半纤维素、半纤维素酶和低聚木糖

1、l1.1 肠道微生态 l肠道菌群的平衡对人体健康至关重要 l双歧杆菌Bifidobacterium 在母乳喂养的健康 婴儿的肠道中占绝对优势（95%以上），在年 轻成人的肠道中占40%左右。 l胃肠紊乱或者服用抗生素后导致菌群失调， 服用益生菌（双歧杆菌和嗜酸乳杆菌）制剂 probiotic (Bifidobacterium and Lactobacillus acidophilus )和双歧因子 prebiotic 是治疗肠 道菌群失调的有效方法。 l1）是否来自人体 l2）是否带有耐药性质粒 l3）培养和保藏是否困难 l4）是否耐受胃酸、胆汁碱而存活 l5）是否能够定植于肠道上皮细胞 l6

2、）能否形成优势菌落而达到保健效果 l可以促进人体肠道内有益菌双歧杆菌 (Bifidobacterium) 等的生长，改进肠道菌 群状况。 l比活菌制剂更稳定和易于保存，可以添加 到各种制品中。 l应用于医药、功能食品、饲料等领域。 l双歧因子包括人乳中含N-乙酰葡糖胺的糖、 玉米浸汁和各种低聚糖等。其中研究最多 的是各种低聚糖，而且现在很多品种已经 实现了工业化生产。 l双歧杆菌增殖因子和低能量。 l不被消化性和代谢不依赖胰岛素。 l无龋齿性 。 不消化或不吸收糖 l 摄入 l （小肠）消化 发酵（大肠） l SCFA l 吸收 l 酶降解 l 可利用能源 木材细胞壁的构造及组成：木材细胞壁的

3、构造及组成： 瘤层 内层中层外层初生壁 中胶层 次生壁 l中胶层：厚约为0.2-1.0m，位于细胞之间，负责将它们连 在一起，在成熟的木材中，中胶层是高度木化的。 l初生壁：位于细胞外的初生壁是一层厚约0.1-0.2 m壁， 由半纤维素，纤维素、果胶和完全包在木质素中的蛋白质 组成。 l次生壁：分为三层，由内向外、内层，中层，外层。由包 裹在木质素和半纤维素中定位不同的纤维素纤丝组成，并 代表了纤维素合成阶段及在最初原生质中的位置，只要植 物细胞壁的天然结构保持完好，其中木质素就能防止降解 酶类接触纤维素纤丝。 一、半纤维素一、半纤维素 1.半纤维素：是由几种不同类型的单糖构半纤维素：是由几种

4、不同类型的单糖构 成的异质多聚体。单糖聚合体间分别以成的异质多聚体。单糖聚合体间分别以 共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们 与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤 维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性 的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。 是植物纤维材料中除去纤维素和果胶之是植物纤维材料中除去纤维素和果胶之 外的碳水化合物，是植物纤维原料中的外的碳水化合物，是植物纤维原料中的 主要成分之一。主要成分之一。 D-木糖木糖 D-甘露糖甘露糖 D-葡萄糖葡萄糖 D-半乳糖半

5、乳糖 2 组成组成 无热量甜味剂；对人体肠道内无热量甜味剂；对人体肠道内 的双歧杆菌有较高的增殖作用的双歧杆菌有较高的增殖作用 半纤维素只是半纤维素只是一群糖共聚物一群糖共聚物的总称。的总称。 这些糖基形成基础链（主链），其它糖基这些糖基形成基础链（主链），其它糖基 作为支链连接于基础链上作为支链连接于基础链上 不同来源不同来源 半纤维素半纤维素 的组成的组成 木本植物：木本植物：D-木糖、木糖、D-甘露糖甘露糖、D-半半 乳糖、乳糖、D-阿拉伯糖、葡萄糖醛酸阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等等 草本植物和谷类：草本植物和谷类：D-木糖、木糖、L-阿拉伯糖阿拉伯糖、 D-半乳糖、半乳糖、D-葡萄糖葡萄糖

6、1、由、由不同的糖单元不同的糖单元组成，纤维素只含组成，纤维素只含 有葡萄糖，为同聚多糖。半纤维素有葡萄糖，为同聚多糖。半纤维素 含有多种糖，可能为同聚多糖，也含有多种糖，可能为同聚多糖，也 可以为两种或多种单糖形成的杂聚可以为两种或多种单糖形成的杂聚 多糖。多糖。 2、糖链链长的聚合度不同，纤维素的、糖链链长的聚合度不同，纤维素的 糖链较长，半纤维素的链长较短。糖链较长，半纤维素的链长较短。 3、两类物质的分子中分支不同，纤维、两类物质的分子中分支不同，纤维 素无分支，半纤维素有分支，有的素无分支，半纤维素有分支，有的 单糖只出现在支链上。单糖只出现在支链上。 组成不同组成不同 长短不同长短

7、不同 形状不同形状不同 1 对碱的对碱的溶解性溶解性不同不同 半纤维素半纤维素 24% KOH 不溶不溶 溶解溶解 聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖 聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖 木聚糖木聚糖 Ba2+配合物配合物 析出析出 聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖木聚糖 2、根据、根据主链的糖基主链的糖基不同不同 如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖，如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖， 聚半乳糖葡萄糖甘露糖类等。聚半乳糖葡萄糖甘露糖类等。 1 木聚糖：主链为木聚糖：主链为-D-吡喃木糖以吡喃木糖以-1,4-糖苷键连接而成的糖苷键连接而成的线线 状分子状分子，分子量约，分子量约30000（200个糖

8、单位），白色无定形粉个糖单位），白色无定形粉 末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液。末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液。 2 木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖类广泛存在木聚糖类广泛存在 于自然界，几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁于自然界，几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁 中的含量仅次于纤维素。中的含量仅次于纤维素。 3 不同植物所含木聚糖多少也有所差别不同植物所含木聚糖多少也有所差别 一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占干重的一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占干重的 15%-30%。 一些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖含一

9、些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖含 量非常高，一般能高达量非常高，一般能高达30%以上。以上。 线状分子与直链无分支线状分子与直链无分支 一样吗？一样吗？ 4 同聚多糖与同聚多糖与异聚多糖异聚多糖 5 木聚糖分类：木聚糖分类： 硬木木聚糖硬木木聚糖 软木木聚糖软木木聚糖 草木类木聚糖草木类木聚糖 组成单位：组成单位： O乙酰乙酰4O甲基葡萄糖醛酰木糖甲基葡萄糖醛酰木糖 聚合度：聚合度：150-200 高度乙酰化，发生在高度乙酰化，发生在C3位位 组成单位：阿拉伯组成单位：阿拉伯4O甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基 聚合度：聚合度：70-130 非乙酰化非乙酰化 组

10、成单位：组成单位：L呋喃型阿拉伯糖基、呋喃型阿拉伯糖基、 4O甲基甲基D吡喃葡萄糖醛酸基吡喃葡萄糖醛酸基 聚合度：聚合度：70-130 7）面团形成过程Dough formation: 小麦粉和水 -混合 揉捏- 疏水 相互作用和二硫键 -线状多聚物 多聚物之间相互作用 氢键、 疏水相互作用、 二硫键 - 面团 形成 -发酵(产气泡) - 气液界 面形成强膜。 l大多数的细菌和真菌大多数的细菌和真菌能够分泌胞外木聚糖酶，释放木能够分泌胞外木聚糖酶，释放木 糖，为在木聚糖上生长的异养生物提供养料。糖，为在木聚糖上生长的异养生物提供养料。 l瘤胃微生物是具有潜力的半纤维素酶产生者。瘤胃微生物是具有

11、潜力的半纤维素酶产生者。 l瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢有较高的胞外半纤维素有较高的胞外半纤维素 酶活性。酶活性。 l很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺 少外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。少外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。 l胞外半纤维素酶活力较强的微生物胞外半纤维素酶活力较强的微生物曲霉，枯草杆菌，曲霉，枯草杆菌， 厌氧性的梭状芽孢杆菌。厌氧性的梭状芽孢杆菌。 1 木聚糖降解酶系的多样性木聚糖降解酶系的多样性 （1）由于）由于来源的不同来源的不同，故木聚糖酶的组成，性质均不相同，故木

12、聚糖酶的组成，性质均不相同 （2）木聚糖）木聚糖本身结构本身结构的杂合性决定了它不可能被任何一种单的杂合性决定了它不可能被任何一种单 一的酶类彻底降解。一的酶类彻底降解。 （3）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它 们的接近性也不是等同的们的接近性也不是等同的 （4）由于同种异形酶或同基因的不同等位基因的产物，经过）由于同种异形酶或同基因的不同等位基因的产物，经过 翻译后修饰和加工形成同工酶。翻译后修饰和加工形成同工酶。 根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分 为为6类：类： 1.4内切木聚糖酶内切木聚

13、糖酶 木糖苷酶（外切酶）木糖苷酶（外切酶） L-呋喃型阿拉伯糖苷酶呋喃型阿拉伯糖苷酶 葡萄糖醛酸苷酶葡萄糖醛酸苷酶 乙酰木聚糖酯酶乙酰木聚糖酯酶 酚酸酯酶。酚酸酯酶。 作用于主链作用于主链 作用于还原端作用于还原端 （1） 1.4内切木聚糖酶内切木聚糖酶 作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度 作用步骤：木聚糖作用步骤：木聚糖 低聚木糖低聚木糖 木三糖，木二糖，木三糖，木二糖， 根据酶理化性质根据酶理化性质 分子质量分子质量30K的酶（通常为硷性蛋白）的酶（通常为硷性蛋白） 分量质量分量质量 30K（酸性蛋白）（酸性蛋白） 最适条件：多

14、数最适条件：多数最适最适PH7.0，最适反应温度，最适反应温度4575 之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值2的寡聚木的寡聚木 聚糖聚糖 影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用 不生成木糖不生成木糖 （2） 木糖苷酶木糖苷酶 有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体 在细菌和酵母中，在细菌和酵母中， 木糖苷酶主要存在于细胞木糖苷酶主要存在于细胞 内。内。 作用于寡聚木糖，属外切酶，主要作用于寡聚木糖，属外切酶，主要水解短链的低水解短链的低 聚木糖或木二糖聚木糖或

15、木二糖，并从非还原性末端释放出木糖，并从非还原性末端释放出木糖 最佳底物：二聚木糖最佳底物：二聚木糖 木糖苷酶是一个多功能酶木糖苷酶是一个多功能酶 （3） L呋喃型阿拉伯糖苷酶呋喃型阿拉伯糖苷酶 存在形式多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚存在形式多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚 体等形式存在。体等形式存在。 分为两种类型：分为两种类型： 外切型：占多数，作用于对硝基酚呋喃型阿拉伯糖外切型：占多数，作用于对硝基酚呋喃型阿拉伯糖 苷和分支阿拉伯聚糖苷和分支阿拉伯聚糖 内切型：占少数，作用于线形阿拉伯聚糖内切型：占少数，作用于线形阿拉伯聚糖 （4） 葡萄糖醛酸苷酶葡萄糖醛酸苷酶 此酶水

16、解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的此酶水解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的 1.2糖苷键糖苷键 （5）乙酰木聚糖酯酶）乙酰木聚糖酯酶 作用位点：木糖残基作用位点：木糖残基C2 C3 位上的乙酰取代基因位上的乙酰取代基因 酶酶在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团；在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团； 酶酶在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团 作用：消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间的阻碍作作用：消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间的阻碍作 用，增强内切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力用，增强内切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力 （6）酚酸酯酶）酚酸酯酶 此酶主要包括香豆酸

17、酯酶，阿魏酸酯酶此酶主要包括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶 香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键 阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键 （1） （2） （3） （4） 2.5 木聚糖酶的催化特性木聚糖酶的催化特性 1、木聚糖酶作用的温度与PH 不同来源的木聚糖酶其催化特性是有差异的，它们有 不同的最适PH和最适作用温度 1）多数木聚糖酶在酸性范围内，最适温度40 -60 2）真菌木聚糖酶的耐热性通常比细菌木聚糖酶差一些。 3）酶活性的改变与PH变化关系呈现钟罩形曲线，PH通 过影响酶活性中心基团的电

18、离程度或使酶的构型发生 变化而影响酶活性 2、木聚糖底物专一性 1）在木聚糖酶的活性中心含有多个能与底物结合的亚位点， 这些位点的结构，大小，数量，以及它们与催化基团的空 间关系决定该酶对不同底物的亲和力，专一性，作用方式 及酶反应的动力学参数 2）实验表明不同的木霉木聚糖酶对底物具有高度选择性 3）木聚糖酶的底物特异性包括底物组成的特异性，对特定 键水解的特异性，对带有取代基底物的特异性 4）根据木聚糖酶对底物组成特异性的不同可将其分为特异 性酶和交叉特异性酶，前者只分解木聚糖的1.4糖苷键， 后者除分解木聚糖的1.4糖苷键外还分解纤维素的 1.4糖苷键 3、不同水解酶之间的协同增效作用 1

19、） L呋喃糖苷酶与内切木聚糖酶协同作用 2）乙酰木聚糖酯酶与内切木聚糖酶协同作用 3）内切木聚糖酶与木糖苷酶之间协同作用 4）内切木聚糖酶与酚酸酯酶协同作用 5）不同的内切木聚糖酶之间协同增效作用 6）当几种酶混合在一起时，有时起协同作用，但有时无协同作用甚至起 抑制作用 抑制作用机制有两个： A：一种酶与木聚糖的结合阻碍了第二种酶与之结合 B：一种酶作用于底物改变了底物原有的分子构型 4、木聚糖酶的分子结构域、木聚糖酶的分子结构域 木聚糖酶分子结构可分为两种类型 单结构域酶多结构域酶 A、催化域 1）木聚糖酶的催化域（CD）承担着酶的水解功能，并作为 该酶的分类基础 2）一般地，大部分木聚糖酶只含有一个单一的催化域，但 在自然界中也发现有些木聚糖酶含有两个催化域 B、纤维素结合域（ CBD ） 1）许多木聚糖酶分子中存在着CBD，CBD中带电荷氨基酸含量较小，除甘氨酸， 天冬氨酸之外，还含有4个高度保守的色氨酸残基。 2）这些结合域起到了两个可能的作用： 打开植物细胞壁的结构，使得酶分子能够更容易地接近底物并水解， 提供了一种普遍的机制，使得联合的水解酶在植物细胞壁的表面积累，导致不 同的酶之间发挥协同作用。 C、木聚糖结合域（XBD） D、连