新一代饲用酶制剂-细菌性木聚糖酶

    木聚糖酶 

    摘要：近年来，细菌性木聚糖酶由于其良好的热稳定性和酶解效率等特点，展示了其在饲料及养殖业中广泛的应用前景，引起了国内外业界的关注。本文就细菌性木聚糖酶的结构特征、生化特性及其作用特点作一简要探讨，为细菌性木聚糖酶的应用提供理论参考。 
    关键词：术聚糖；细菌性木聚糖酶；稳定性；酶解效率；饲料 
  阿 拉伯木聚糖(Arabinoxylan，AX)是广泛存在于常用植物性饲料原料(玉米、小麦、菜粕和棉粕)中的非淀粉多糖(Non- starch polTsaccharides． NSP)，是限制营养物质有效利用的主要抗营养因子。木聚糖酶以其可有效降解阿拉伯木聚糖，消除阿拉伯 木聚糖对动物的抗营养作用．已成为一种在养殖业中广泛应用的酶制剂。以往主要采用真菌性木聚糖酶，近年来，细菌性木聚糖酶以其稳定性好、酶解效率高等特点 引起了业界的广泛关注。以下就细菌性木聚糖酶的结构特征、生化特性、作用特点及其在饲料中的应用作一简要探讨，为细菌性木聚糖酶的应用提供理论参考。 
  1细菌性木聚糖酶的生化特征 
  1．1酶源菌株 
  生命活动的过程就是酶促反应，而酶的耐温性能往往与酶源菌株生活 的适宜温度相关。目前，木聚糖酶主要来源于细菌和真菌。大多细菌属于体温型微生物，适宜生长温度在35～400C左右，比一般真菌(20~25℃)高．所 以在细菌更易于筛选出耐热性能好的产酶菌株。并且．细菌属于原核微生物，其细胞结构及基因重组简单，易于利用基因工程及诱变育种筛选出高产菌株。 
  1．2结构特征 
  在分子水平上，木聚糖酶由功能或非功能结构域和连接区组成，功能结构域又可进一步分为催化结构域和纤维素结合结构域fcellulose bind— 
mg domain，CBD) (Gilkes等，1991)。木聚糖酶的催化结构域决定酶的水解特性，并作为该酶分类的基础。木聚糖酶的氨基酸组成在数量上变化很大，但其催化结构域趋 向一致。CBD存在于许耋木聚糖酶分子中，它在功能和氨基酸组成上与纤维素酶分子中的CBD相似。非功能结构域主要是连接序列。连接区连接在催化结构域和 CBD之间，并赋予了蛋白质结构的柔韧性。 
    1 3生化特性 
    细菌和真菌来源的木聚糖酶只含一个亚基(sunna等，1997)，对于不同生物来源的木聚糖酶，分子量范围为8M45kD，pH范围为pH 3．10．5，稳定pH范围为3～10。大多数酶反应的最适 pH范围为4-7，最适温度为40~60~C。 
    根 据酶的理化特性，可分为两大类．即分子量小于30kD的酶和分子量大于30kD的酶，前者通常为碱性蛋白，后者通常为酸性蛋白(Wood等，1988)。 通常细菌可产生两种木聚糖酶．即低分子量的碱性木聚糖酶和高分子量的酸性木聚糖酶，但真菌一般只产生低分子量的碱性木聚糖酶。 
    2木聚糖酶学特性 
    很 多学者对内切木聚糖酶的酶解作用模式进行了广泛的研究(Coughlan，1992；Coughlan 和 Hazlewood，1993；Biely，1997)，通常，木聚糖酶对多聚木聚糖的内部口一l，4键有活性，这种木聚糖酶称为内切木聚糖酶。根据 其对不同多糖的活性，内切木聚糖酶又可分为特异性和非特异性木聚糖酶(coughlan，1992；Coughlan等，1993)。特异性内切木聚糖酶 仅对木聚糖的口一l，4键有活性．而非特异性内切木聚糖酶可以水解以口一1．4键连接的木聚糖、混合木聚糖的口一1，4键及其他以口一1，4连接的其它多 糖。一般来说，有效而彻底的分解木聚糖需要有不同特性的主链裂解酶和支链裂解酶的协同作用(coughlan等，1993；Cough．1an和 Hazlewood．1993)。 
    3细菌性木聚糖酶作为饲用酶的特点 
    3．1热稳定性及贮存稳定性 
    稳 定性对酶制剂特别是饲用酶制剂至关重要，是影响酶制剂使用效果的关键因素。目前，从嗜热性微生物如细菌、真菌和放线菌中均发现了许多木聚糖酶，它们具有很 高的热稳定性。但是真菌来源的木聚糖酶的热稳定性没有细菌来源的木聚糖酶高。在嗜热性细菌中，属于第10家族的木聚糖酶中普遍含有增加热稳定性的结构域， 它们与木聚糖酶的催化结构域紧密连接在一起。属于第10家族的木聚糖酶中由于普遍含有增加热稳定性的结构域，因而在热稳定性上要好于来自真菌、属于第11 家族的木聚糖酶。Himmelstein(1985)比较了一种细菌性木聚糖酶和一种真菌性木聚糖酶的热稳定性，结果表明在80℃的制粒温度下，细菌性木 聚糖酶的活性保留值为80％；而真菌性木聚糖酶仅保留5％左右f图1)。 
 
图l细菌性和真菌性木聚糖酶活性与温度的关系 
    笔者在对不同酶种进行包被制粒工艺的试验中，也明确地观察到细菌木聚糖酶酶活完全没有损失，而其它酶种都有程度不同的损失。 
    3．2较高的内切木聚糖酶比例．酶解效率高 
    细 菌性木聚糖酶主要由内切性木聚糖酶组成，分解木聚糖的效率高。细菌性木聚糖酶大多属于10族内切酶，由10族和11族内切酶的酶学特征比较可知，大多属于 10族的细菌性木聚糖酶的酶解效率要高于属于11族的真菌性木聚糖酶。Ingelbrecht等(2000)比较了分别来自枯草杆菌、曲霉菌和木霉菌的3 种木聚糖酶的水解效 
率，结果表明来自枯草杆菌的细菌性木聚糖酶的水解效率最高，能高效降解底物。此外，与真菌通常只产生低分子量的碱性木聚 糖酶不同，细菌一般既可产生低分子量的碱性木聚糖酶，也可产生高分子量的酸性木聚糖酶。因此，细菌性木聚糖酶相对具有更广的活性pH值范围，可更加有效地 在不同动物的胃肠道中发挥作用。 
    3．3彻底降解木聚糖 
    不但可作用于可溶性木聚糖(WEAX)，而且可作用于不 溶性木聚糖(WUAX)，进一步释放细胞壁中包裹的营养物质，显著提高饲料中能量和蛋白质的利用率。在各种植物原料中都存在 WUAX，他们和纤维素相互 作用包裹营养物质形成营养屏障，影响营养物质的吸收。细菌性木聚糖酶不但可应用于小麦型日粮，而且可广泛应用于豆粕、玉米、饼粕等植物原料为主的饲料 中。 
    3．4对酶活抑制剂不敏感 
    酶的本质是蛋白质，从理论上讲会受到内源性蛋白酶及其他酶抑制剂的影响。国外相关研究报道，细菌性木聚糖酶对于他们都不太敏感，当与这些抑制剂接触后，仍保留较高活性(图2、图3)。
 
图2内切木聚糖酶与抑制剂接触后保留活性(Debyser,1999） 

图3不同玉米提取物浓度对华扬一Nutrex—SM和酶R活性的抑制作用 
    酶R发生的抑制反应说明玉米中含有木聚糖酶的抑制剂，它对真菌性木聚糖酶抑制性很强．但华扬-Nutrex-SM的活性在玉米提取物中反而被进一步激活。 
    从 图3看出．植物籽实体中存在着对真菌性木聚糖酶的抑制剂．但对细菌性木聚糖酶不太敏感．这可能是植物体在几亿年的进化过程中形成的，即植物籽实体易受到自 然界真菌霉变感染，并受到真菌性酶的攻击，故产生相应的抑制剂以阻抑其活性，而植物的细菌性感染相对较少、就不产生相应抑制剂对其防备．故植物籽实体中的 抑制剂对细菌性木聚糖酶不太敏感，这实际是植物的一种特异性的保护机制。在饲料中使用木聚糖酶的效果将受到原料中抑制剂的影响，故选用 
对抑制剂敏感度低的酶很有意义。 
    3 5 pH适应范围广 
    细菌性木聚糖酶pH适应范围广，pH6．5左右呈现最高的活性．在胃部未达到最高值．但其稳定性很好，进入肠道后酶被进一步激活并呈现更高的酶活，使食糜在动物肠道内更好地被降解消化吸收。 
    随着我国养殖规模化的发展，充分利用非常规饲料资源，解决我国饲料资源匮乏和进一步提高养殖经济效益已成为我国畜牧业长期、持续和健康发展的关键。细菌性木聚糖酶作为新一代酶制剂以其良好的热稳定性和酶解效率等特点必将在饲料及养殖业中得到广泛的应用。 
    (参考文献略)