木聚糖酶在工业上的应用

真菌中的木聚糖酶:性能及其在工业上的应用摘要：木聚糖是半纤维素的主要类型。这是一个由木二糖通过1,4位糖苷键连接的线性聚合物。在自然界中，多糖的分子骨干可以被4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸、乙酰基、α-L-阿拉伯呋喃糖基等比例添加。木聚糖的水解主要是酶的复合物承当，但主要参与的酶是内切β-1，4-D-木聚糖酶和β-D-木糖苷。这些酶可由真菌、细菌、酵母、海洋藻类、原生动物、蜗牛、甲壳类动物、昆虫、种子等产生,但是主要商业来源是丝状真菌。最近,有很多工业对木聚糖及其其水解酶感兴趣,主要是其可用于补充动物饲料、生产面包、食物和饮料、纺织品、纤维素纸浆的漂白、乙醇和木糖醇的生产。本文描述了一些木聚糖的特性和它的新陈代谢,木聚糖酶的生化特性以及其商业应用。简介：木聚糖属于纤维素类，是世界上第二丰富的天然多糖(柯林斯等，2005年)。这些化合物存在于植物细胞的细胞壁和胞间层。木聚糖这个术语涵盖了一系列非纤维素类多糖,由不同的比例的单糖单元组成,如D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡糖醛酸和D-半乳糖醛酸。半纤维素的命名是根据其主要的糖单元决定的。因此,当一个聚合物水解并产生木糖，它就可称为一个木聚糖;同样,半纤维素包括甘露聚糖、葡聚糖、阿拉伯聚糖和半乳聚糖(惠斯勒和理查兹2000)。在自然界中,在木材纤维素包含的糖往往不是一种。通常他们具有复杂的结构，是由很多的元素聚合而成,最常见的葡糖醛酸、阿拉伯葡糖醛酸、葡甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖和半乳葡甘露聚糖(Haltrichet1996和普雷玛2002)。大量的组成单元是不同的在不同的物种中，甚至在同种物种之间也是不同的。因此,半纤维素不是固定单一的化合物,但聚合物组件即植物纤维,每一个都有特有的属性。半纤维素主要包括木聚糖,它是经过木聚糖酶分解得到。真菌中的木聚糖酶具有有许多商业用途,如造纸、动物饲料、烘焙面包、果汁和葡萄酒行业,木糖醇的生产等。本文将介绍真菌木聚糖酶及其进展，和这些酶的工业应用。一、木聚糖结构阿拉伯木聚糖已确定在小麦、黑麦、大麦、燕麦、大米、高粱、以及其他一些植物中发现，如：盘固草、竹笋和黑麦草。尽管这些多糖是次要局部对于的整体的谷物,但它们是构成植物细胞壁的重要组成局部(Izydorczyk和Biliaderis1995)。葡糖醛酸和葡糖苷酸阿拉伯木聚糖主要位于二层膜结构中，他是一种粘合剂，使非共价键结构与木质素、纤维素和其他聚合物形成一种共价键而粘合，对细胞壁的完整性起到至关重要作用。木聚糖在被子植物中是半纤维素的主要类奉献者，占总干重的15-30%,但在裸子植物中木聚糖的含量会少点，含有7-12%(Haltrich1996年)。图1O-乙酰基-4-O-甲基葡糖醛酸(a),硬木和阿拉伯-4-O-甲基葡糖醛酸(b),柔软木头的结构。木聚糖酶参与分解木聚糖的有:乙酰酯酶、α-葡萄糖醛酸酶、切木聚糖酶和α-L-阿拉伯呋喃。β-木糖苷酶(c)实现了水解；数据显示碳原子被Ac乙酰基群替换葡糖醛酸是由β-D-吡喃木糖基组成的线性聚合物，通过〔1-4)糖苷骨干(木糖)单位联系在一起，如图1中所示。这种多糖骨干由4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸单位、D-葡萄糖醛酸单位在位置4甲基化,和位置2或3被β-D-吡喃木糖基插入。被子植物(硬)中的葡糖醛酸在乙酰基上的替换率也很高(70-80%),主要是位置2和3上由β-D-吡喃木糖基替换,这也使得木聚糖可以局部溶解在水中(考夫兰和Hazlewood1993)。葡糖苷酸阿拉伯木聚糖通常在软木中被发现，他们都有相同的木聚糖骨干，但是每一个当中的由十个β-D-吡喃木糖基组成的单位结构会有由α-L-阿拉伯呋喃糖基代替(图1b)。软木比硬木具有较高含量的4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸单位。这些木聚糖并不是被乙酰化,而是因为他们的呋喃糖苷结构,使得树胶醛醣的边局部很容易被酸水解。从这以后，以后我们提到的葡糖醛酸和葡糖苷酸阿拉伯木聚糖都被认为是木聚糖(Antranikian1997)。二、木聚糖复合物木聚糖酶的主要作用是催化水解木聚糖。这些酶主要是来自由微生物，他们参与植物细胞壁的分解,以及与其他酶水解多糖,并可以在一些种子萌发时消化木聚糖(例如在用大麦谷物生产啤酒的时候)。木聚糖酶也可以在海洋藻类、原生动物、甲壳类动物、昆虫、蜗牛和陆地植物的种子中找到(Antranikian1997)。在微生物来源中,丝状真菌会把这些酶分泌到介子中，并且相比在酵母和细菌中，它的产酶水平非常高。木聚糖酶基因已经被人类从微生物的各种属中提取得到，并且已大肠杆菌中表达。在细菌中的木聚糖酶，不仅是生产中活动水平低于真菌的,也限制在细胞内或周质中。此外,酶在细菌中表达并不仅仅是通过转译修饰,如糖基化。Kulkarni和Horikoshi在关于大肠杆菌中的木聚糖酶细胞外重组体的报告中提到：表达基因来自于嗜碱气单胞菌属、芽孢杆菌物种、嗜碱和嗜热芽孢杆菌物种。异源表达的基因xynA，编码来自芽孢杆菌的内切木聚糖，在酵母酿酒中的酵母中，也被描述(Nuyenset2001年)。在真菌中,能克隆和表达内切木聚糖酶的基因，可以在木霉属里氏木霉和曲霉菌在酵母川地得到(Dalboge1997)。由于其异质结构,木聚糖的降解不仅需要一个酶,而是一种复杂的酶系。该系统的组成局部目前被最广泛研究的是内切木聚糖和β-木糖苷酶。阿魏酸酯酶、香豆酸酯酶、酯酶和α-葡萄糖苷酸酶在1980年代末才被发现,可能是因为获得适宜的底物非常困难。这些酶广泛存在真菌和细菌,但直到现在很少被净化和分析从物理和化学属性。这些酶将在以下给出描述。三、木聚糖酶1、内切-1,4-β-木聚糖酶内切-1,4-β-木聚糖酶(1、4-β-D-木聚糖木聚糖水解酶;EC3.2.1.8)在木聚糖的骨干上劈开糖苷结构,用来减少酶作用物的聚合度(图1b)。对于木聚糖的分解不是随机的,但是对水解的结构选择主要依赖于自然底物分子,如链长,分支,取代基的存在(普尔斯2000年)。最初,主要水解产品是β-D-吡喃木糖基寡聚物,但是在稍后的阶段,小分子,如一位、二位或三位的β-D-吡喃木糖基也可能会生产。由木聚糖内切酶水解木聚糖的化学方程式可能写成如下:H(C5H804)nOH+H2O==>H(C5H8O4)n-pOH+H(C5H804)pOH这个方程显示的都是单位化学计量水解一个木聚糖分子的事件;这样的反响会发生在许多链条上.木聚糖内切酶已经被不同的分类方法分类。黄等人(1988)根据其反响的产物把他们分成两种类型:=1\*GB3①非脱支酶，它是不水解3-α-L-阿拉伯呋喃糖基的分支点的阿拉伯木聚糖,因此也不分解阿拉伯糖；=1\*GB3①脱支酶，主要水解分支体系和水解阿拉伯糖。这些类型分别被发现在真菌的物种中。然而,一些真菌能生产两种类型的木聚糖酶,这样就能更有效的水解木聚糖。黄等人(1988)提出一些在微生物内的木聚糖内切酶与他们的物理化学性质之间的对应关系,如分子量(MW)和等电点(pI)。他们被分成两组:根本的酶,MW<30kDa,和木聚糖内切酶,MW>30kDa。在这应该强调,这个关系只适用于大约70%的情况下,对于许多明确的木聚糖内切酶却是相反。其他不同的分类方法,由TorronenHenrissat、Bairoch(1993)及Rouvinen(1997)提出的糖苷酶,,将在稍后描述。一般来说,木聚糖内切酶在温度为40-80°C,以及pH值4.0和6.5之间最活泼，但这些最优范围以外的条件也已经被发现(表1、2),不同的真菌和细菌可以产生多样的木聚糖内切酶;在某些情况下经过单一培养可以别离三个或更多酶活性(Rizzatti2004年)。许多因素可以用来检测木聚糖内切酶的各种形式。这些包括有mRNA的微处理,转录后修饰,如糖基化和自聚集，蛋白水解消化等。多种木聚糖内切酶可以表达不同等位基因,甚至可以表达完全独立的基因〔查韦斯2002年)。表1不同微生物产生的一些木聚糖酶的特性2、β-D-木糖苷酶β-D-木糖苷酶(β-1，4-木聚糖酶;EC3.2.1.37)可根据它们的相对亲和力分为木二糖和较大的低聚木糖。低聚木糖酶和外-14-β-木聚糖酶可以认为是不同的实体,Biely提出(1985,1985),但它们都将被视为木糖苷酶,从非复原性末端水解低聚木糖和木二糖,释放β-D-吡喃木糖(图1c)。纯化β-木糖苷酶通常不水解木聚糖;他们最好的底物是木二糖，他们与低聚木糖的亲和力是和其聚合度成反比的。他们能够分解断开人工基质，如对硝基苯-和o-硝基苯-β-D-吡喃木糖苷。反式低聚木糖活动也已在真菌中发现,从而导致其基片的分质量比以前高很多(Kurakabe1997年)。对于β-D-木糖苷酶，木聚糖酶在木聚糖经过一系列的水解之后发挥一个很重要的作用。这种反响导致β-D-吡喃木糖苷短低聚物聚物的积累,这可能会抑制内切木聚糖酶。接着β-木糖苷能够水解这些物质，这也是去除抑制作用的原因,并提高了木聚糖水解效率(安德拉德2004;Zanoelo2004)。对于原始的β-木糖苷酶,往往被保存在真菌菌丝体内,只能在细胞提取物或在生长培养基(细胞外)发现提取。例如,从腐质霉变种(阿尔梅达1995年)中提取-木糖苷酶.和曲霉菌海枣(Rizzattiet2001年)的纯化,分别从细胞中和培养基提取。它们由细菌和酵母产生，然而主要与细胞有关。真菌中的β-木糖苷酶往往是单体的糖蛋白,但一些已报告中指出有两个或三个子单元组成(Antranikian1997)。通常这些蛋白质有相对较高的分子量,在60-360kDa。虽然它们的最适条件pH值十分广泛,但大多数都在4.0和5.0之间。最适温度可以从40到80°C不同,但大多数的β-木糖苷酶给出的最适温度在60°C。他们的热稳定性高，并且随着有机体的不同而发生改变。一个很好的例子,一个来自曲霉菌海枣的稳定酶,在60°C条件下培养4小时或在室温下培养21天仍能够保持活性(Rizzatti2001年)。3、乙酰酯酶乙酰酯酶(EC3.1.1.6)删除O-乙酰基从β-D-吡喃木糖的位置2或3，并且能够去除在木聚糖上残留的乙酰基(图1)。这种酶很晚才被发现,很可能是由于碱性萃取经常采用高度乙酰化的木聚糖，就像在硬木中一样,木聚糖经常被剥去乙酰(Caufrier2003)。乙酰起到了很重要的角色在水解木聚糖中,因为乙酰基的支链可以影响到酶，如通过消除位阻翻开主链,从而促进了对内切木聚糖的作用。表2由微生物产生商业木聚糖酶4、阿拉伯糖酶阿拉伯糖主要是在β-D-吡喃木糖的位置2和3上删除L-阿拉伯糖的残留代替物。有两个不同类型的的行动模式:〔1〕外-α-L-阿拉伯呋喃(EC3.2.1.55)：主要降解p-硝基苯-α-L-阿糖和肢解阿拉伯聚糖(图1b)；〔2〕内-15-α-L-阿拉伯糖(EC3.2.1.99):水解线性阿拉伯聚糖(Kaneko2000年)。到目前为止大多数阿拉伯糖的调查是关于此种类型的。5、α-葡萄糖醛酸酶α-葡萄糖醛酸酶(EC3.2.1.)主要被发现在葡糖醛酸骨干单位中，水解葡萄糖醛酸残留物和β-D-吡喃木糖之间的骨干连接(图1)。一些微生物只有在短葡糖醛酸基质的存在下才表现出他们的最大活性。然而,底物特异性随微生物源的不同而变化,有些葡萄糖醛酸酶能够水解完整的聚合物(普尔斯2000)。乙酰基接近葡萄糖醛酸取代基可以局部阻碍α-葡萄糖醛酸酶活动，也被指出。6、阿魏酸酯酶(EC3.1.1.-)和p-香豆酸酯酶阿魏酸酯酶(EC3.1.1.-)和p-香豆酸酯酶(EC3.1.1.)裂开木聚糖的骨干连接;第一个把阿拉伯糖和阿魏酸侧基之间劈开,而第二个阿拉伯糖在威廉森和p-香豆酸之间劈开(Christov2004年)。四、在木聚糖复合体上的酶协同作用木聚糖降解酶的协同和共同作用使得内切木聚糖攻击杂聚木聚糖的易感性增强(德弗里斯2000年)。因此,添加乙酰酯酶到木聚糖中,导致的结果是醋酸的释放和乙酰化木聚糖的减少,这样就更好的提供了内切木聚糖酶的水解。另一方面,由内切木聚糖酶产生的小乙酰化聚合物,是酯酶的首选底物。复杂的基质，如麦麸,含有很大量的阿糖基木聚糖,如内切木聚糖酶事先没有接受α-阿拉伯呋喃的处理将不能轻易被内切木聚糖分解。这种酶,与内切木聚糖协同作用,使阿糖基木聚糖的糖化被提高。正如上述,β-木糖苷酶可能负责删除低聚木糖,抑制木聚糖酶的产物,允许木聚糖被更有效的水解。因此,生物技术的目的，理想的微生物将会产生一个足够数量的复杂的木聚糖酶酶系。在细菌中，术语“纤维素酶”已经被定义为酶的配合物,在不同的物种间，他们之间通过细胞膜相互联系在一起(Kosugi2004)。纤维素酶是一个实体,可以降解粘附细菌的纤维素,在聚合物基质中可以提供一种更有效的攻击。以此类推,“一些木聚糖”这个词应用于观察许多的子单元蛋白质总量的结构。这些配合物有一个非常高的相对分子质量(500-600kDa),可以包含十多个蛋白质在木聚糖活动中,其中一些是内切木聚糖。在一些微生物,纤维素酶可能与一些木聚糖酶相关联,形成配合物负责纤维素和木聚糖的水解(Antranikian1997)。五、木聚糖酶嗜中温、高温来源利用微生物来研究木聚糖或酶系统,生态和经济条件变得越来越相关。木聚糖酶是由嗜温菌和嗜热微生物合成。嗜中温菌,曲霉菌属和木霉属是在木聚糖酶的生产中首先产生的。近年来,很多研究已经放在单个高温菌上，甚至是极端型微生物,因为他们生产酶十分稳定(Niehaus2003年)。目前嗜热真菌包括毛壳菌属，特异腐质霉,胎毛腐植腐菌,黑色素腕骨白霉素,宛氏拟青霉,篮状菌属二极管丝衣霉,埃默森踝节菌属,细毛嗜热霉和嗜热子囊菌。这些真菌中的木聚糖酶的最正确温度是60-80°C，并且在这个区间内是非常稳定的。这些酶通常是由糖蛋白组成，大多数的活性在pH值为(4.5--6.5)时到达最高。他们存在着多种形式，且大多数分子量在6-38kDa范围内。许多来自嗜热微生物的内切木聚糖在某种程度与嗜温菌的结构具有同源性。一些学者试图解释酶的耐热性，通过观察嗜热菌的酶，发现了特殊的二硫化物桥梁,一个N端脯氨酸残基，他会引起构象的自由的减少、盐桥和支链的疏水的减少(Turunen2001年)。Hakulinen描述了一些小的影响木聚糖酶的热稳定性的因素:(1)高的Ser比率;(2)带电残留物质数量的增加,特别是参数,导致增强极地交互;(3)次要结构更加的稳定，包括更高的残留物β-链，α-螺旋地区的稳定。一些木聚糖酶通过在蛋白质外表压缩蛋白质结构或提高芳香的残留离子，来提高其稳定性,进而增强其交互性。然而,这并没有明确的结论,因为一个现象出现在一个微生物钟，很可能不会出现在另一个中。六、木聚糖酶的生产工业生产中木聚糖酶可利用液体培养基或固体基质培养。表1和2总结的数据是在不同的商业生产木聚糖酶培养形式,值得一提的是80-90%的木聚糖酶是在液体培养基上培养的。在固体基质上培养，麦麸和大米被认为是诱导物。替代基质在培养木聚糖酶的生产中也有被报道,如甘蔗的蔗渣、水稻壳和木浆(Kadowaki2003年)。在液体培养基上培养时，木聚糖酶用来跟各种来源的木聚糖反响(戈麦斯2000)。β-D-吡喃木糖残留也可以作为木聚糖聚合物的诱导物(Ghosh2001),但在某些微生物这可能增加不同性质的控制,导致内切木聚糖降解阻遏(弗洛雷斯1996年)。另一个常被用作有效的诱导物化合物是β-甲基木糖苷,不可代谢结构模拟的木二糖，并且本钱非常低(Morosoli1997)。木聚糖的感应系统是由其他的化合物合成,如2-O-β-D-吡喃木糖、D-木糖(Xylβ1-2xyl)、3-O-β-D-吡喃木糖、D-木糖(Xylβ1-3Xyl)和2-O-β-D-吡喃葡糖基、D-木糖(Glcβ1-2Xyl)也被描述(Hrmova1991年)。木二糖,一种同源双糖,是内-1，4-β-木聚糖酶的强大抗病诱导剂,但失败诱导降解纤维素复合体分解酶,内切-1,4-β-葡聚糖酶。相反的对于杂多糖Glcβ1-2Xyl却是可行的。这种合成基质作为混合的诱导物,促进合成酶的配合物。这些研究结果显示合成纤维素酶和木聚糖酶的系统是相互独立的。当微生物在含有木聚糖培养基上培养时，特定木聚糖酶将会合成,而在含有纤维素培养基上的微生物会生产纤维素酶但是需要木聚糖酶的协同,这也许是因为纤维素基质包含半纤维素。在纺织和造纸行业,最重要的是能够获得纤维素酶而无木聚糖酶,需要提取出其中的半纤维素,而没有破坏纤维素。多糖,比方木聚糖，在微生物能够引起的酶复合物活动(Biely1985,1985)。这种效应在一段时间内曾被许多研究人员质疑,因为这些大分子无法与细胞内的取得联系，进而影响基因的表达。为了使木聚糖的感应酶发生,细胞的控制中心必须和诱导物有相对的接触;这说明一些识别物质存在细胞外表。木聚糖酶的原始结构,有相对较低水平的活动,应该负责最初的木聚糖水解,产生小β-D-吡喃木糖低聚糖木二糖和木三糖等,(Kulkarni1985)。后来一些学者认为木二糖才是真正的切木聚糖酶合成诱导物(Haltrich1996年)。在β-木糖甙通透的帮助下(图2),这些低聚糖进入细胞,引发的表达木聚糖系统的基因。诱导细胞的透性酶活性在葡萄糖的存在下减少,但它在木聚糖诱导物存在情况下具有非常高效的活性。在丝状真菌,碳降解物由蛋白质克雷亚(转录抑制因子)阻遏(Dowzer1994年)。图2该设方案下分解木聚糖复合体的酶有切木聚糖酶和β-木糖苷酶。七、木聚糖酶的应用近年来,使用纤维素和木聚糖酶生物技术显著增加(Bhat2003年)。在商业生产相当重要的程序即木聚糖的降解最终产物是糠醛、木糖醇(Parajo1998)。木聚糖可以转化为β-D-吡喃木糖和两种类型的低聚糖水解物:酸或酶。酸水解往往是首选,因为它非常快,但伴随着有毒化合物的形成，可能会阻碍后续微生物发酵。此外,从长远来看,它会产生导致腐蚀的金属设备的酸。最近,一些工业企业对高效酶开展大感兴趣，想用来替代使用酸水解半纤维素材料。木聚糖酶已经投入了工业生产,比方在日本、芬兰、德国、爱尔兰共和国、丹麦、加拿大和美国。为了获得这些酶所使用的微生物是黑曲霉,木霉属和特异腐质霉。一些商业木聚糖酶也可以从细菌中获得。木聚糖酶在1980年代开始使用:最初是在动物饲料,后来在食品、纺织和造纸行业。目前,木聚糖酶、纤维素酶及果胶酶,占世界酶市场的20%。表2总结了商业木聚糖酶的属性、来源和最终应用。1.木聚糖酶在动物饲料在农业上，酶在生产饲料中的使用是想当重要的,每年世界上大概生产超过6亿吨,相当于营业额超过50亿美元。被用于动物饲料的木聚糖酶有蛋白酶,葡聚糖酶、果胶酶、纤维素酶、淀粉酶、植酸酶、半乳糖苷酶和脂酶。这些酶能够分解饲料成分的阿拉伯糖木聚糖,减少原料的粘度(Twomey2003)。阿糖基木聚糖在谷物的细胞壁上发现，它对家禽的营养吸收有影响。如果这些物质以溶解态存在,他们可能会提高饲料的粘度,干扰了流动性和进而影响其他物质的吸收。如果向玉米和高粱饲料中添加木聚糖酶，玉米和高粱全是低粘性的食物,它可以改善营养物质在消化道上的吸收,导致一个更好的能量利用。其他酶的联合行动又可以产生更多的消化食物混合物。较小的家禽和猪产生内源性酶比成年的要少,所以食品补充剂含有外源酶，能够使他们更好的生长。此外,这种饲料可以减少动物粪便中多余的残留物(如磷、氮、铜和锌),这样在减少环境污染方面也是可行的。2.制造面包,食物和饮料木聚糖酶与α-淀粉酶、麦芽酶、淀粉酶、葡萄糖氧化酶和蛋白酶一起可以用于烘焙面包。像其他半纤维素酶,木聚糖酶在小麦粉中分解半纤维素、帮助水再分配,使面团更加柔软。他们在制作面包的过程中,延迟面包屑的形成,使生面团膨胀。与木聚糖酶的共同使用,可以使面包吸收更多的水，进而改良发酵过程(Aguilar2003)。此外,大量的阿拉伯低聚糖在面包中对健康是有益的。在饼干制作,木聚糖酶可以改善奶油饼晶片的纹理,竟而改善了适口性和均匀性。果汁和葡萄酒行业为酶市场提供了很好的时机。水果和蔬菜生产果汁都需要提取方法清洁和稳定。在1930年代,当柑橘开始生产果汁时,产量低，并且由于其浊度，使其果汁存在过滤的问题。向水果里增加化学成分和微生物酶，可以用来解决这些问题。如今,通过利用木聚糖酶,纤维素酶淀粉酶果胶酶,使得这些行业有了很大的提升，如应用该方法后改良了水果和蔬菜汁的稳定性;减少了对香气、精油、维生素、矿物盐、食用染料、颜料等的使用,降低粘度,水解了阻碍清汁的物理或化学物质,或可能导致浑浊的物质。木聚糖酶,结合内切葡聚糖酶,参加阿糖基木聚糖和淀粉的水解,能使小麦面粉中的面筋别离。这种酶也用于咖啡豆粘液的生产(黄1993)。对于木聚糖酶能在食品行业中使用的优势是其高稳定性和最正确Ph值。伴随着分子生物学技术的进步,木聚糖酶的其他用途的也被发现。最近,重组酵母酒曲霉菌构巢曲霉的木聚糖酶基因xlnA,使葡萄酒香气比传统工艺更明显(恒河1999年)。在啤酒的制造过程中，大麦细胞壁水解阿拉伯木聚糖释放的长链从而增加了啤酒的粘度渲染它“浑”的亮相。因此,木聚糖酶水解阿拉伯糖木聚糖降低低聚糖，降低啤酒的粘度,因此消除浑浊的方面(Debyser2002年)。3.制药和化学应用木聚糖酶和木聚糖很少被应用在制药行业。木聚糖酶有时与其他酶合成复合酶(半纤维素酶蛋白酶合其他)，可以作为一种膳食补充剂或用来治疗消化不良,但很少可以找到医药产品配方。木聚糖水解产品,如β-D-吡喃木糖残留,可以转化为可燃液体(乙醇),溶剂和人工低热量的甜味剂。第一步是去除木质素中丰富的半纤维素,然后由木聚糖酶水解半纤维素酶β-D吡喃木糖等，生产糖单位。其次,产品发酵,主要由酵母菌(毕赤酵母属赤酵母和念珠菌休哈塔),在图3中列出，用于生产木糖醇或乙醇(Jeffries2000)。当糖用于生产酒精,β-D-吡喃木糖残留到达5至20%。木糖醇是可与甜味剂媲美的蔗糖(Parajo1998年)。这是一个无糖的甜味剂,适合糖尿病和肥胖的人，可以用来预防骨质疏松症和呼吸道感染、脂质代谢紊乱、肾脏和肠胃外的病变。各种各样的木糖醇商业产品,如嚼口香糖,可以在市场上找到。虽然木聚糖的酶水解是获得β-D-吡喃木糖单位的一个可行的方法，目前商业上木糖醇仍是通过化学催化大量生产。这被认为是一个高本钱的过程,主要是因为木糖在最初几个步骤后必须净化。除此之外,化学反响经常会产生有毒副产品;事实上,在分解木质纤维材料时,除了释放糖,还可以形成其它衍生的葡萄糖〔羟甲基〕，木糖的降解物〔糠醛〕和木质素〔芳香和酚类化合物、醛〕。从木质纤维素物质中解放出来结构,如醋酸和提取材料(如萜烯及其衍生品,卓酚酮和酚类醌类化合物如类黄酮、芪、木酚素和单宁),或从设备中得到的物质(铁、铬、镍和铜),可能会强有力的抑制微生物的活动。由此看来，在木糖醇生产、食品、制药和牙科行业中，一个更适宜的技术开展更为迫切。4.纺织品木聚糖复合体可用于纺织工业，用来处理植物纤维,如黑森或亚麻布。对于这个目的,木聚糖酶降解纤维素的酶应该是可行的。通过木聚糖酶解放长茎纤维素纤维来培养干苎麻(中国草)的过程是完整的。使用这种方法后,就没有必要使用大量的漂白剂来漂白,因为木质素不会在进行氧化,从而导致变黑纤(Csiszaret2001年)。目前相对纺织纤维的酶制剂研究的不是太多,然而这似乎是一个前景广阔的市场，要求新技术的开展。图3由细菌和酵母通过木质纤维原料来生产乙醇和木糖醇的简化方案5.纤维素纸浆和纸张木聚糖酶在造纸工业中的应用主要是纤维素纸浆的漂白。在过去的二十年里，酶使用在这个领域,自从氧化酵素被应用于木质素的降解(Viikari2004年)。在现在,在许多国家,包括巴西，造纸行应用的仍是化学过程,而非酶法水解。通常的方法是被称为“卡夫”过程中,这个名字在德国代表力量。在造纸行业中三种桉树(E.茅大肠、E.柳桉和E.尾叶桉)是特别青睐的原材料。木屑的预处理的方法(图4)开始于两种试剂〔钠氢氧化和硫化钠〕在8Kg/cm2，165°C下的浸煮器中的融合。在蒸煮液中的两种试剂有助于加快脱木素,用于纤维素纤维的恢复。在这个阶段,纤维素纸浆以棕色为主,由于出现的黑液是其颜色十分黯淡(图4b)。此过程中可以认为90-95%半纤维素的溶解和局部木质素的分解。总结,我们有:——木屑(纤维和木质素)+试剂=纤维素和木质素——使用工业术语:木+白液(NaOH+NaS2)="纤维素"+黑液所沉积的木质素赋予纸浆深色，棕色经过洗涤后，预漂白开始，用于去除的少量杂质和煮沸过程留下的一局部木质素。氧气用于这个过程(图4c),目的是减少其他试剂的本钱。预处理完后的纸张略显黄色,还不适合用于生产打印或写作的纸张。这是由于染色的墙上还残留木质素纤维。在后续漂白过程,通过吸光物质〔发色团)去除分解形成的产品的木质素，到达纯白色色彩。漂白过程可分为三个阶段。首先,使用臭氧和二氧化氯(图4d)在第二阶段,氢氧化钠,氧气和过氧化氢。在最后阶段用二氧化氯进行去除(图4e)。硫酸盐法的主要优点是内能把黑液中的化学品竟可能的回收。然而,并不是所有的行业都回收钠氢氧化和黑液中的其他有机材料。另一方面,缺点是过程中有强烈气味的气体排放，低收益率(40-50%)和漂白的高本钱。可以看出在硫酸盐法中污染试被大量使用。利用有机氯降解完的产物,具有高毒性和诱变性，所以造纸工厂的废水需要处理。环境法规限制了在纤维素行业使用氯化合物漂白,尤其是在西欧和北美。如果在预漂白过程中使用木聚糖酶，这会降低使用的高达30％的氯化合物的量，以使在有机氯在废水中的减少15-20％是可以实现的。在纤维素制浆中利用木聚糖酶可能会使的每吨少产生5–7千克的二氧化碳和2-4单位的卡伯值。木聚糖酶用于纸技术不需要纯化,但必须有适合的温度和偏碱性的pH值,必须不能包含纤维素分解酶，以来更好的保护纤维素纤维。木聚糖酶在漂白过程的微生物效率已经被研究的有：链霉菌属热紫链霉菌〔GARG等人1996〕;链霉菌属红色钦氏菌〔Patel等人1993〕;链霉菌SP〔Georis等人2000〕;链霉菌鲜黄链霉菌〔Kansoh2004〕;芽孢杆菌属菌种〔Shah等人1999年〕;短小芽孢杆菌〔Duarte等人2003〕;环状芽孢杆菌〔DHILLON等人2000〕;白曲霉〔Tenkanen等人1997〕;米曲霉〔克里斯托夫等1999〕;曲霉曲霉〔Zhao等人2002〕;构巢曲霉〔塔内加等人2002〕;烟曲霉〔Lenartovicz等人2002年〕;毛壳解纤维素〔Baraznenok等1999年〕;细毛嗜热霉〔Haarhoff等人1999〕;里氏木霉〔Oksanen等人，2000〕;构巢曲霉和灰腐质霉〔塞勒斯等人2004〕图4显示了纤维素纸浆的漂白生产阶段。木屑(a)方面的纤维素纸浆后卡夫过程(b),预漂白阶段通过使用氧气(c)、纤维素纸浆漂白与臭氧、二氧化氯(d),后阶段使用二氧化氯,疗程氢氧化钠、过氧化氢和氧(e)在纤维素纸浆漂白过程中对木聚糖酶的作用有以下两个假设。第一个,在木质素中木聚糖酶把木聚糖沉淀(Viikari1994)。木聚糖沉淀是由于在蒸煮结束阶段pH值的降低。通过木聚糖酶的作用是使木质素更多的与化合物接触，竟而用于纤维素纸浆的漂白。第二个假设是基于木质素与其他多糖形成复合物的能力,而事实上，在纸制工艺中一些骨干连接是不可能被水解的(Buchert1992年)。木聚糖酶裂开木质素和木聚糖之间的结构，翻开纸浆中纤维素主干结构，随后提取木聚糖的碎片(帕斯1992年)。木聚糖从纤维素中化学提取棕色物质和木质素碳水化合物，使得纸浆更好。八、木聚糖酶属于蛋白质木聚糖酶是糖基水解酶,用于降解木聚糖。他们根本上占糖基化水解酶的两个成分,称为F和G或10和11(Henrissat2002年)。来自两个组分的木聚糖酶主要存在在细菌和真核生物,并且认为有不同的生理角色(Biely1997)。如果他们属于旁氏姊妹关系,这说明木聚糖酶是出现生命进化的早期,在真菌和古细菌别离之间的前期出现。然而，木聚糖酶的这两个成分似乎有进化起源不同于其他内切葡聚糖酶，即成分10更多相关成分5，和成分11更多相关成分12(柯林斯2005)。考虑到Biely等人(1997)的研究,更加说明成分11比成分10出现