木聚糖酶的分类及其在面包烘焙中的应用

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1、木聚糖酶的分类及其在面包烘焙中的应用聂文秀 【摘要】木聚糖酶(E.C.3.2.1.8)是一类重要的降解线性P-1,4-木聚糖生成木糖、木 二糖或低木聚糖等的木糖苷水解酶，并因其巨大的工业潜在价值而得到越来越多研 究者的关注.本文详尽地对目前被发现的木聚糖酶进行家族分类研究，阐述各家族成 员水解特点,并综述了木聚糖酶在面包烘焙中的应用进展.【期刊名称】广州化工 【年(卷)，期】2013(041)001 【总页数】2页(P17-18) 【关键词】木聚糖酶;木聚糖酶家族;面包烘焙 【作者】聂文秀【作者单位】上海交通大学生命科学技术学院，上海200240【正文语种】中文【中图分类】Q814.9木聚糖酶

2、，也称P-1,4-D-内切木聚糖酶，它主要以内切方式作用于木聚糖主 链内部的P-1,4 -木糖苷键，其主要水解产物为低聚木糖、木糖、木二糖等。 通常情况下，木聚糖酶最适温度在40 80C之间，最适pH为4.0 6.5，极端环 境下分离的木聚糖酶除外。能够表达木聚糖酶的微生物很多，研究者不仅从自然界 分离到不少高效表达木聚糖酶的菌种，还利用基因工程构建出了许多新的菌株，使 木聚糖酶的研究生产逐步向人们期望的方向发展1。本文详细综述了木聚糖酶 的分类及其在纸浆预漂白中的应用研究进展。1木聚糖酶的分类木聚糖酶种类繁多，研究者根据木聚糖酶不同的特性可对木聚糖酶进行不同的归类， 最常用的分类方式是Hen

3、rissat和Bairoch根据糖苷水解酶及其相关酶催化结构 域氨基酸序列的相似性将糖苷水解酶家族(Glycoside Hydrolase families , GHs) 进行不同的划分2。绝大部分木聚糖酶属于第10、11组，即GH10和GH11, 分别包含高分子量和低分子量木聚糖酶。随着对木聚糖酶研究的逐渐深入，近年来， 在GHs家族的其他家族中也陆续发现了木聚糖酶的存在，已有报告的木聚糖酶还 分布在GH 5、7、8、30和43族。1.1 GH10族木聚糖酶GH10木聚糖酶多为高分子量(分子量大于30 kDa)水解酶，等电点较低，不仅有 催化结构域(Catalytic Domains , C

4、Ds),还常有碳水化合物结合结构域 (Carbohydrate - Binding Modules , CBMs)3。GH10 族木聚糖酶的 CDs 大 小在32-39 K之间，X -射线对GH10晶体CDs结构进行分析，发现该家族木 聚糖酶CDs结构为由8倍a/p折叠桶。相比于GH11族木聚糖酶，GH10木聚糖 酶的底物特异性更小，两大类家族木聚糖酶对底物木聚糖的识别不在于木聚糖支链 残基的种类和木聚糖本身的长度，而是在于木聚糖侧链取代基的数量和密集程度， GH10的底物木聚糖的断裂需要主链上必须存在至少两个连续的无取代基的毗喃木 糖残基;然而GH11木聚糖酶则需要底物主链三个连续无取代基的

5、毗喃木糖残基存 在。1.2 GH11族木聚糖酶GH11木聚糖酶多为单结构域蛋白，相对分子量一般小于30KDa，等电点较高3。相比于GH10族木聚糖酶，GH11有更大的多样性，可进一步划分为A、 B、C、1、2、3、I、H、B和IV4。不同亚类的GH11木聚糖酶在等电点、 热稳定性、最适pH,空间结构和催化特点等方面都存在很大差异。GH11木聚糖 酶CDs序列都保留谷氨酸作为催化残基，且碱性木聚糖酶都在第100位点存在天 冬酰胺，酸性木聚糖酶则普遍存在天冬氨酸残基;半胱氨酸在这些序列中不常见， 二硫键也不是可以解释某些嗜热木聚糖酶热稳定性的直接因素;真菌和细菌木聚糖 酶各自都形成不同的亚家族。其

6、中，亚家族I、H、B和V包含了大部分的真菌木 聚糖酶，细菌木聚糖酶则可划分为A、B和C三个亚家族4。了解GH11族木 聚糖酶的分类及其在微生物中的分布有利于更好的选择性寻找有潜在工业应用前景 的木聚糖酶。1.3其它GHs木聚糖酶近年来，随着对木聚糖酶的研究趋于全面，越来越多的存在于其它糖苷水解酶家族 (GHs)中的P-1,4-D-内切木聚糖酶已经被报道。除了最常见的GH10和 GH11族木聚糖酶，存在有木聚糖酶的其它GHs还有5、7、8、30和43家族。 这些不常见的木聚糖酶常有更特殊的底物特异性。GH5木聚糖酶水解底物通常为主链被糖苷配基修饰的木聚糖。Larson等5报 道了第一个被结晶的G

7、H5木聚糖酶的空间结构，该酶蛋白由CDs和CBMs两部 分组成，CDs包含一个8倍a/p折叠桶结构，CBMs空间结构为&-折叠，由N -端和C-端氨基酸残基形成，在GH5木聚糖酶晶体结构中，CDs与CBMs紧密 连接，这说明两者在酶反应过程中同步作用进行底物的结合与裂解。而在GH10 含有CBMs结构的木聚糖酶中，CDs和CBMs总是由一段保守的连接蛋白相连， 两者在空间上存在一定的距离。GH7家族主要成员是葡聚糖外切酶(又称纤维二糖酶，cellobiohydrolases)和葡 聚糖内切酶(endoglucanases)，催化域空间结构为p-卷饼型。青霉属菌 Penicillium funi

8、culosum分泌的木聚糖酶XynA是至今被发现的唯个属于GH7家族的木聚糖酶6。该GH7木聚糖酶同时也有葡聚糖水解活性，但是其 葡聚糖水解活性远不如它水解木聚糖活性高。GH8族木聚糖酶的晶体结构为6倍a/a折叠桶，各木聚糖酶之间底物特异性区别 较大，且不同于GH10和GH11族木聚糖酶，其主要成员包括P-1,4-内切木 聚糖酶和外切木聚糖酶，后者作用时通过从非还原端逐个释放木糖的方式降解低木 聚糖。目前被报道出的GH8族木聚糖酶只有四个，其中为两个内切木聚糖酶另外 两个为外切木聚糖酶，从非还原端逐个释放木糖。四种GH8木聚糖酶有着很高的 序列同源性和蛋白折叠方式，两类不同的水解方式表现在它们

9、空间结构的微小差异 7。GH30族木聚糖酶为8倍a/p折叠桶与侧边P-折叠相连结构，且侧边P-折叠结 构在酶催化反应中发挥关键作用，大部分GH30木聚糖酶要求底物木聚糖主链被 葡糖醛酸或4-甲基-葡糖醛酸修饰，即该族木聚糖能特异性催化葡糖醛酸木聚糖 水解，最近也报道出一株真菌Bispora sp.分泌的GH30木聚糖酶能识别没有被葡 糖醛酸修饰的木聚糖8。酶反应时木聚糖主链的断裂发生在被4-甲基-葡糖 醛酸修饰的木糖残基旁边还原端第二个糖苷键上。GH43家族糖苷水解酶的空间结构为5倍P-螺旋桨，其催化域结构特点像一个紧 密的口袋，可以将识别的基团包裹。属于GH43族的木聚糖酶目前还没有被彻底

10、研究，被发现的唯一一个GH43木聚糖酶不但可以裂解木聚糖，还兼该家族其它 成员a-L-阿拉伯呋喃糖酶的催化能力，该酶在Bacillu polymyxa中被表达和纯 化，对燕麦木聚糖和阿拉伯呋喃糖均有较强催化活性，该酶的晶体结构和催化机制 还没有被报道9。2木聚糖酶在面包烘焙中的应用长期以来，木聚糖酶广泛应用于面包烘焙工业中。现在，已有大量的研究者报道了 不同的木聚糖酶在面包烘焙中的加入对改善面包品质的影响。在面粉中添加适量的 木聚糖酶有利于减少面粉中的阿拉伯木聚糖，增加不溶性阿拉伯木聚糖的可溶性， 降低生面团的硬度，增加面包体积，改善面包芯质地，从而显著改善生产条件，使 生面团不再附着于器壁，

11、烘焙出品质优良的面包10。面包烘焙过程中与面包老化息息相关的是面包芯硬度的逐渐增加，在面粉中加入适 量的木聚糖酶可以起到抗老化的作用，研究表明，大多数加入的木聚糖酶都可以促 进生面团的软化，因为面包烘焙中使用的木聚糖酶都特异性的水解不溶性阿拉伯木 聚糖，木聚糖酶的加入使得附着于生面团中的不溶性阿拉伯木聚糖减少，从而达到 软化生面团的目的11。Laurikainen等12在生面团搅拌过程中加入从 Aspergillus foetidus中分离纯化的木聚糖酶，与不加木聚糖酶相比，加入木聚糖 酶的生面团达到相同的黏稠度需要补充的水明显减少，而且水分可以在烘焙过程中 均匀分布，使得面包体积显著增加。这

12、可能是因为加入的木聚糖酶可以水解面粉中 的不溶性阿拉伯木聚糖使得其吸收的水分得以释放并重新分布。3展望对木聚糖酶进行根据不同的特性进行归类有利于研究者更好的了解木聚糖酶水解机 制，也为寻找有特定工业用途的木聚糖酶提供理论基础和研究方向。到目前为止， 从自然环境下筛选和通过基因工程改造表达的木聚糖酶并没有得到大规模的生产， 这是因为木聚糖酶是一种微生物代谢产物，单位产量低，再加上酶本身的稳定性差， 使用寿命短等，这些因数都限制了木聚糖酶在工业生产中的应用。日后的研究重点 趋向于朝寻找成熟的工程技术和发酵方法，得到高效表达木聚糖酶的菌株;改进酶 蛋白分离纯化方法减少下游分离成本，提高产率等方向发展

13、。参考文献1 Polizeli , M.L.T.M. , et al.Xylanases from fungi:properties and industrial applications J .Applied Microbiology and Biotechnology , 2005 , 67(5):577 - 591.2 Henrissat B , B.A.New families in the classification of glycosyl hydrolases based onJ .Biochem.J. , 1993 , 293:781 - 788.3 Subramaniyan

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