木糖醇酶的机理与应用 酶学课程论文.doc

*大学本 科 生 课 程 论 文论 文 题 目 木糖醇酶的机理与应用 学生专业班级 学生姓名（学号） 指 导 教 师 完 成 时 间 2010年10月28日 2010年 10 月 28 日课 程 论 文 任 务 书学生姓名 指导教师 论文题目 木糖醇酶的机理与应用 论文内容（需明确列出研究的问题）：本文明确介绍了木糖醇酶的作用机理以及在食品工业中的广泛应用。首先是简单了解什么是酶和木糖醇酶，然后对其作用机理、作用特点在一定程度做了介绍，并对木糖醇酶在食品工业上的一些应用，包括：小麦面食工业、酿酒工业、果汁加工工业。通过一些实例的应用增加对木糖醇酶的了解和认知。 资料、数据、技术水平等方面的要求： 通过书籍报刊杂志、网络等各种渠道广泛搜集资料，充分利用现有文献来借鉴他人的学术成果，同时到现实当中获取调查数据等第一手资料，做到资料翔实，数据准确，引用规范，论证充分。要围绕研究主题和内容进行社会调查，详尽地把握相关资料，进行整理取证，数据要真实可靠，论点要鲜明正确，论据要充分，言之成理，言之有物，注意论文的逻辑性，语言通顺，选题及论述要具有现实意义，对现实生活有指导和借鉴意义。 发出任务书日期 2010年9月30日 完成论文日期 2010年10月28日 木糖醇酶的机理与应用【中文摘要】木聚糖是半纤维素的一种重要组成成分，广泛存在于各种植物资源中。木聚糖酶是木聚糖的水解酶，它在食品、饲料、造纸等工业上有着非常广泛的应用。本研究就木聚糖酶在食品中的应用范围、作用特点及其机理进行了简要的阐述。【1】【关 键 词】木聚糖；木聚糖酶；应用半纤维素在自然界中的含量占植物干重的35_l J，是一种极其重要的可再生资源，仅次于纤维素。木聚糖是植物半纤维素的重要组成部分，它存在于陆生植物的细胞壁中以及植物体的几乎所有部位。木聚糖的结构变化范围很大，从仅由B糖苷键连接的多聚木糖线性分子到具有高度分枝的异质多糖等多种结构，通常的木聚糖都含有24种不同的糖单体，包括85 89的D一木糖残基、少量的L阿拉伯糖残基及微量的葡萄糖醛酸残基 J。所有这些侧链糖均由一糖苷键连接，木聚糖酶就是作用于这些糖苷键的酶类。一、作用机理 木聚糖酶是一类可以将木聚糖降解成低聚木糖和木糖的水解酶，主要有三种：内切B一1，4木聚糖酶(EC3218)、外切p1，4-木聚糖酶(EC32192)和B一木糖苷酶(EC32137) 。木聚糖酶从动物、植物、微生物中均可获得，以微生物为主。现在已知的能够产生木聚糖酶的微生物包括：细菌、曲霉和木霉等。由于大多数木聚糖是一种结构复杂的具有高度分枝的异质多糖，含有许多不同的取代基，因而木聚糖的生物降解需要一个复杂的酶系统，其中多种组分通过相互协同作用来降解木聚糖，所以木聚糖酶是一组酶，而非一种酶。有报道认为，木聚糖酶降解木聚糖的催化机理为广义上的酸碱催化 ，Elizabeth等人 对来源于Bacillus pumilus的木聚糖酶的空间结构进行分析，发现该酶的分子有两个结构域组成，两个结构域之间有一个长3 nm宽15 nm的间隙，间隙内完全可容纳直径为11 nm的木聚糖分子进入，谷氨酸、天冬氨酸等起催化作用的酸性氨基酸残基就分布在这个间隙内。二、在食品工业中的应用木聚糖酶作为一种食品添加剂具有显著的优越性。首先，木聚糖酶本身是一种蛋白质，无毒无害；其次，酶都具有高度的专一性和高效性，使用目的性强且经济合算；再有，木聚糖酶的酶促反应条件温和，有效的避免了食品加工中对营养成分带来的损失。【2】1、 在小麦面食中的应用木聚糖酶在食品工业中的应用主要是在小麦改良方面。小麦面粉中含有微量的阿拉伯木聚糖(anrabinoxylan，AX)，约占15 一25 ，但其所起的作用却不容忽视。例如，面包在生产过程中，约有13的水分是面团中的戊聚糖吸收的。根据水提时的性质差异，木聚糖可分为水溶性阿拉伯木聚糖(waterextractable anrabinoxylan，WEAX)，约占AX的25 一30和水不溶性阿拉伯木聚糖(waterunextractable anrabinoxylan，WUAX)，约占AX的70 一75 i3 3。WEAX对面包的品质有积极的正面影响，而WUAX却会产生负面的影响。就面包而言，木聚糖酶的添加主要在制作过程及防止老化这两方面起着积极的作用。、在面包制作过程中的作用许多试验观察得出，适量添加木聚糖酶的面团弹性显著增强；切分、搓团、成型时易于操作；面团的形成时间和稳定时间明显缩短；醒发后的面团体积明显增加；烘烤后的面包不仅表皮颜色适中且硬度下降；而且质地洁白、组织细腻、气孔均匀；入口松软且有咬劲。这是因为用于制作面包的改良剂中有葡萄糖氧化酶的存在，它能产生大量的氧化剂，使面粉中的AX产生氧化胶凝作用，胶凝强度会随着WEAX的增加而增强 ，这会使面团的凝聚力增强，弹性增加，延伸性下降。【3】随着木聚糖酶的添加，WUAX降解为WEAX，可以明显缩短面团的形成时间和稳定时间。面包品质的优劣主要由产气能力和持气能力决定 ，由于木聚糖酶的添加使得WEAX水解为木糖、木二糖等，为酵母生长提供了碳源，使面团的产气能力大大增强；同时，WUAX降解为WEAX，导致黏度更高的WEAX的含量显著增加，WEAX包裹在CO气泡的液膜周围，增加了面筋一淀粉膜的强度和延伸性，优化了面筋网络，使焙烤时气泡不容易破裂，且CO，扩散离开面团的速度减慢，提高了面团的持气能力。木聚糖酶通过提高面团的产气和持气能力，最终使面包的体积增加，而且使面包组织细腻、气孔均匀且口感良好。另外，优化了的面筋网络，能更有效的减缓面包皮水分的挥发，最终导致了面包皮硬度的下降。、在面贮藏过程中的作用面包在贮藏过程中会产生非常显著的老化现象：表皮干裂、内部组织变硬、易掉渣、风味损失等，丧失了食用功能。面包老化主要是由于水分的损失、重新分配及结构的变化所导致的。试验观察发现，适量添加木聚糖酶可延缓面包的老化，面包在贮藏7d后，其硬度和弹性没有明显的变化。这是由于随着木聚糖酶的添加，使得WUAX降解为WEAX，导致黏度更高的WEAX的量显著增加，提高了面包在贮藏过程中的持水性，优化了面筋网络，从而阻碍了水分的损失和重新分配，稳定了面包的组织结构。【4】以上是以面包为例对木聚糖酶在小麦食品中的应用机理作以简要说明。木聚糖酶同样可以应用在馒头、蛋糕等其它小麦食品中，通过改善面团的持水性和面筋结构进而改善其品质，并延长其货价期。我国年消费面粉8000万t。可见，木聚糖酶在小麦食品加工中有着非常大的应用潜力。2、在酿酒工业中的应用、在啤酒酿制过程中的应用木聚糖酶在啤酒酿制中主要是应用在麦芽汁的制备上，试验证明：木聚糖酶能显著提高麦汁的理化指标 j，酶的加入不但可以提高麦芽汁的过滤速度、缩短糖化时间，而且还能增加麦芽汁中的还原糖、总氮和Ot一氨基氮含量和提高麦芽汁的得率。【5】大麦芽的细胞壁主要由非淀粉多糖(NSP)组成。NSP包括：纤维素、果胶、B葡聚糖、AX等，其中后者是影响麦芽汁品质的主要因素。现在AX的结构已经基本清楚，它是D木糖通过1，4糖苷键连接起来的，这些糖苷键连接形成的不同长度的线性多聚物构成了AX的主链，阿拉伯糖残基紧密的结合在这些主链上形成带有亲水性的支链 。由于阿拉伯糖残基的存在，使这一多聚物具有了可溶性，在溶液中许多线性的AX之间相互缠绕，在糖化过程中AX不会被降解，进而吸收水分变得膨胀和粘稠，降低了过滤速度。木聚糖酶的应用很好的解决了这一问题。在麦芽汁制备过程中加入木聚糖酶后，酶不但能通过降解木聚糖破坏植物细胞壁，使细胞内容物充分释放出来，与麦芽中的淀粉酶和蛋白酶等水解酶充分接触而消化，缩短糖化时间，增加麦汁中可溶性浸出物的含量，提高麦芽汁收率，而且木聚糖酶还能水解水溶性木聚糖，有效降低麦芽汁粘度，加快了麦芽汁的过滤速度。在实际生产中使用木聚糖酶的同时，还要加入一定的如：B一葡聚糖酶等其它NSP酶共同作用，来提高麦芽汁的品质。另外，木聚糖酶在以小麦为原料的啤酒糖浆的生产中也有一定的应用 ，随着我国啤酒工业的发展，啤酒生产原料的结构也在发生深入的变化，其中，啤酒专用糖浆就是很有发展前景的啤酒原料之一。啤酒专用糖浆是以富含淀粉质的物质为原料生产的，现今多以玉米、大麦为主。与玉米、大麦等原料相比，小麦在生产啤酒专用糖浆时的突出特点是糖液过滤困难。从生产实际来看，小麦中的NSP是影响小麦糖浆过滤的因素之一，并且是所有影响因素中最首要的一点。因此，实现NSP的降解是提高糖浆过滤速度的重要之举。对NSP的分解可以利用木聚糖酶进行，但正如前面所述，在使用木聚糖酶时应配以B一葡聚糖酶等其它NSP酶来达到最佳效果。 、在白酒酿制过程中的应用白酒酿造过程中淀粉酶起着至关重要的作用，但是单纯的淀粉酶远不及各种混合酶共同作用的效果好。一般制曲时，大曲所用的小麦粉、大麦粉、豌豆粉都是淀粉原料，其中碳源完全可以满足制曲的需要，没有必要另外添加淀粉，所以白酒的生产不是以纯淀粉为原料而是粮谷的粉碎颗粒为原料。在颗粒性固体发酵情况下酸性蛋白酶及其它：如木聚糖酶等NSP酶在颗粒溶解上的作用也是十分重要的。只有将细胞间质分解破坏之后，才能使淀粉颗粒裸露出来，淀粉酶才能充分进行糖化作用。所以从颗粒溶解及糖化作用来看，白酒的酿造是各种酶协同作用的结果。对于颗粒溶解的第一步，分解细胞间质的正是木聚糖酶。因此在白酒酿制过程中，木聚糖酶的活性与出酒率密切相关 。3、在果汁生产中的应用酶在果汁生产中的使用已经有很多年的历史了，酶不但可以用于果汁的澄清，还可以用来提高水果的出汁率。这种专门用于果浆处理的酶制剂称为果浆酶 。木聚糖酶作为果浆酶中重要的一种与其它酶制剂复合使用可以起到很好的效果。【6】果蔬细胞壁是由果胶、纤维素和木聚糖等半纤维素组成的网状结构，可阻止细胞内溶物的渗出，彻底水解果胶是提高出汁率的关键 。过去，人们对果胶结构的认识只是直链平滑结构。认为只要有一定的果胶酶即可将果胶水解。但后来发现只用这样的酶彻底水解果胶并不那么容易。尤其是使用这样的果浆酶提高水果的出汁率达不到预期的效果。因此，复合酶制剂应运而生。作为一种果浆酶，它不但要有主要的果胶酶活性，分解果胶主干，还应含有一定的半纤维素酶活性(木聚糖酶、鼠李聚半乳糖醛酸酶等)，能水解果胶中的分支区域，进一步裂解植物细胞壁，提高水果出汁率 。而且，复合型酶制剂还在降低果汁中果胶含量；减少澄清工艺中果胶酶的用量；改善果浆结构、降低粘度；易于固液分离；缩短作用时间等方面有较好的应用。因为，虽然果浆酶通常是用来提高水果的出汁率的，但同时，由于果浆酶分解了水果中的果胶和半纤维素等物质，也降低了果汁的粘度，从而加速了果汁的流出速率，使得压榨时问缩短，亦即提高了压榨机的生产效率。而且部分木聚糖等半纤维素在酶的作用下被分解成可溶性水分，增加了果汁中可溶性固形物的含量，这也使得出汁率得以提高。果浆酶过去往往较多应用在苹果、梨等水果当中，随着人们对健康水平要求的不断加深，一些营养极为丰富全面的果蔬越来越受到人们的青睐，如香蕉、胡萝卜及南瓜等，但由于往往含有大量的淀粉及NSP，使得它们的成品汁过于粘稠，出汁率低而不宜用于果汁饮料的生产。多被加工成果粉、果片、果酱等产品。现在一些企业已经将果浆酶成功应用在这些果蔬的制汁工艺中，且取得了很好的效果。【结 论】自20世纪末开展有关木聚糖酶基因的研究工作以来，已有上百种来自不同微生物的木聚糖酶基因被克隆并在大肠杆菌中表达。目前，科学工作者已经把木聚糖酶基因克隆的受体菌株从大肠杆菌等原核生物扩展至酵母、木霉、曲霉等真核生物 ，这预示着人们正在为更高效的表达木聚糖酶的基因而努力。通过构建特殊的基因载体及应用适宜的受体菌株等手段将使得木聚糖酶基因表达量的不断提升成为可能。分子生物学的引入，可以使我们在分子层次上研究木聚糖酶结构与功能之间的关系，这会为进一步加深了解木聚糖酶的作用机理及改良木聚糖酶的应用特性等方面产生重大的影响，为今后木聚糖酶更为广泛的应用创造可能。【参考文献】【1】 包怡红