木聚糖酶在食品工业中的应用研究进展

高雅君，丁长河

河南工业大学 粮油食品学院 (郑州 450001)



木聚糖酶在食品工业中的应用研究进展

高雅君，丁长河

河南工业大学 粮油食品学院 (郑州 450001)

木聚糖酶广泛存在于自然界中，是一类可降解木聚糖的酶系，其主要来源为微生物，包括细菌、放线菌及真菌等，通过随机的方式对木聚糖的主链进行内切，使其降解为少量的木糖和不同链长的寡糖。不仅在饲料、造纸等行业有很好的应用前景，在食品工业中的应用也存在着很大的潜力。综述木聚糖酶的结构和特性及近几年其在面制品、功能性食品以及酿酒等食品工业中的应用。

木聚糖酶；特性；食品；应用

木聚糖(Xylan)是植物半纤维素的主要成分，约占植物干重的三分之一。是除纤维素之外自然界中最为丰富的多糖，也是自然界中最为丰富的可再生资源之一[1]。β-1，4-糖苷键连接β-D-吡喃木糖残基构成了木聚糖的主链，其侧链取代基多种多样。自然界中的木聚糖存在于植物细胞壁中，结构复杂，且大部分为异质多糖[2]。木聚糖的降解主要依赖于木聚糖酶酶解，由木聚糖的复杂性和多样性可知木聚糖酶是一系列降解木聚糖的酶的组合，而不是单一的酶。目前研究最多的木聚糖酶来自微生物中的真菌和细菌，真菌只能生产碱性木聚糖酶，细菌则既能生产碱性木聚糖酶又能生产酸性木聚糖酶。木聚糖酶随机切开木聚糖的主链，得到低聚木糖、木糖和阿拉伯糖降解产物。其在食品、饲料以及造纸领域都有着广泛的应用。木聚糖酶作为饲料添加剂应用在动物饲料中能够对粗纤维进行降解，从而促进动物对饲料中营养物质的吸收；木聚糖酶在纸浆漂白过程中协同其他酶能够减少化学试剂的添加，改善漂白品质和造纸工业对环境的破坏[3]；木聚糖酶对秸秆、玉米芯等农业废弃物进行降解生成可溶性戊糖来生产低聚木糖、乙醇等产品实现生物质资源再生[4-5]。木聚糖酶本身的应用价值和巨大的应用潜力决定了其在工业中应用的广泛性，随着我国基因工程、蛋白质工程等现代生物技术的发展，对于木聚糖酶基因改造的研究也愈加广泛[6]。

目前，已有大量的研究结果证明了木聚糖酶在食品工业中存在巨大的应用价值，如在面制品加工中作为面粉面团改良剂改善面制品的品质、促进功能性食品低聚木糖和膳食纤维的生产以及在酿酒工业中的应用等，现将木聚糖酶的结构、理化性质及其在食品工业中的应用研究进展综述如下。

1 木聚糖酶

1.1 木聚糖酶的结构

木聚糖酶系包含有β-1，4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡糖苷酸酶、乙酰基木聚糖酶和酚酸酯酶[7]，其中β-1，4-内切木聚糖酶为主要催化降解作用酶。图1为木聚糖酶的主要结构和降解方式[8]。

图1 木聚糖酶的主要结构特征及其降解酶系的作用方式

木聚糖酶的结构主要分为两个部分：功能结构域和连接结构域。功能结构域分为催化活性结构域和碳水化合物结合结构域。碳水化合物结合结构域对木聚糖酶对不溶性和可溶性底物的催化性具有一定的影响，可以根据结构域的相似性，对木聚糖酶结构域进行定向改组和修饰。不同来源的木聚糖酶的碳水化合物结合结构域不同，对木聚糖酶的理化性质也有不同的影响。

1.2 木聚糖酶的理化性质

微生物木聚糖酶的多样性主要在于其结构的复杂性和来源的广泛性。其次，影响微生物木聚糖酶多样性的因素还有不同基因的产物、糖基化和酰胺化的程度、微生物分泌蛋白酶的水解作用等。正是因为这么多因素的影响，来源不同的木聚糖酶的性质和组成也有所不同，目前，众多学者将重心集中在了细菌和真菌所产的木聚糖酶的理化性质的研究。主要包括以下几个方面：①分子量：木聚糖酶大部分都是分子质量在8～145 kDa范围内的单亚基蛋白；②耐酸碱性：来源于细菌的一般既有耐酸木聚糖酶，也有耐碱木聚糖酶。来源于真菌的通常为耐碱木聚糖酶。多数木聚糖酶的最适pH值为4～7，但是通常在pH值为8～10的范围内也能显示出很好的稳定性[9-10]。③耐热性：来源于细菌的木聚糖酶，大部分最适温度在40～60 ℃范围内，而来源于真菌的木聚糖酶的最适温度通常在50 ℃左右；④等电点(pI)：木聚糖酶的等电点通常都在3～10范围之内；⑤活性位点氨基酸组成：色谱测定结果显示，木聚糖酶活性区域的氨基酸主要有Asp、Glu、Gly、Ser和Thr等；⑥糖类成分：真核生物所产的木聚糖酶通常为糖基化酶，而原核生物如链霉菌种、耐碱嗜温杆菌种等所产的木聚糖酶则为糖蛋白。这些糖类基因可与蛋白质共价连接或与木聚糖酶形成能够解离的复合体。

2 木聚糖酶在食品工业中的应用

研究表明，木聚糖酶主要是作为面粉面团、面包烘焙以及馒头改良剂应用在面制品。国内外很多研究者都已经对木聚糖酶在冷冻面团、面包品质以及湿面筋改良作用及其机理进行了研究[11-16]。

2.1 木聚糖酶在面制品中的应用

杨选[17]等的研究结果表明，木聚糖酶能够改变冻融后面团蛋白各组分的含量，提高醇溶蛋白和可溶性戊聚糖含量，显著降低谷蛋白含量；显著降低冻融循环后非发酵面团的失水率和面团硬度，提高冻融面团强韧性；降低冻融面团质构劣变速度，改善面团的品质劣变。郑晗[18-19]的实验结果显示，木聚糖酶有显著提高面包中可溶性戊聚糖的含量的作用，并且随着酶的添加量的增加而增加，这是因为其能催化水不溶性木聚糖快速降解成低分子量的片段可溶性戊聚糖，其具有较强的持水力。王显伦[20]等人的研究发现，在面团的制作中加入一定量的木聚糖酶可以很好地改善面团品质。木聚糖酶降低了面团的吸水率、形成时间、稳定时间和弹性，增加了其延展性和弱化度；面团的G′、G″均降低而tanδ增大。另外，木聚糖酶的添加使淀粉凝胶化的起始温度升高，促进水分向面筋网络中的转移，从而提高面团的柔软度。王显伦[21]等报道了，在速冻馒头冻藏期间，添加一定量的木聚糖酶能够维持甚至提高馒头比容。并且具有显著提高湿面筋的持水率、馒头抗老化性与淀粉糊化度以及改善馒头色泽的作用。因此，木聚糖酶能够显著改善速冻馒头的品质。刘姣[22]等人的研究结果表明，麸皮经过木聚糖酶处理后，制成的全麦挂面的营养品质显著提高。

2.2 木聚糖酶在功能性食品中的应用

功能性食品(也称保健食品)是指具有特定保健功效，提高机体免疫力、补充营养物质、预防疾病、调节生理等功能的食品[23]。木聚糖酶的水解产物——低聚木糖是一种功能性低聚糖，是利用内切木聚糖酶水解木聚糖的β-1，4糖苷键而得到的以木二糖、木三糖、木四糖、木五糖为主要成分的混合物[24]。它在促进双歧杆菌等肠道益生菌增殖、降低血清胆固醇、调节血糖、促进肠道中钙的吸收和改善便秘等方面都有明显著效果[25]，图2为低聚木糖的有效成分及其结构：

利用木聚糖酶进行酶法生产低聚木糖的过程反应比较温和，且酶具有专一性，产物中低聚木糖的纯度较高，是目前生产低聚木糖的最常用的方法。但是，大量的研究表明，直接利用木聚糖酶对富含纤维

图2 低聚木糖的有效成分及化学化学结构

素的麸皮、玉米芯、玉米秸秆等植物原料进行酶解生产低聚木糖的效率非常低。所以，目前生产低聚木糖一般采用先对天然植物原料进行酸性或者碱性预处理破坏原料中的木质素和纤维素后，再对预处理液进行酶解制取低聚木糖[26]。孙军涛[27]等人的研究结果表明，在超声温度为60 ℃，超声功率为300 W，木聚糖酶与纤维素酶按照3∶2的比例组成复合酶，复合酶的添加量为1%，酶解时间为20 min，料液比为1∶15(g/mL)的条件下，制备的酶解液中可溶性总糖的含量为75.01 mg/g，还原糖含量为43.61 mg/g，产物的平均聚合度为1.72。唐艳斌[28]等报道，大豆秸秆碱性预处理液中加入嗜热踝节菌木聚糖酶，在实验条件为底物浓度1.0%，酶添加量30 U/mL，温度60 ℃，时间240 min时低聚木糖得率能达到24.2%。仪鑫[29]等利用木聚糖酶在一定加工条件下酶解黑小麦麸皮不溶性膳食纤维，在加酶量15.5 mg/L，酶解时间22 h，温度46 ℃，p H值4.8条件下，阿魏酰低聚木糖的浓度为0.491 3 mmol/L。

目前也有研究者将木聚糖酶应用到功能性食品膳食纤维的生产过程中，膳食纤维属于非消化性碳水化合物，其对人体有控制体重和血糖、润肠通便、预防肠炎结肠癌等功效[30-31]。王佳[32]等利用木聚糖酶协同纤维素酶对竹笋膳食纤维进行改性，结果表明，在一定工艺条件下，此复合酶能够显著提高竹笋膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量，改善竹笋膳食纤维的品质。

2.3 木聚糖酶在酿酒中的应用

刘国峰[23]等研究了木聚糖酶在啤酒中的应用。结果显示，中性细菌木聚糖酶具有显著提高啤酒产品中功能性低聚糖的作用，并且在酶解温度为50 ℃，木聚糖酶添加量为110 U/g时，低聚木糖的得率最高，为0.621 g/L。Galante[33]等报道，Cytolase219能够使提高果汁提取率、过滤率和葡萄酒的稳定性，降低压榨时间和果汁黏度。张丙云[34]等人在酿酒废弃物酒糟中添加木聚糖酶和纤维素酶同步提取蛋白质，结果表明，双酶同步能够显著提高蛋白质的提取率，达到30.24%。马文鹏[35]等也报道了，在酒糟中添加纤维素酶和木聚糖酶复合酶能够显著提高可发酵糖的得率，其最佳条件为：纤维素酶和木聚糖酶添加量分别为5%和4%，酶解48 h,固液比1∶20 (m/v)。还原糖和木糖得率分别为30.75%、23.59%。

2.4 木聚糖酶在动物饲料中的应用

在动物饲料中添加木聚糖酶能够使麦类饲料中的大分子物质木聚糖酶解成可溶性戊聚糖、单糖等小分子片段，从而提高动物对饲料的营养吸收率，促进动物的生长。同时，木聚糖酶的酶解产物低聚木糖可以通过调控动物机体营养素的代谢，改善肠道健康，降低幼崽的腹泻率，增强动物机体免疫力。国外有学者研究发现，在蛋鸡饲料中添加细菌性内切木聚糖酶能够降低非淀粉多糖的抗营养作用，且产生有益生元作用的低聚阿拉伯糖基木聚糖，它们在盲肠中发酵产生对蛋壳质量有益的丁酸。如果这种酶能够减少或者替代饲料中丁酸的添加，将会显著降低饲料价格[36]。

澳大利亚和欧美的动物营养学家指出，木聚糖酶的主要作用机制是降低消化道食糜黏度[37]。Lazaro[38]等研究发现，在鸡的麦类基础饲料中添加以木聚糖酶为主的复合酶制剂，可以显著降低小肠食糜粘度，提高饲料的表观代谢能，改善动物生产性能。

2.5 在其他食品中的应用

木聚糖酶除了在面制品、功能性食品及酿酒中的应用外，在糙米、红枣等其它食品的加工过程中也有应用的潜力。贾富国[39]等人将木聚糖酶与纤维素酶复合应用在糙米碾米过程中，在纤维素酶和木聚糖酶质量比为1.3∶1 (g/g)、质量浓度65 mg/mL、加酶量1.25%、酶解时间102 min时，对糙米碾米性能有显著的改善作用，并且节约能耗。赵梅[40]等人报道，利用纤维素酶和木聚糖酶复合酶对红枣渣进行酶解，可以显著提高红枣渣中可溶性膳食纤维(SDF)：不溶性膳食纤维(IDF)比值，纤维素酶和木聚糖酶添加量分别为0.29%和0.21%，酶解49.23 min后，SDF得率由6.79%提高到10.15%，红枣渣纤维体系的SDF:IDF比值近似1/3。

3 结束语

本文通过对当前木聚糖酶在食品中的应用现状总结，可以发现，木聚糖酶在面制品中的应用趋向于冷冻冷藏面制品以及全麦面制品方面；在功能性食品方面的应用主要为酶解不同的纤维素原料制备低聚木糖；在酒类生产中的应用主要集中在与其他酶的复合酶解从而改善酒产品的性质和生产废弃物酒糟的废物利用上；除此之外，木聚糖酶在糙米制品和红枣等保健类食品的加工生产中也发挥着重要的作用，对木聚糖酶在食品工业中的应用具有一定的指导意义。目前人们对于木聚糖酶的研究仍有许多难点，例如其在不同食品中的应用条件(酶解时间、酶解温度、添加量、底物浓度等)以及与其他酶系(果胶酶、纤维素酶等)的复合配比等问题还需进一步研究。另外，其生产成本相比于普通添加剂依然高昂，寿命较短，对作用环境(温度、湿度、酸碱度)要求较为苛刻。随着人们对木聚糖酶认识和研究的加深，其在食品工业中的应用将愈加广泛。

[1] Beg Q K, Kapoor M, Mahajan L, et al. Microbial xylanases and their industrial applications. Appl Microbiol Biotechnol[J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2001, 56(3-4):326-328.

[2] Dekker R F H, Lewis N G, Paice M G. Biodegradation of the hetero-1,4-linked xylans[J]. ACS Symposium Series. American Chemical Society,1989, 399:619-629.

[3] 叶世超, 薛 婷, 王晓斐,等. 酿酒酵母耐高温提高技术的研究进展[J]. 中国农学通报, 2013, 129(21):126-130.

[4] 闵兆升, 郭会明, 顾承真,等. 木聚糖酶及其在食品工业中的应用[J]. 食品与发酵工业, 2013, 39(10):168-173.

[5] 王 蕾, 王万贵, 季 祥,等. 木聚糖酶在制浆造纸工业中的研究状况[J]. 中国产业, 2011(2):45-47.

[6] 雷洁琼. 木聚糖酶的研究进展和应用[J]. 青海畜牧兽医杂志, 2016, 46(2):50-54.

[7] 聂国兴, 王俊丽, 明 红. 木聚糖酶的应用现状与研发热点[J]. 工业微生物, 2008, 38(1):53-59.

[8] 慕 娟, 问清江, 党 永,等. 木聚糖酶的开发与应用[J]. 陕西农业科学, 2012, 58(1):111-115.

[9] 孙 超, 陈卫平. 微生物木聚糖酶及其应用研究进展[J]. 中国酿造, 2013, 32(4):24-29.

[10] 范光森. 樟绒枝霉耐热木聚糖酶的纯化、性质和应用研究[D]. 北京:中国农业大学, 2014.

[11] Wang M, Vliet T V, Hamer R J. Evidence that pentosans and xylanase affect the re-agglomeration of the gluten network[J].Journal of Cereal Science, 2004, 39(3): 341-349.

[12] Selinheimo E, Kruus K, Buchert J, et al. Effects of laccase, xylanase and their combination on the rheological properties of wheat doughs[J]. Journal of Cereal Science, 2006, 43(2): 152-159.

[13] Steffolani M E, Ribotta P D, Pe rez G T, et al. Effect of glucose oxidase, transglutaminase, and pentosanase on wheat proteins: Relationship with dough properties and breadmaking quality[J]. Journal of Cereal Science, 2010, 51(3): 366-373.

[14] Dong W, Hoseney R C Effects of certain breadmaking oxidants and reducing agents on dough rheological properties[J]. Cereal chemistry, 1995, 72(1): 58-63.

[15] Cristina P M, Wang M W,Wim J L, et al. An explanation for the combined effect of xylanase-glucose oxidase in dough systems[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2005, 85(7): 1186-1196.

[16] 李珍妮. 含有重组华根霉脂肪酶和转谷氨酰胺酶的冷冻面团抗冻性的研究[D]. 无锡：江南大学，2012.

[17] 杨 选, 叶晓枫, 韩永斌,等. 两种酶制剂对非发酵面团冻融循环后品质的影响[J]. 农业工程学报, 2015,31(6):304-310.

[18] 郑 晗. 低温木聚糖酶对面包品质的影响[D]. 济南：山东师范大学，2010.

[19] Steffolani M E, Ribotta P D, Perez G T, et al. Use of enzymes to minimize dough freezing damage[J]. Food and Bioprocess Technology, 2012, 5(6): 2242-2255.

[20] 王显伦, 任顺成, 潘思轶,等. 木聚糖酶对面团流变性和热力学特性的影响[J]. 食品科学, 2015, 36(7):26-29.

[21] 王显伦, 王 玮, 潘思轶. 木聚糖酶对速冻馒头品质影响及其作用机理[J]. 中国粮油学报, 2016, 31(4):6-9.

[22] 刘 姣, 汪丽萍, 吴卫国,等. 麦麸木聚糖酶处理条件对全麦挂面品质的影响[J]. 粮油食品科技, 2016, 24(3):79-85.

[23] 刘国锋, 王 颖, 郭学武,等. 木聚糖酶在功能性啤酒中的应用[J]. 酿酒科技, 2013(2):65-66.

[24] 张 玲, 丁长河, 阮文彬. 低聚木糖的应用研究和产品开发进展[J]. 粮食与油脂, 2015,28(2):9-12.

[25] 王洪媛, 陈晓畅, 杨翔华. 低聚木糖的功能特性及木聚糖酶的生物制备[J]. 食品研究与开发, 2003, 24(1):32-35.

[26] Vázquez M J, Alonso J L, Domí Nguez H, et al. Xylooligosaccharides: Manufacture and applications[J]. Trends in Food Science & Technology, 2000, 11(1):387-393.

[27] 孙军涛, 张智超, 王敬敬. 超声波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖[J]. 食品工业, 2015,36(3):37-40.

[28] 唐艳斌, 滕 超, 黄 建,等. 大豆秸秆木聚糖碱法提取及酶解工艺研究[J]. 中国食品添加剂, 2016(5):92-97.

[29] 仪 鑫, 孙元琳, 陈树俊,等. 酶法制备黑小麦麸皮阿魏酰低聚木糖的工艺优化[J]. 食品工业科技, 2016, 37(6):191-200.

[30] Rodriguez R, Jimenez A, Fernandezbolanos J, et al. Dietary fibre from vegetable products as source of functional ingredients[J]. Trends in Food Science & Technology, 2006, 17(1):3-15.

[31] Satya S, Bal L M, Singhal P, et al. Bamboo shoot processing: Food quality and safety aspect (a review)[J]. Trends in Food Science & Technology, 2010, 21(4):181-189.

[32] 王 佳, 张颜笑, 郑 炯. 酶解处理对竹笋膳食纤维理化特性的影响[J]. 食品与发酵工业, 2016,24(9):104-108.

[33] Galante Y M, Formantici C. Enzyme applications in detergency and in manufacturing industries[J]. Current Organic Chemistry, 2003, 7(13):1399-1422.

[34] 张丙云, 裴芳霞, 任海伟,等. 超声波预处理对双酶法提取酒糟中蛋白质的影响[J]. 酿酒科技, 2016(5):99-103.

[35] 马文鹏, 裴芳霞, 任海伟,等. 双酶复合水解酒糟制备可发酵糖的工艺研究[J]. 酿酒科技, 2016(4):89-92.

[36] 王晶晶. 在蛋鸡饲料中使用细菌性内切木聚糖酶[J]. 国外畜牧学:猪与禽, 2016, 36(3):45-47.

[37] Bedford M R. Exogenous enzymes in monogastric nutrition-their current value and future benefits[J]. Animal Feed Science & Technology, 2000, 86(2):1-13.

[38] R. Lázaro, M. García, M.J. Araníbar, et al. Effect of enzyme addition to wheat-, barley-and rye-based diets on nutrient digestibility and performance of laying hens[J]. British Poultry Science, 2003, 44(2):256-65.

[39] 贾富国, 史宇菲, 韩燕龙,等. 非浸泡复合酶法预处理改善糙米碾米性能[J]. 农业工程学报, 2015,31(16):264-271.

[40] 赵 梅, 许学勤, 许艳顺,等. 纤维素酶-木聚糖酶对红枣渣膳食纤维的酶法改性[J]. 食品与发酵工业, 2014, 40(5):11-15.

Research progress on the application of xylanase in food industry

Gao Yajun, Ding Changhe

College of Food Science and Technology, Henan University of Technology (Zhengzhou 450001)

Xylanase widely exists in nature, and is one of the enzyme group in the degradation of xylan, whose main source is microorganisms, including bacteria, actinomycetes and fungi, etc. The xylan backbone was cut through the random way, making the degradation of a small amount of xylose and different chain length of oligosaccharide. Xylanase not only has a good application prospect in feed, paper and other industries, but also has great potential in food industry. The structure and characters of xylanase were summarized as well as the application in food industry such as flour products production, xylo-oligosaccharide production and so on in recent years.

xylanase; characteristic; food; application

2017-01-03

高雅君，女，1989年出生，硕士研究生，研究方向为功能性食品添加剂。

TS201

A

1672-5026(2017)02-032-05

*通讯作者：丁长河，男，1968年出生，副教授，主要从事多糖、低聚糖等方面的研究工作。