含纤维索舔或 纤维索酶滔程低的术聚糖酶罴有禳多研究王作鬻娶徽韵。 1 3 木聚糖酶的合成理论及诱导物 和纤维索酶一样，真菌术聚糖酶是诱导酶，术聚糖酶的合成受诱导物的调 控融取得共识。尽管木聚糖酶的诱导合成梳瑾至今尚不完全清楚，德普遍认为， 真菌在利带木聚糖过程审首先分泌步量的结构性酶使本聚糖降解，并产生少量 霹溶性静低聚本糖，这些低分子物矮霹透过缨驻膜送人缨腿并刺激微生物大量 合成本聚糖黪，这耪测激作媚实质上是诱导物产生的诱导作髑。术聚糖酶的大 量食或嚣要诱导物的作用，但这神诱导物到底是什么? 它的结构如何? 能诲人 工合成等一直是嗣扰并激励人们去探索的奥秘。逸一舆秘的解开必将推动术采 糖酶制备技术发展到一个新的高度。 由于术聚糖酶通常是真菌在和糟木聚耱的过程中产舅静，霞茈入们有糇据 追容荔诀为本聚糖酶降解产物是这种诱簿镑的的来源。后来静骄究毽证鞠坤黝， 本糖，本= 糖，本三糖及其它哥溶性低聚本糖对本聚糖酶熬合成都具有诱导终 弼。其孛最弓1 人蛙嚣的的是本麓糠，本二糖( x y l p 一8 一l 。4 一x y l p ) 的位置异构 7 物j l j x y l p 1 3 1 ，2 - x y l p 和x y l p b 1 ，3 - x y l p 也可以诱导一蟪真菹或类似酵姆的 擞袋褥合成本聚糖酶，盈诱导能力比本二糖嚣强，讴微生物纲施对其反应敏感 鼗魄本二糖漫。卷入掇氆这黧本= 糖整鬟器糖物劳不是妻搂熬诱鼯耱，它 们必须通过酶的作用转化成天然术二糖后才越作用。由于术聚糖酶中同时禽有 这种木二糖异梅酶，因此术二糖朔其位置异构物w 以相甄转化。非代谢性一 甲簇木糖营，箕结稳类似于木二糖，被认为对木聚糖酶酌合肖诱导作用，这 耱携凑霹以遴避筵单豹方法滚玲壤被铡各，势已艘凌遮建鼍：落鼯痨鏊会成本聚 糖酶。里氏术霉不但嫩长谯术聚糖培养蒺中产生术聚糖酶，生长在纤缳索培养 基审同样可产嫩本聚糖酶，甚至产本聚糖酶的魅力更强。这秘现象豢紫被勰释 势，亩于纤维豢总是滤有极少量的术聚糖，嚣就术聚糖酶的产嫩仍然魑由予术 聚糖躺存农露萼l 起懿。瞧鸯谗多磷嶷谈隽p 弱，撬糖褥滋诱辱羹氐本霉嚣爵产生 术聚糖酶和纤维素酶，但槐糖诱导产生的木聚糖酶太多是非专一性的，这种非 专一性木聚糖酶既可以降嬲零聚糖，又可以降勰纤绦素。霹醛，攘糖诱导零聚 糖辩合成的髓力较弱。术二糖一般被认为是诱譬术聚糖酶合成能力最强的诱导 戆，然秀赣窕发璃，农壤养薤孛裁待溅增丈本二糖豹浓瘦对本聚糖酶添静挺离 作用不大；丽在木二糖中加入一定量的纤维二糖、纤维戊糖或乳糖却可以成倍 她掇赢本聚糖懿活。纤维= 糖、终缨戎壤或瑰糖键遴本二糖诱器会残本聚糖酶 的祝理尚不清楚，通常穰辫释为这些非诱导性糖的加入不组可以提高越丝的生 长爨，泛辩蜀瑕减浸本聚糖被滂纯鹣速度，跃褥惩长了诱警粉豹存在时阉。然 而术二糖和葡萄低聚糖混合后引越术聚糖酶的迅遗形成及酶活急剧上升的现 象缎乎还港承饕存在哭於黪诱导合成橇疆。 1 4 木聚糖酶合成的影响因素 囊蓥一般豢较强瓣垒产本聚糖薅蠡麓力，缳粪蘩本聚耱酶一簸郡冬纾缝索酶 交联在一越，殿予纸浆漂白工业鬻选撵性舍成低( 笼) 纤维繁酶灏的本聚糖藤，才 锈产生较好酌漂自效莱。蠹予木聚糖酶翻纾缭索酶豹合残条件存在较大鹄麓异， 全渐而系统地了解木聚糖酶合成的影响因素，从而调控木聚糖酶的定向合成，对 本聚糖酶程缓浆漂白方嚣黪庭援方有实舔意义。 1 4 。1 碳源及碳潦的铡备 在木聚糖酶的制备过程中，充当碳源的物质不假是微擞物生长代谢的能蜃来 源，瑟显毪蔗酶会残诱导羧豹重要寒潦。磺源静类潦穰瞧骥意接彩旗懿鹃溪力黎 产攀。同醚，碳源成本瞧魁影嗨酶嶷产成本的一个黧要因索。嚣就，遗宜碳源鲮 选择是决定术聚糖酶垒产成效的美键。 纯木聚糖被认为悬许多丝状真菌合成木聚糖酶极好的碳源，并能专一性她诱 警本聚糖繇翳含藏拜屯群】，毽楚本聚糖糕备成本禳齑，无瘟麓徐德，仅袋予蜜验室 研究恩。_ i 爨年聚戆硒究发联1 4 6 l ，谗多零霉震冀整泼本曩野维裰辩包攒麦孳、玉 米芯、玉米秸杼、蔗渣、淄糟等为碳源，同时可产嫩高活力的术聚糖酶和纤维素 酶，菠至有些术艨真菌如里氏木霉，以术质纤维原料为碳源比以纯木聚糖为碳源 产本聚糖酶的水警还嵩。r o y e r 等人将t r i c h o d e r m a 。l o n g i b r a c h i a t u m 培养程囊本 质野维原辩豹戆养基孛获褥了高活力静本聚糖酶，嚣发褒产黧豹纤维素酶帮稷 少。同时发现，以纯木聚糖或乳糖作唯一碳源时只可获得较低的术聚糖酶满和纤 维索酶活，而乳糖和木聚糖按4 ：1 混龠后作碳源，术聚糖酶滔和纤维素酶活均 大大提高。甚至壤本糠稻本聚糖墙葬基串分拽热入壤筏糖或其絮非诱导性魏鹱也 可以翡显琏撵离术聚糖酶的谣力稻产率。嚣挖混合碳源钕乎更蠢鬻l 于术聚糖酶酶 合成。木质纤维原料同时富禽木聚糖和纤维素，是一种潜在的、天然的混合碳源。 从降低木聚糖酶生产成本及工业化推广廒用的角度来看，术质纤维原料特别是一 些廉纷熬农韭绔缭剩余勃，) 錾最先被考蕊侔灸本聚糖黪王韭生产豹碳源，嚣_ l l 乏疆 究本凌纤维原料产酶具有受麓的应用徐镶。 由于木质索的屏蔽作用和纤维素的结晶性，天然的木质纤维原料中半纤维素 和纤维素可及性蒺，很难被微生物消化利用，只有道过适当的预处理才能作为产 酶羰源。常恁豹羧处理方法骞耱理法、纯学法、物壤诧学法及生魏法。g o m e s 等入研究了物联法处理麦擎对本聚糖酶生产酶影响 4 7 1 ，认为蒸汽爆破预处理 ( 1 9 0 ，1 0 m i n ) 和球磨处理( 颗粒度约0 2 5 m m ) 都可以有效在改善麦革作为 木聚糖酶生产碳源的性能。但预处理稷发过高有肘反而对木聚糖酶生产有剐作 曩l 。s u d e n 纛b h a t 等人褒褥究玉寒芯产薅嚣发褒，姿玉寒芯鬏毅获2 3 m m 降 低剥0 2 0 0 2 5 r a m 时，尽褥菌体的浓度可以提高约5 0 ，但本聚糖酶的产率反 而下降。这暗示将底物可及艨过高并不利于木聚糖酶的合成，预处理后的原料保 持一定的可及度和可溶性糖的缓慢释放似乎更有利于木聚糖的合成。b a i l e y 等 人程谚究墼羡本簿产酶翼雩纛褥凄了类缓黪结论【4 瓢，稳贸发凌霹及度较差瓣不滚 性棒术木聚糖燕比可溶性的葡萄糖醛酸术聚糖更好的诱导底褥，并得出结赫性较 差的底物通常诱导能力就较嫠的结论。因此，用于术聚糖酶生产的预处理原料应 该保持这样一种平衡关系，即可及性撮搿的优点和过易降解的缺点之间的平衡， 续擒繁密坚硬，霹及健稷鹃谈深不嚣予徽玺耱懿生长，荔造成嚣微生蘩生妖缓装 而本聚糖酶的合成量减少，简碳源过翁消化不但会缩短诱导物的存在时间，同时 单糖的迅速释放和代谢将引越代谢阻遏现象，最终导致木聚糖酶的产率降低。 1 4 2 氮源纛碳氮毙对本聚糖酶合成的影响 在木聚糖酶的制备过稷中，酶的合成同时受酶诱导物和酶蛋白质前体的调 控，酶诱导物来自于可利用的碳源，酶黻自质的前体来自于氮源，因此氮源跟碳 源一样，类型和性质会影响瓣的牾力和产率。另外微生豹蘸的合成一般都蠢一个 合添鹣簇氮笼蕊瓣，谈氮魄避低荔窭凌微生耱嚣氮澈不蹩蠢生妖缓溪，玺余力减 弱，也不利于酶的合成。 氮源的类型较多，有无机氮源和有机氮源，不同类型的氮源其性质也不棚同， 对酶鹃活力和产攀也有影响。早在1 9 8 0 年r y 珏等人f 4