木聚糖酶生产现状研究

张姝倩

(潍坊科技学院 山东寿光 262700)

1 木聚糖酶的酶学特性

木聚糖酶(xylanase)是指能使植物细胞壁半纤维素中的木聚糖降解为低聚木糖和木糖的一组酶的总称,具有专一性,属于水解酶类。根据国内外研究报到已知木聚糖酶可以由多种生物合成,以微生物为主,微生物中又以细菌及真菌为主要研究方向。大多数微生物来源的木聚糖酶有以下共性:单亚基蛋白,分子量范围8～145k Da,等电点pI为3～10;酶的pH稳定范围3～10,最适pH值为4～7。与细菌相比,真菌木聚糖酶的最适pH值偏酸性;酶的最适反应温度为40～75℃,而真菌木聚糖酶的热稳定性在一般条件下较细菌的差[1]。

2 木聚糖酶在生产生活中的应用

木聚糖酶是一种广为所知的工业用酶制剂,特别是在工业造纸上的应用,因其减少因漂白产生的二恶英对环境的污染,引起了业内广泛关注,也使得木聚糖酶的厂家成为了一个热点,并取得了一系列重要的进展。木聚糖酶的另一用途就是应用于饲料工业和食品工业上。例如在饲料工业中的应用,有报道称Van Paridon等学者1992年利用木聚糖降解酶来处理鸡饲料,解除抗营养因子,促进饲料的能量转化。食品工业中,木聚糖酶作为食品用酶被应用于一些生产加工过程中,例如果汁澄清、咖啡、植物油和淀粉提取加工;也可将黑曲霉木聚糖酶加入到面团中,作用是改善面色的质量,增大其体积,达到使其货架期延长的目的。随着亚麻制品越来越受到消费者的青睐,木聚糖酶在亚麻脱胶工业中的应用也日益受到研究者们的广泛关注。因为木聚糖是半纤维素的主要组分,木聚糖酶便成为了亚麻脱胶的关键酶之一,目前关于木聚糖酶在亚麻脱胶中的应用仍在进一步研究之中。木聚糖酶在生产燃料方面也极具经济价值,其原理是在纤维素酶和木聚糖酶的协同作用下可以使植物细胞壁中的纤维素、半纤维素彻底水解为单糖,在此之后可运用基因工程和发酵工程生产酒精,有关于这个课题的研究近年来一直吸引着众多专家学者。

3 微生物木聚糖酶的诱导

微生物木聚糖酶一般为诱导型,但也有少量组成型的木聚糖酶被人们发现。微生物木聚糖酶常见的诱导物是木聚糖,它是一种大分子聚合物,不能穿过细胞壁而直接进入微生物细胞内。由于木聚糖成分比较复杂,因此木聚糖酶的诱导也是相当复杂,微生物的诱导水平因其种类不同而差别较大,某种微生物的诱导物会成为另一种微生物产木聚糖酶的抑制剂。另外,我们也不能忽视底物衍生物及酶反应的终产物在木聚糖酶的诱导中起到的重要正向作用,然而浓度较高的同种的衍生物或终产物也可能成为微生物生产木聚糖酶的抑制剂[2]。

4 微生物木聚糖酶的生产现状

影响微生物木聚糖酶的产量的关键因素有几个方面:选择适合的诱导物、最佳培养基成分和适宜的培养条件。在发酵生产过程中,除以上必备的发酵条件外,还有一些因素对木聚糖酶的生产结果会有影响,相关因素有:低聚木糖的释放速率、数量及其化学特性,底物的可接近性等;在一些情况下,木聚糖酶与底物结合的紧密程度也会影响到微生物木聚糖酶的产量。除了一些因素之外,我们也不能忽视微生物菌体本身代谢所产生的酶,相关酶类的存在对于木聚糖酶的产量多少会有一定影响。

目前木聚糖酶酶制剂的生产大部分是由细菌及真菌等微生物发酵完成。根据发酵工艺不同,可分为深层液体发酵和固体发酵两大类。

固体发酵是传统的高效生产酶制剂的方法之一,与液体发酵相比有一些优点,其一单位体积的培养基的生产能力大大高于液体培养基;其二,固体发酵对工厂、机械设备和能源等的要求不高,所以生产成本低;其三固体培养基对含水量要求不高,从而不易污染水的可能存在杂菌等。在发酵底物的选择上,一些廉价产品均可以作为固体发酵培养基的主要成分,比如农业产品加工后的废弃物如玉米芯、玉米秸杆、甘蔗废渣、麸皮、豆粕等既是微生物生长所需要的碳源,又可以是固体发酵生产木聚糖酶的良好底物。由于这些优势,近年来国内外对固体发酵生产木聚糖酶的研究报道逐渐增加,固体发酵生产木聚糖酶的产量也较高。

液体深层发酵生产出来的酶相对于固体发酵生产出来的酶具有单一、稳定性好,容易检测和分离等优点。而且相对于固体发酵生产的粗犷来说,液体发酵的培养基组分更加稳定,生产出来的木聚糖酶质量稳定;伴随着液体深层发酵工艺的不断成熟,可以在发酵过程中对某些生长要素进行补给,从而提高了产量。

5 展望

近些年来国内外专家学者对木聚糖酶的研究与利用逐年增多,但是木聚糖酶作为一种发酵代谢产物,单位产量低、生物活性范围窄等缺点严重限制了木聚糖的生物转化,如要大规模工业化生产木聚糖酶还有很长的路要走。首先,想要提高木聚糖酶的生产水平,必须构建出高产菌株,可以通过紫外线诱变或基因工程的方法,并且确定最合适的培养基配比及代谢调控工艺,使之在生物反应器进行高效表达,这也是国内木聚糖酶工业化生产所面临的最紧迫的问题。第二,深入研究木聚糖酶的分离提取纯化技术,适当降低分离成本,通过下游技术的改善来提高木聚糖酶的产率。第三,在木聚糖酶的生产过程中,对培养基的原料组成进行优化,充分利用农业加工过程中的废料、弃料,能够节约生产成本,扩大生产规模。

[1]Kulkami N,Shendye A,Rao M.Molecular and biotechnological aspects of xylanase[J].FFMS Microbiol Rev,1999,23:411-456.

[2]Singh S.,Madlala A.M.,Prior B.A.Thermomyces lanuginosus: properties of strains and their hemicellulases[J].FEMS Microbiol. Rev.2003,27:3-16.