摘要：近年來，細菌性木聚糖酶由于其良好的熱穩定性和酶解效率等特點，展示了其在飼料及養殖業中的廣泛應用前景，引起了國內外業界的關注。本文就細菌性木聚糖酶的結構特征、生化特性及其作用特點作一簡要探討，為細菌性木聚糖酶的應用提供理論參考。

關鍵詞：木聚糖  細菌性木聚糖酶  穩定性  酶解效率  飼料
阿拉伯木聚糖（Arabinoxylan，AX）是廣泛存在于常用植物性飼料原料（玉米、小麥、菜粕和棉粕）中的非淀粉多糖（Non-starch polysaccharides，NSP），是限制營養物質有效利用的主要抗營養因子。AX的通常根據溶解性分為水溶性阿拉伯木聚糖（Water—extractable  Arabinoxylan，WEAX，約占總AX的25—30％）和不溶性阿拉伯木聚糖(Water—unextractable  Arabinoxylan，WUAX，約占總AX的70—75％)。大量研究證實可溶性AX可增加小腸內容物粘度，從而阻礙營養物質與消化酶結合及營養物質在小腸粘膜上的消化吸收（Danicke等，1995），而且粘度的增加會抑制內源消化酶的活性（Almiral，1995），降低食靡的通過速度，降低動物采食量，增加胃腸代謝和內源損失（Low等，1989；Silah等，1991；Belford，1996），此外，植物原料中不溶性AX包裹淀粉、蛋白質等營養物質，阻止營養物質與消化酶的接觸，降低營養物質的消化率（Mulderd等，1991）。因此，消除阿拉伯木聚糖的抗營養作用對進一步提高飼料資源利用率、拓寬飼料資源和提高養殖經濟效益具有重要意義。
木聚糖酶以其可有效降解阿拉伯木聚糖，消除阿拉伯木聚糖對動物的抗營養作用，已成為一種在養殖業中廣泛應用的酶制劑。以往主要采用真菌性木聚糖酶，近年來，細菌性木聚糖酶以其穩定性好，酶解效率高等特點引起了業界的廣泛關注。以下就細菌性木聚糖酶的結構特征、生化特性、作用特點及其在飼料的應用作一簡要探討，為細菌性木聚糖酶的應用提供理論參考。

1 細菌性木聚糖酶的生化特征
1.1 酶源菌株
生命活動的過程就是酶促反應，而酶的耐溫性能往往與酶源菌株生活的適宜溫度相關。目前，木聚糖酶主要來源于細菌和真菌。大多細菌屬于體溫型微生物，適宜生長溫度在35－40℃左右，比一般真菌（20－25℃）為高，所以在細菌更易于篩選出耐熱性能好的產酶菌株。并且，細菌屬于原核微生物，其細胞結構及基因重組簡單，易于利用基因工程及誘變育種篩選出高產菌株。
1.2 結構特征
在分子水平上，木聚糖酶由功能或非功能結構域和連接區組成，功能結構域又可進一步分為催化結構域和纖維素結合結構域(cellulose binding domain，CBD)（Gilkes等，1991）。木聚糖酶的催化結構域決定酶的水解特性，并作為該酶分類的基礎。木聚糖酶的氨基酸組成在數量上變化很大，但其催化結構域趨向一致。CBD存在于許多木聚糖酶分子中，它在功能和氨基酸組成上與纖維素酶分子中的CBD相似：1）在靠近N末端和C末端分別有一個半胱氨酸；2）除甘氨酸、天冬氦酸之外，還含有4個高度保守的色氨酸殘基；3）帶電荷氨基酸的含量較少（劉瑞田等，1998）。非功能結構域主要是連接序列。連接區連接在催化結構域和CBD之間，并賦予了蛋白質結構的柔韌性。此序列的長度變化很大為6—59個氨基酸。該序列中或含有較多的脯氨酸，或帶羥基的氨基酸，或兩者都有。這些氨基酸被廣泛的O－糖基化。根據酶的來源不同，連接區的序列長度和它們所含有的脯氨酸和帶羥基的氨基酸數量都不同（胡沂淮等，2002）。
以氨基酸序列相似性和疏水性的聚合分析為基礎，Henrissat和Bairoch（1993，1996）將糖基糖苷鍵水解酶中的內切木聚糖酶分為10族和11族。這相當于Gilkes（1991）等分類的第F家族和第G家族。它們分別組成高分子量和低分子量的木聚糖酶。10族內切木聚糖酶主要包括酸性和大分子的內切葡聚糖酶，而堿性的和小分子的內切木聚糖酶則屬于11族。
1.3 生化特性
細菌和真菌來源的木聚糖酶只含一個亞基（Sunna等，1997），對于不同生物來源的木聚糖酶，分子量范圍為8～145kD，pH范圍為pH 3～10.5，穩定pH范圍為3～10。大多數酶的反應最適pH范圍為4～7，最適溫度為40℃～60℃。
根據酶的理化特性，可分為兩大類，即分子量小于30kD的酶和分子量大于30kD的酶，前者通常為堿性蛋白，后者通常為酸性蛋白（Wood等，1988）。通常細菌可產生兩種木聚糖酶，即低分子量的堿性木聚糖酶和高分子量的酸性木聚糖酶，但真菌通常只產生低分子量的堿性木聚糖酶。
2 酶學特性
很多學者對內切木聚糖酶的酶解作用模式進行了廣泛的研究（Coughlan，1992；Coughlan和Hazlewood，1993；Biely，1997）。通常，木聚糖酶對多聚木聚糖的內部β-1，4鍵有活性，這種木聚糖酶稱為內切木聚糖酶。根據其對不同多糖的活性，內切木聚糖酶又可分為特異性和非特異性木聚糖酶（Coughlan，1992；Coughlan等，1993）。特異性內切木聚糖酶僅對木聚糖的β-1，4鍵有活性，而非特異性內切木聚糖酶可以水解以β-1，4鍵連接的木聚糖、混合木聚糖的β-1，4鍵及其它β-1，4連接的其它多糖。大多數內切木聚糖能特異性地作用于木聚糖的非取代木糖苷鍵，并釋放取代的和非取代的木寡糖，而其他內切木聚糖酶特異性作用于主鏈上的接近取代基團的木糖苷鍵。通過對10和11族內切木聚糖酶作用模式的研究，得出：
(1）10族內切木聚糖酶與11族的內切木聚糖酶相比，10族內切木聚糖酶水解異型聚糖（取代木聚糖）和同型木聚糖的能力更強；
(2）只有10族內切木聚糖酶才能裂解木聚糖的相鄰或鄰近取代基（如甲基葡糖醛酸和乙酸）之間的糖苷鍵；
(3）與11族相比，10族內切木聚糖酶比水解葡糖醛木聚糖、乙酰木糖釋放出的寡糖分子量更小（Biely等，1997）。另外，據報道10族內切木聚糖酶發揮作用在二個支鏈接點上需要二個不可取代的木糖殘基；而11族內切木聚糖酶在相同的序列發揮作用需要至少三個不可取代殘基（Biely等，1997）。
因此，內切木聚糖酶（11族）僅能裂解谷物的阿拉伯木聚糖的內β-1，4鍵時，而內切木聚糖酶（10族）可裂解如同內β-1，4鍵一樣的相鄰阿拉伯木聚糖取代基。因此對木糖和葡萄糖殘基的中的β-1，4鍵的裂解能力，是10族和11族內切葡聚糖酶之間的主要不同點。基于此點Biely（1997）推斷：如果存在β-1，4葡木糖，那么10族內切木聚糖酶可裂解β-1，4吡喃葡糖苷鍵，但11族的葡聚糖的可能性很小。一般來說，有效而徹底的分解木聚糖需要有不同特性的主鏈裂解酶和支鏈裂解酶的協同作用（Coughlan等，1993；Coughlan和Hazlewood，1993）。
3 細菌性木聚糖酶作為飼用酶的特點
3.1 熱穩定性及貯存穩定性 
穩定性對酶制劑特別是飼用酶制劑至關重要，是影響酶制劑使用效果的關鍵因素。目前，從嗜熱性微生物如細菌，真菌和放線菌中均發現了許多木聚糖酶，它們具有很高的熱穩定性，但是真菌來源的木聚糖酶的熱穩定性沒有細菌來源的木聚糖酶高。在嗜熱性細菌中，屬于第10家族的木聚糖酶中普遍含有增加熱穩定性的結構域，它們與木聚糖酶的催化結構域緊密連接在一起。對不同來源的熱穩定結構域的序列分析，發現它們具有5％—32％的同源性，其中有保守的G1y和Tyr殘基，無Cys殘基。在熱穩定結構域中，大的疏水性的芳香族氨基酸占優勢，它通過增加折疊分子的緊密性來增加熱穩定性，而Asp和Glu殘基相對很少，因為它們在高溫下更容易變性，導致熱失活（胡沂淮等，2002）。在第11家族除嗜熱單胞菌(Thermomonospora fusca)的嗜熱木聚糖酶A外，沒有熱穩定的非催化結構域，這可能是由于這些酶在本質上更耐熱，而不像第10家族的木聚糖酶通過折疊而使它們相對容易進化為嗜熱性酶（fontes等，1995）。
Bedford和Schulze（1998）的綜述表明，木聚糖酶的穩定性與其結構是休戚相關的。細菌性木聚糖酶大都來源于嗜熱性細菌，屬于第10家族的木聚糖酶中由于普遍含有增加熱穩定性的結構域，因而在熱穩定性上要好于來自真菌，屬于第11家族的木聚糖酶。Himmelstein（1985）比較了一種細菌性木聚糖酶和一種真菌性木聚糖酶的熱穩定性，結果表明在80℃的造粒溫度下，細菌性木聚糖酶的活性保留值為80%；而真菌性木聚糖酶僅保留5％左右（見圖1）。
 
圖1
筆者在對不同酶種進行包被制粒工藝的實驗中，也明確地觀察到細菌木聚糖酶酶活完全沒有損失，而其它酶種都有程度不同的損失。
3.2  較高的內切木聚糖酶比例，酶解效率高
細菌性木聚糖酶主要由內切性木聚糖酶組成，分解木聚糖的效率高。細菌性木聚糖酶大多屬于10族內切酶，與11族的內切木聚糖酶相比，10族內切木聚糖酶水解異型聚糖（取代木聚糖）和同型木聚糖的能力更強，而且只有10族內切木聚糖酶才能裂解木聚糖的相鄰或鄰近取代基（如甲基葡糖醛酸和乙酸）之間的糖苷鍵。此外，10族內切木聚糖酶水解葡糖醛木聚糖、乙酰木糖釋放出的寡糖分子量較11族更小（Biely等，1997）。因此大多屬于10族的細菌性木聚糖酶的酶解效率要高于屬于11族的真菌性木聚糖酶。Ingelbrecht等（2000）比較了分別來自枯草桿菌、曲霉菌和木霉菌的三種木聚糖酶的水解效率，結果表明來自枯草桿菌的細菌性木聚糖酶的水解效率最高，能高效降解底物。此外，與真菌通常只產生低分子量的堿性木聚糖酶不同，細菌一般既可產生低分子量的堿性木聚糖酶，也可產生高分子量的酸性木聚糖酶。因此，細菌性木聚糖酶相對具有更廣的活性pH值范圍，可更加有效地在不同動物的胃腸道中發揮作用。
3.3  徹底降解木聚糖
細菌性木聚糖酶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），進一步釋放細胞壁中包裹的營養物質。在各種植物原料中都存在不溶性AX，它們和纖維素相互作用包裹營養物質形成營養屏障，影響營養物質的吸收。部分谷物原料中WEAX與WUAX的含量如表1。
表１  一些谷類中的阿拉伯木聚糖的含量（%干物質）
 小麥 麥麩 大麥 裸麥 黑小麥 高梁  玉米 大米 米糠 次粉
WEAX 1.8 1.1 0.8 3.4 1.3 0.1 0.1 t 0.2 1.3
WUAX 6.3 20.8 7.1 5.5 9.5 2.0 5.1 0.2 8.3 23.8

所以細菌性木聚糖酶不但可應用于小麥型日糧，而且可廣泛應用于豆粕、玉米、餅粕等植物原料為主的飼料中。
3.4 對酶活抑制劑不敏感
酶的本質是蛋白質，從理論上講會受到內源性蛋白酶及其它酶抑制劑的影響。但從國外相關研究的報道，細菌木聚糖酶對于它們都不太敏感，當與這些抑制劑接觸后，仍保留較高活性。

 
從上圖看出，植物飼料子實體中存在著對真菌性木聚糖酶的抑制劑，但對細菌性木聚糖酶不太敏感，這可能是植物體在幾億年的進化過程中形成的，即植物子實體易受到自然界真菌霉變感染，并受到真菌性酶的攻擊，故產生相應的抑制劑以阻抑其活性，而植物的細菌性感染相對較少，就不產生相應抑制劑對其防備，故植物子實體中的抑制劑對細菌性木聚糖酶不太敏感，這實際是植物的一種特異性的保護機制。而在飼料中使用木聚糖酶的效果將受到原料中抑制劑的影響，故選用對抑制劑敏感度低的酶是很有意義的。
3.5 pH適應范圍廣
細菌性木聚糖酶pH適應范圍廣，在中性pH（6.5左右）呈現最高的活性，在胃部未達到最高值，但其穩定性很好，進入腸道后酶被進一步激活并呈現更高的酶活，使食糜在動物腸道內更好地被降解消化吸收。
隨著我國養殖規模化的發展，充分利用非常規飼料資源，解決我國飼料資源匱乏和進一步提高養殖經濟效益已成為我國畜牧業長期、持續和健康發展的關鍵。細菌木聚糖酶作為新一代酶制劑以其良好的熱穩定性和酶解效率等特點必將在飼料及養殖業中得到廣泛的應用，對細菌木聚糖酶進行理論和應用方面的研究是很有意義的。