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担，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。

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部分对于的整体的谷物,但它们是构成植物细胞壁的重要组成部分(Izydorczyk和Biliaderis 1995)。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贡献者，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%(Haltrich 1996年)。

图1 O-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部分溶解在水中(考夫兰和Hazlewood 1993)。

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1 b)。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,使得树胶醛醣的边部分很容易被酸水解。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(Antranikian 1997)。

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(Antranikian 1997)。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(Dalboge 1997)。

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。该系统的组成部分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,可能是因为获得合适的底物非常困难。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;EC 3.2.1.8)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1 b)。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)n OH +H2O==>H (C5H8O4 )n-p OH +H(C5H804)p OH

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;这样的反应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)根据其反应的产物把他们分成两种类型:①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:基本的酶,MW< 30 kDa,和木聚糖内切酶,MW > 30 kDa。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Torronen Henrissat、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之间最活跃，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分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mR NA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)。