微生物木聚糖酶在食品工业中的应用

1、,微生物木聚糖酶在食品工业中的应用,一、木聚糖,木聚糖是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，约占植物细胞干重的1535，是植物半纤维素的主要成分,是一种复杂的多聚五碳糖 。 植物中木聚糖处于木质素和纤维素纤维之间。 木聚糖可分为硬木木聚糖和软木木聚糖。,硬木木聚糖： 硬木木聚糖以O-乙酰基4-O-甲基-葡萄糖醛酸-木聚糖酌形式存在，聚合度较高(150200)；此类木聚糖多在C-3位点高度乙酰化，使得这种木聚糖具有部分可溶性。在木聚糖的提取过程中通过碱处理可将这基乙酰基团除去。 软木木聚糖： 软木木聚糖由阿拉伯糖基4-0-甲基-葡萄糖醛酸-木聚糖组成，其支链较少，聚合度较低(70130)，软木木聚

2、糖组成中的4-0-甲基葡萄糖醛酸以非乙酰化的形式连接到C-2位点。与硬木木聚糖相比，软木木聚糖以aL一呋喃型阿拉伯糖基来替代乙酰基，并通过一1，3一糖苷键连接到木糖的C一3位点。,二、木聚糖酶,1.定义： 木聚糖酶（Xylanase）： 又名内1,4-木聚糖酶，是采用液体深层发酵、超滤及喷雾干燥等工艺制得，用于啤酒酿造，可以有效分解麦芽汁中的木聚糖和戊聚糖，降低麦芽汁中的粘度，改善其过滤性能，防止非碳水化合物混浊的产生。 木聚糖酶在自然界广泛分布，海洋及陆地细菌、海洋藻类、真菌、酵母、瘤胃和反刍动物细菌、蜗牛、甲壳动物、陆地植物组织和各种无脊椎动物中都存在。由于微生物来源的木聚糖降解酶普遍存在

3、于自然界且种类繁多应用领域广泛，因此对于微生物木聚糖酶研究报道很多。目前，人们研究和应用得最多的是细菌和霉菌来源的木聚糖酶。,2.木聚糖酶的结构域 在分子水平上，木聚糖酶,功能结构域 非功能结构域 连接区,催化结构域 纤维素结合结构域 （CBD）,通常木聚糖酶仅有一个催化结构域 ,根据对双功能酶酶活力测定和差示扫描热量测定显示 ,蛋白质的 CBD和催化结构域是分别折叠的。,3.木聚糖的分类 根据对糖苷水解酶的催化结构域的氨基酸的同源性和疏水簇分析法,所有已知的糖苷水解酶可分为58个家族 木聚糖酶被归为第 10 (F家族)和第 11家族 (G家族) 一般来说, F家族的分子量高、 复杂,通常产生

4、比较小的低聚糖。G家族的木聚糖酶则对木聚糖有很高的特异性,通常这两个家族的木聚糖酶的催化区的氨基酸序列和催化基团的周围序列没有有意义的同源性,表明这两个家族在进化上来源于不同的祖先基因,并且有不同的折叠方式。,4.木聚糖的多样性 由于木聚糖结构的复杂性及木聚糖酶来源的广泛性 ,故木聚糖酶的种类繁多。微生物来源的木聚糖酶的分子量在 8145 K D,它们只含一个亚基。 一般来说 ： 分子量小于 30 K D的木聚糖酶为碱性木聚糖酶 ,它们通常含有 182234个氨基酸残基; 分子量大于 30 K D的木聚糖酶为酸性木聚糖酶 ,它们通常含有 269809个氨基酸残基。 细菌通常可以产生低分子量的碱

5、性木聚糖酶和高分子量的酸性木聚糖酶 ,而真菌则通常只产生低分子量的碱性木聚糖酶。,木聚糖酶 特异性木聚糖酶只作用于木聚糖底物； 非特异性的木聚糖酶除了可作用于木聚糖外还可作 用于纤维素和人工底物 ,为双功能酶。 对不同来源的木聚糖酶的研究 ,已经证明了木聚糖酶的多样性 ,木聚糖的异源性也可能是木聚糖酶多样性的原因之一 ,这些酶的差异性对于复杂底物的协同作用方而有重要的意义。,特异性木聚糖酶 非特异性木聚糖酶,三、木聚糖酶的酶学性质,1.木聚糖酶的最适作用 pH值 工业上应用的木聚糖酶在 pH值范围上有着不同的要求。 例如在饲料工业中 ,要求木聚糖酶在较低的 pH值范围内作为饲料添加剂 ；在造纸

6、工业中 ,要求木聚糖酶在碱性范围内起作用。 不同生物来源的木聚糖酶所能耐受的 pH值的范围一般是310,一般来说 ,真菌来源的木聚糖酶 pH值在46的范围内最有效。而来源于放线菌和细菌的木聚糖酶 pH值则在 59的更广范围内有效。,2.木聚糖酶的最适反应温度 来源于细菌和真菌的木聚糖酶的最适作用温度一般在 4060度之间 ,迄今为止 ,只发现 20余种细菌和不足 10种真菌能产耐热性木聚糖酶 ,真菌的木聚糖酶的耐热稳定性往往要比细菌的木聚糖酶的耐热稳定性要差些。 大多数已发现的耐热木聚糖酶都属于第 10家族。在嗜热性细菌中 ,第 10家族的木聚糖酶中普遍含增加热稳定性的结构域 ,它们与木聚糖酶

7、的催化结构域紧密地结合在一起。,3.木聚糖酶的等电点 不同木聚糖酶的等电点的变化范围在 pH310之间。 4.金属离子对木聚糖酶活性的影响 金属离子对不同来源的木聚糖酶的活性的影响各不相同。来源于 Trichoder ma和 A. niger的木聚糖酶的活性受 Hg2 +的抑制 ,而 Ca2 +则激活 A. niger的木聚糖酶的活性;来源于 A. lavatus的木聚糖酶的活性受 Co2 +和 Cu2 +的抑制;来源于 A. phoenicis的木聚糖酶的活性受 Ag+、 Hg2 +、 Mn2 +的抑制。不同离子之间的相互作用对木聚糖酶的活性也有影响。 研究表明:不同水平梯度的离子组合对木聚

8、糖酶活性有显著的影响。Fe2 +对木聚糖酶活性的影响最显著 ,其余较弱。,四、微生物木聚糖酶的生产,微生物木聚糖酶生产关键： 选择适合的木聚糖酶高产菌株、适合的诱导底物及最佳的培养基组成和培养条件。 细菌和真菌：诱导型木聚糖酶(少量为组成型 木聚糖酶） 真菌所产木聚藏酶的活性通常要高于细菌产的木聚糖酶。,青霉菌Paecilomyces thermophila J18能以天然的农业废弃物小麦秸秆为碳源固体发酵，得到了18580U/g （干基）碳源的木聚糖酶，是国际上为数不多的报道产木聚糖酶水平。 菌株Burkholderia sp. DMAX的固体发酵条件优化后，木聚糖酶活力最高达5600U/g

9、细菌Bacillus pumilus以麦麸为固体培养基碳源，在最适条件下，木聚糖酶活力为21431U/g。,五、木聚糖酶的应用,1.木聚糖酶在造纸工业中的应用 自 1986年芬兰科学家率先使用木聚糖酶预漂白硫酸盐浆以来 ,随着对木聚糖酶研究的深入 ,木聚糖酶在造纸工业中发挥着越来越重要的作用。制浆是造纸工业中的一道重要工艺 ,在硬木和软木纸浆中 ,沉淀的木聚糖是木质素抽提的主要障碍 ，加入木聚糖酶水解木聚糖 ,从而提高木质素的抽提率。作为纸浆漂白助白剂 ,木聚糖酶的前处理可以显著降低漂白用氯。若结合漂白工艺的改革 ,可进一步实现无氯漂白 ,不仅可以改善漂白效果还可以解决纸浆工业中的环境污染问题

10、。,2.木聚糖酶在饲料行业中的应用 植物细胞壁是由包括木聚糖和-2 葡聚糖的复杂多糖组成。非反刍动物由于缺少相应的消化酶类 ,故半纤维素饲料对它们几乎没有营养 ,木聚糖酶可以破坏植物中的细胞壁结构 ,改善农作物青贮饲料的营养成分 ,利于动物的消化吸收 ,显著提高各种饲料的利用率。同时木聚糖酶还能降解可溶性多糖 ,降低其粘性 ,减少畜禽肠道疾病 ,增进畜禽健康,提高畜禽成活率 ,减少粘粪,降低空气中氨气和硫化物浓度 ,减少粘粪排出和脏蛋 ,使畜禽体重均匀 ,减少环境污染。,3.木聚糖酶在食品行业中的应用 在面包食品中 ,木聚糖酶水解谷物面包粉中的木聚糖 ,产生木寡糖 ,使水在戊聚糖相和谷蛋白相中重新分布 ,从而改善面包的质地