半纖維素酶的應用進展

zsp123

      植物是自然界主要的可再生有機資源,主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。半纖維素占植物干重的35%,在自然界中含量僅次于纖維素。與纖維素(B-1,4葡聚糖主鏈)相比,半纖維素結構與組成十分復雜,包括木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多種組分,而其中又以木聚糖和甘露聚糖兩種多糖與食品、飼料及制漿造紙工業(yè)關系最大[1,2,33],所以在此我們著重討論與木聚糖和甘露聚糖有關的半纖維素和半纖維素酶。
    木聚糖和甘露聚糖是含有不同糖殘基的分支雜多糖。木材中的甘露聚糖都是由吡喃甘露聚糖和吡喃葡萄糖通過B-1,4糖苷鍵交聯(lián)而成的葡甘露聚糖,軟木中的半纖維素主要是一些含有乙酰取代基或半乳糖取代基的葡甘露聚糖[4]。許多植物種子中的半纖維素主要是半乳甘露聚糖[3]。硬木中的半纖維素主要是木聚糖[2],木聚糖骨架主要由木糖通過B-1,4糖苷鍵連接而成,此外還含有乙?；?、阿拉伯糖殘基、葡萄糖醛酸殘基等多種側鏈取代基。B-甘露聚糖酶(1,4-B-D-mannanmannohydrolase:EC3.2.1.78)作用于甘露聚糖主鏈的甘露糖苷鍵而水解甘露聚糖;B-木聚糖酶(1,4-B-D-xylanxylanohydrolase:EC3.2.1.8)作用于木聚糖主鏈的木糖苷鍵而水解木聚糖。這兩類酶均為內切型酶,可隨機切斷主鏈內的糖苷鍵而生成寡糖,然后再由不同的糖苷酶(B-葡萄糖苷酶、B-甘露糖苷酶或B-木糖苷酶)以外切型機制作用于寡糖。由于半纖維素常含有側鏈取代基,如阿拉伯糖殘基、半乳糖殘基、葡萄糖醛酸殘基和乙酰殘基,所以半纖維素的復雜水解過程還需要分枝酶如阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、葡萄糖苷酸酶和乙酰木聚糖酯酶以除去側鏈取代基,這些酶協(xié)同作用才能最大限度地水解底物[5~7]。

　　1 半纖維素酶的應用
　　生物轉化在處理廢棄物方面體現(xiàn)了遠大的發(fā)展前景,應用半纖維素酶可將木質纖維性材料生物轉化為單細胞蛋白、乙醇或其他有用物質[4,8,9]。酶法水解半纖維素還可得到各種低聚糖,這些低聚糖作為功能性食品越來越受到人們的重視[10]。此外半纖維素酶還廣泛應用于食品和飼料工業(yè)中,半纖維素酶與果膠酶和纖維素酶一起可用于水果、蔬菜的浸軟及果汁(酒)的澄清;在改善烘烤食品的質地、結構,提高咖啡和植物油浸出率以及改善青貯飼料的營養(yǎng)價值等方面,半纖維素酶也都體現(xiàn)了廣闊的應用前景[11~14]。目前,應用半纖維素酶最廣、最成功的領域是紙漿業(yè)。人們已能成功地應用半纖維素酶對牛皮紙漿(kraftpulp)進行預漂白和獲得高純度纖維素漿,并嘗試開拓酶法去皮和酶法脫墨等新應用領域[15~19]。
　　1.1 在咖啡和面包生產(chǎn)中的應用
　　半纖維素酶在速溶咖啡生產(chǎn)中應用極廣。常規(guī)法生產(chǎn)速溶咖啡是將咖啡豆提取液濃縮后直接進行冷凍干燥或噴霧干燥,由于咖啡豆中含有大量的半乳甘露聚糖,從而造成提取過程中粘度過大,給隨后的濃縮和干
燥帶來困難。使用甘露聚糖酶可以分解咖啡中的半乳甘露聚糖產(chǎn)生低聚糖,因此可大大降低咖啡的粘度,而粘度的降低可使生產(chǎn)中濃縮和干燥效率成倍提高,相應也就降低了速溶咖啡的生產(chǎn)成本。在谷物食品(主要是面包)上,半纖維素酶也體現(xiàn)了其獨特的應用價值。面包食品的諸多特性在很大程度上受谷物面粉中戊聚糖和淀粉含量的影響,應用木聚糖酶可以水解谷物面粉中的木聚糖產(chǎn)生木寡糖,從而大大改善了面包的質地、結構和松軟度。
　　1.2 在飼料生產(chǎn)中的應用
　　早在1957年,Jensen[20]報道在飼料中添加酶制劑可以改善其營養(yǎng)價值。新近研究[21]表明,飼料中所含的大量戊聚糖是其營養(yǎng)價值低的主要原因;戊聚糖作為一類抗營養(yǎng)因子不能為家禽或家畜所消化吸收,且其粘度較大,會影響其他營養(yǎng)因子的利用。應用木聚糖酶粗酶制劑可以顯著改善黑麥飼料的營養(yǎng)價值從而提高飼料轉率。當然,對于不同的谷類飼料其影響因子也不同,例如,對于大麥飼料,B-葡聚糖是主要的抗營養(yǎng)因子,這就需要添加B-葡聚糖酶以清除其影響。
　　1.3 在溶解紙漿中的應用
　　溶解紙漿是由牛皮紙漿(kraftpulp)或硫酸鹽紙漿經(jīng)過進一步精制和純化而得的高純度纖維素漿,通過一步衍生反應可以形成多種可溶性衍生物,這些可溶性衍生物可用于生產(chǎn)各種人造絲、纖維酯或塑膠。生產(chǎn)中對溶解紙漿的純度要求極高,紙漿中木聚糖和甘露聚糖雜質的存在不僅會影響衍生反應的進行,而且還有可能產(chǎn)生不溶物阻塞加工設備或最終使產(chǎn)品形成色斑,有時還會給產(chǎn)品帶來熱不穩(wěn)定性,因此必須有效去除這些雜質。工業(yè)生產(chǎn)中,為使溶解紙漿纖維素純度達到98%,常需使用大量的氫氧化鈉處理紙漿,這造成了嚴重的環(huán)境污染,為此,許多學者轉而嘗試生物法處理紙漿。Paice和Jarasek[22]首次利用了酶法去除紙漿中的半纖維素雜質,但效果不太理想,酶解作用并未有效去除硫酸鹽紙漿中的木聚糖。究其原因,主要是因為木聚糖酶與木聚糖之間存在著空間位阻,使酶與底物不能充分接觸;實驗表明,適當延長浸潤時間,除木聚糖酶外,其他一些蛋白如肌紅蛋白、卵清蛋白和木素過氧化物酶都可進入紙漿纖維的次生壁并在片孔層中積累;紙漿中的纖維素基質與木聚糖緊密結合并相互交聯(lián),使木聚糖酶不能充分與木聚糖結合并作用,因而降低了酶解效率。如果先用少量纖維素酶對硫酸鹽紙漿進行處理,則可極大提高木聚糖酶的酶解效率,應用木聚糖酶或甘露聚糖酶純化紙漿纖維素,目的是盡可能去除殘留的木聚糖或甘露聚糖,雖然這些酶并不能將紙漿纖維中所有半纖維素水解成寡糖,但經(jīng)過酶的作用,這些半纖維素已經(jīng)有很大程度的解聚,這就大大方便了隨后的堿液抽提工作。今后,隨著研究的深入,木聚糖酶和甘露聚糖酶會在溶解紙漿生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
　　1.4 在紙漿預漂白中的應用
　　Fossum等人[23]指出以木聚糖酶對硫酸鹽紙漿進行預漂白是未來制漿和造紙工業(yè)的一個重要發(fā)展方向。硫酸鹽制漿技術在加拿大制漿和造紙工業(yè)中占主導地位,應用該技術不僅能生產(chǎn)出高強度的木材纖維,而且對所使用的化學藥品可以回收利用。對于硫酸鹽紙漿,尤其是軟木的硫酸鹽紙漿,漂白難度較大,為使紙漿亮度達90%以上,必須使用大量的氯和含氯化合物(如次氯酸鈣、次氯酸鈉和二氧化氯)進行漂白,這便帶來許多問題:首先,該法對纖維素降解較為嚴重,從而降低了紙張強度;其次,漂白廢液中含有有毒的有機氯化物,它們是潛在的致癌物質,同時漂白廢液的COD值很高,造成了嚴重的環(huán)境污染;再者,漂白廢液對設備腐蝕也較嚴重,不利于水的循環(huán)利用。為減少污染物的排放,許多學者提出了一些改良方法或替代技術,如用二氧化氯代替氯氣進行漂白,使用含氧漂白,漂白廢液進行生物處理等,然而這些方法也不盡如人意。使用含氧漂白(如過氧化氫、氧和臭氧)同樣也引起纖維素降解,導致紙漿得率低、粘度低及成紙機械性能差、費用高等缺點。目前看來,應用木聚糖酶進行預漂白前景最為樂觀。1986年,Chevalier等人[24]首次報道了木聚糖酶對硫酸鹽紙漿的漂白有增強作用。木聚糖酶可以通過提高紙漿可漂性而減少氯的需用量,從而減輕了對環(huán)境的污染,并可提高成紙的白度,同時又降低了生產(chǎn)成本,因此越來越受人重視。北美和歐洲的許多造紙公司已將該技術應用于生產(chǎn)實踐,結果表明可大大降低廢液中的有機氯含量,并且對紙漿強度無顯著影響。目前,歐洲的6家大型造紙公司和加拿大的4家大型造紙公司都已將木聚糖酶預漂白作為常規(guī)技術應用,不但提高了紙漿產(chǎn)量,同時也帶動了木聚糖酶制劑市場的發(fā)展。未來的紙漿漂白技術是面向低氯和無氯漂白,而研究表明木聚糖酶能大大提高低氯和無氯漂白紙漿的可漂性。Wong等人[25]的工作揭示,應用商品木聚糖酶CartazymesHS對白楊木的硫酸鹽紙漿進行預處理可使紙漿最終亮度達95%,并且減少了18%的氯用量;加拿大的Canfor造紙公司應用商品木聚糖酶Albuzyme10在pH5.5條件下對硫酸鹽紙漿預處理,結果使低氯漂白中的二氧化氯用量減少了16%,使漂白廢液中有機氯化物含量降低了14%;西班牙Miranda造紙公司應用木聚糖酶CartazymesHS對一種桉樹的硫酸鹽紙漿進行預漂白,最終使其亮度達到100%;Kopo-nen的工作[26]報道應用一步過氧化物漂白(無氯漂白)并不能使鐵杉木的硫酸鹽紙漿達到規(guī)定亮度,但如用木聚糖酶預漂白,則最終可使其亮度達95%以上?？梢?木聚糖酶在低氯和無氯高白度紙漿生產(chǎn)中有其重要作用。
　　2 結 語
　　木聚糖酶在食品、飼料和造紙工業(yè)中的廣泛應用開辟了半纖維素酶的應用新領域,尤其是酶法漂白用于造紙工業(yè)是一項新技術,它的研究、開發(fā)和利用已引起行家的關注。國內在這方面的研究才剛剛起步,相信在不久的將來,這項利于提高紙漿質量,同時又利于環(huán)保的新技術會得到廣泛應用。

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好文，在飼料中的應用多談些就更好了

鄭旭陽

引用自zsp123 發(fā)表于 2009-3-27 09:58的內容
       植物是自然界主要的可再生有機資源,主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。半纖維素占植物干重的35%,在自然界中含量僅次于纖維素... ...

對于飼料原料而言, 半纖維素的含量遠大雨纖維素, 配方中, 半纖維素=4--10%; 而纖維素=0.6--1.2%; 雖然在自然界中, 纖維素站植物干重=35%,