木聚糖酶是一类降解木聚糖分子中β-1,4木糖苷键的酶系,可将木聚糖水解为低聚木糖、木寡糖、木二糖,以及少量阿拉伯糖和木糖。因此木聚糖酶被广泛应用于生物能源、食品、饲料、制药、制浆、造纸、纺织等行业中,已成为国内外众多学者的研究热点。
一、木聚糖酶在造纸工业中的应用
木聚糖酶应用于造纸工业中可提高漂白效果、进行废纸脱墨和改善纤维性能。酶法脱墨浆比化学法脱墨浆可漂性强,南京林业大学化学工程学院的的顾琪萍等人的研究表明,酶法脱墨浆的白度比对照浆高出了3.2%,残留油墨量降低73.8%,且与化学脱墨相比得率高、返黄值低。南京林业大学的葛培锦等人研究发现,在碱法制备麦草浆时,采用木聚糖酶预处理原料可较好地改善麦草浆H2O2漂白的效率。纸浆经木聚糖酶处理后,由于纸纤维的内、外部均发生细纤维化,纤维柔韧性增加。
二、木聚糖酶在食品工业中的应用
1.面包制作
木聚糖酶在食品工业中主要应用于改良小麦面粉。江南大学的张勤良等人在研究不同浓度的中性木聚糖酶对面粉粉质、焙烤品质以及贮存过程中老化程度的影响时,发现中性木聚糖酶能显著地改善面粉的粉质和焙烤品质;酶添加范围为0.05~0.48ml/kg(面粉)时,能增加面包的抗老化作用。
北京工商大学的李秀婷等人研究证明,适量添加耐热木聚糖酶的面包品质得到了明显改善,并且老化速度变缓,老化速率常数相比对照组下降幅度高达48%。
2.保健品
华南理工大学的陆登俊利用木聚糖酶选择性降解原料甘蔗中的木聚糖,制备功能性食品添加剂低聚木糖,并对其性质进行研究。结果表明:木聚糖酶对原料甘蔗渣进行酶解,产品纯度高,甜味纯正,具有良好的pH稳定性、热稳定性和优良的保存性能。
3.果蔬加工
木聚糖酶是一种重要的果酱酶,与其它酶制剂复合使用可以起到很好的效果。江南大学的秦岚等人在用酶法制取胡萝卜混汁时发现,采用含有木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的混合酶可制得具有一定营养价值、色泽鲜艳、混浊稳定性好,且无胡萝卜本味的胡萝卜混汁。江南大学的王素雅等人研究果酱酶在香蕉汁澄清过程中的作用,结果表明:香蕉浆中加果酱酶在45℃放2小时获得的香蕉汁品质较高,不但没有流失丰富的营养成分,且澄清度和得率也得到了有效提高。
4.酒类生产
在酿造白酒时,添加多种多糖水解酶类如木聚糖酶与纤维素酶,可打破细胞结构,使各种有效成分更多地溶出,同时加速淀粉酶的作用,加速发酵,提高酒精产率。同样,外源性木聚糖酶和相关多糖酶在啤酒和葡萄酒的酿制中可有效提高酒的质量及生产效率。木聚糖酶在麦芽汁制备过程中可使细胞内容物和各类水解酶得到有效的释放从而减少糖化时间。
天津科技大学的王颖等人探讨了木聚糖酶对玉米原料酒精发酵的影响,结果表明:木聚糖酶在发酵开始时加入,添加量为170U/g,料水比为1:2.5,初始pH值为自然时,原料出酒率提高5.93%,发酵周期缩短了12小时,可见木聚糖酶对玉米原料酒精发酵有明显地促进作用。
三、木聚糖酶在饲料中的应用
饲料中一般含有较多的非淀粉多糖(SNSP),主要包括阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、α-半乳糖苷、果胶、纤维素等,其中前两者占30%。影响动物对养分进行消化的主要是不溶性非淀粉多糖,木聚糖是较为重要的SNSP。
1. 猪饲料
河南农业科学院畜牧兽医研究所的王修启等人研究发现,小麦日粮猪的日增重与添加木聚糖酶呈显著正相关,料重比显著降低,适当增加酶的添加量可提高生产性能和经济效益。
华南农业大学动物科学院的冯定远等人采用一种含木聚糖酶和β-葡聚糖酶等多种酶的酶制剂,以32.6 公斤体重的猪为试验动物,日粮类型按玉米、豆柏和麸皮型进行设计,结果显示粗纤维、粗蛋白、干物质消化率分别提高48.9%、16.5%和11.3%。
安徽科技学院的胡忠泽应用一种含木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、α-淀粉酶、酸性蛋白酶、甘露聚糖酶的复合酶制剂,研究复合酶对日粮养分表观消化率的影响。结果显示:粗纤维、粗蛋白质以及干物质表观消化率分别提高36.76%,17.23%和9.75%,同时增重和饲料转化率分别提高8.29%和8.89%,表现出显著或极显著的效果。
2.牛羊饲料
牛羊为反刍动物,瘤胃中微生物产生的酶可降解多糖为可吸收的还原糖。饲料中添加外源木聚糖酶可提高饲料转化率。石河子大学的祈凤华等人在研究多糖降解酶对苜蓿干草营养物质瘤胃降解率的影响时,按4×4拉丁方设计,设一个对照组,饲喂基础日粮添加1.65ml纤维素酶,试验l、2、3组日粮分别在对照组的基础上再添加木聚糖酶、β-葡聚糖酶和果胶酶。试验结果表明:与对照组相比,试验1、2、3组苜蓿干草中干物质、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维的消失率及有效降解率均显著提高。
3.禽类饲料
中国农业大学动物科技学院的何丽霞等人研究了2种木聚糖酶在5种能量饲料和6种产蛋鸡日粮中代谢能的当量值,结果表明:2种木聚糖酶都显著提高了蛋鸡对小麦和玉米小麦豆粕、玉米小麦豆粕棉粕、玉米小麦豆粕菜粕型日粮的代谢能。
沈阳农业大学畜牧兽医学院的杨桂芹等在肉鹅饲料中添加木聚糖酶,试验表明:木聚糖酶在解除木聚糖抗营养作用的同时,饲料中的蛋白质与消化酶相互作用加强,提高了饲料蛋白质的消化率。加木聚糖酶可使肉鹅淀粉酶和蛋白酶活性升高,当添加量为0.1%时,肉鹅内源淀粉酶活性最高,比小麦组高出20.57%,比玉米组高出12.05%;当添加量为0.2%时,肉鹅蛋白酶活性最高,比小麦组高出34.48%,比玉米组高出29.40%。
4.水产饲料
宁波大学生命科学与生物工程学院的刘伟成等人在研究木聚糖酶对条石鲷幼鱼能量收支的影响时,在人工颗粒饲料中添加不同量的木聚糖酶(0.5‰、1.0‰、1.5‰),发现可改善条石鲷幼鱼的生长、摄食、转化效率及能量收支分配率,木聚糖酶的最佳添加比例为1‰。
上海海洋大学的钟国防在研究木聚糖酶和复合酶制剂PS对尼罗罗非鱼生长性能、消化率以及肌肉营养成分的影响时,在基础饲料中分别添加0.05%、0.10%、0.15%剂量的木聚糖酶或复合酶制剂,饲养尼罗罗非鱼60天后测定鱼体指标和营养成分,发现在木聚糖酶量为0.1%时尼罗罗非鱼的生长性能、蛋白质消化率达到最大值;尼罗罗非鱼的生长性能、蛋白质消化率随着复合酶制剂PS添加浓度的增加而呈上升趋势,在添加量为0.15%时上升缓慢,且鱼体肌肉营养成分没有受到添加酶的影响。
四、其他方面的应用
在生物转化处理废弃物方面,木聚糖酶可用于将木质纤维性材料生物转化为单细胞蛋白(SCP)、乙醇等液体或气体燃料、溶剂或其他有用物质,十分具有发展潜力。另外,木聚糖酶在去污洗涤、纺织工业中也具有广泛应用前景。
五、展望
目前,工业上直接利用木聚糖酶还存在一些问题,如稳定性差、底物特异性低、寿命短和成本高等。作为一种微生物制剂,木聚糖酶对温度、湿度和酸碱度都有一定的要求。为了适应应用的需要,常需筛选耐高温的菌种,或采用基因工程及蛋白质工程手段改造木聚糖酶的属性,以满足各种因素对木聚糖酶的要求。另外,目前国内木聚糖酶活力测定方法不统一,使用的酶活单位也不同,因此需进一步统一木聚糖酶活力测定的国家标准。随着木聚糖酶研究的不断深入,该酶在能源、食品、环境等诸多领域将发挥出更大的作用。