我国木聚糖酶行业应用现状及前景的可行性研究报告

第一节 木聚糖酶的概述

木聚糖(xylan)是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，约占植物细胞干重的15%~35%，是植物半纤维素(hemicellose)的主要成分。大多数木聚糖是一种结构复杂的、具有高度分枝的异质多糖，含有许多不同的取代基。木聚糖的生物降解也因此需要一个复杂的酶系统，通过其中各种组分的相互协同作用来降解木聚糖。因此，木聚糖酶是一组酶，而非一种酶（可行性研究报告）。
 

第二节 木聚糖酶的应用现状

一、饲料工业

饲料工业是较早应用木聚糖酶的领域。小麦、大麦、黑麦、燕麦等麦类饲料中含有大量的木聚糖，木聚糖具有较强的持水性、小分子吸附活性和表面活性，造成麦类基础饲料对单胃或无胃动物具有强烈的抗营养作用。木聚糖酶作为饲料添加剂使用，可以有效解除木聚糖的抗营养作用。

木聚糖酶可以破碎植物细胞壁，提高养分利用率。饲料中添加木聚糖酶可以把聚合度较高的木聚糖降解为聚合度较低的小分子片段，破坏细胞壁的结构，将细胞壁束缚的营养物质释放出来，和动物消化道内的消化酶充分接触，从而提高各种养分的消化率。

木聚糖酶可以降低食糜粘度，提高表观代谢能。澳大利亚和欧美的动物营养学家指出，木聚糖酶的主要作用机制是降低消化道食糜粘度。研究发现，在鸡的小麦、大麦和黑麦基础饲料中添加以木聚糖酶为主的复合酶制剂，可以显著降低小肠食糜的粘度，提高饲料的表观代谢能，改善动物生产性能。

木聚糖酶可以改变消化道形态，提高内源消化酶活力。艾晓杰等在麦类基础饲料中添加以木聚糖酶为主的复合酶制剂，雏鹅的胰腺、肝脏、十二指肠和回肠的重量显著降低，。胰腺和肝脏相对重量的下降。是由于木聚糖酶解除了NSP(Non．starch polysaccharides，非淀粉多糖)的抗营养效应，避免了它们的功能性增大。而十二指肠和回肠相对重量的减少是因为木聚糖酶改变了食糜理化成分，消化道受粘性食糜刺激减弱的缘故。从酶动力学角度看，外源消化酶大多由细菌或真菌发酵而来，与动物消化道内源消化酶的结构和最佳作用条件有很大区别，可能不存在所谓的“反馈性抑制作用”。聂国兴等研究发现，在尼罗罗非鱼小麦基础饲料中添加黑曲霉产木聚糖酶能刺激内源消化酶分泌，提高内源消化酶活力，外源消化酶与内源消化酶作用效果具有叠加效应。

木聚糖酶可以减少微生物菌群总量，调节肠道微生态环境。在木聚糖含量较高的基础饲料中添加木聚糖酶，可以限制动物消化道内微生物过度繁殖，调整肠道微生物的组成比例，减少动物免疫应答反应，促进动物生长。Vahjen等报道，木聚糖酶显著降低仔鸡肠腔和组织样品中的革兰氏阳性菌总数，增加组织样品中乳酸菌的数量。Kim等研究发现，在小麦基础饲料中添加木聚糖酶，鸡回肠乳酸杆菌、大肠菌群和肠球菌总量降低。原因是，添加木聚糖酶后，动物肠道内食糜粘度降低，消化物周转加快，限制了肠道微生物对营养素的利用及自身增殖速率。

木聚糖酶可以调控养殖动物外周血液激素含量，提高机体代谢水平和免疫水平。动物的发育及体内各种养分的消化和代谢过程都受神经和内分泌激素的调节。调控动物外周血液激素含量，提高机体代谢水平和免疫水平是木聚糖酶促进动物生长的重要机制。陈清华等在断奶仔猪小麦基础饲料中添加木聚糖酶，仔猪血液中T4含量显著升高。王金全在小麦基础饲料中添加木聚糖酶，肉仔鸡血液胰岛素水平显著上升。动物血液中T4和胰岛素等激素水平的提高标志着机体代谢水平的提高。高峰等在小麦基础饲料中添加以木聚糖酶为主的粗酶制剂，显著提高了仔猪血液IL-2的含量和肉鸡的淋巴细胞转化率，标志着机体免疫水平的提高。

木聚糖酶可以上调营养素转运载体的表达。木聚糖酶通过改变饲料成分，可以有效调控养殖动物某些功能基因的表达。王修启在1日龄肉雏鸡小麦型饲料中添加木聚糖酶，发现木聚糖酶显著上调了十二指肠SGLTl(sodium／glucose cotral够．ported，钠葡萄糖共转运载体的表达，增幅为33．30％，空肠SGLTl mRNA表达量增加8．21％。

二、食品工业

小麦中的木聚糖对面团的流变学特性及面制品的品质有显著影响。目前，木聚糖酶在焙烤工业中的应用引起了人们的高度关注。Uysal等晗副研究发现，在生产饼干时，加入木聚糖酶可提高面团的柔软度和拉力，从而提高饼干的伸展度，降低硬度。面包加工过程中适量添加木聚糖酶，能提高面团的机械加工性能，增大面包体积，改善面包芯质地以及延缓老化。Jiang等在加工面包时添加耐热木聚糖酶，面包比容增加了40％～60％，研究认为是由于木聚糖酶降解木聚糖，尤其是水不溶性木聚糖，降低了其胶联程度，使水分在面团中重新分布，从而改善了面包的质地、结构、松软度和保质期。Courtin等发现一种枯草杆菌木聚糖酶可特异性降解水不溶性木聚糖，将其转变为小分子水溶性木聚糖，提高面包烘焙质量。

在酿酒工业中，木聚糖酶一方面作用于谷物细胞壁中的木聚糖，加快淀粉酶的作用，提高发酵效率，增加乙醇的产率；另一方面，可降低发酵液的粘度，避免过滤时滤膜堵塞，改良啤酒口感，提高清澈度。在咖啡、植物油和淀粉的提取过程中，木聚糖酶可使植物组织软化、细胞破壁，有利于有效成分的充分提取，大幅度降低提取液的粘度，提高浓缩或干燥效率，降低生产成本。

低聚木糖的生产使人们更多地了解了木聚糖酶。低聚木糖是倍受瞩目的一种功能性低聚糖，它在人体内难以消化，肠道内残存率高，具有极好的双歧杆菌增殖活性。低聚木糖具有良好的酸碱稳定性和耐热性，适用于不同食品中，其甜度仅为蔗糖的40％，食用后不会导致血浆中葡萄糖含量大幅度上升，因而可以作为糖尿病或肥胖症患者的甜味剂。在低聚木糖的生产中对木聚糖酶有特殊要求，如对底物水解要有较高的特异性，不含木糖苷酶活力，产物中木二糖、木三糖的比例要高。木糖醇由木聚糖酶降解产物木糖单体衍生而成，是当前市场上畅销的糖类替代品。木糖还可作为某些细菌、酵母及真菌的发酵底物，发酵生产有价值的燃料和化工原料。

三、造纸工业

在植物纤维中，木质素和半纤维素之间通过醚键以LCC(Lignin-Carbohydrare Complex，木质素一碳水化合物复合体的形式存在。木质素是原料和纸浆颜色的主要来源，对于高白度的生产用浆，必须除去木质素。传统的造纸制浆工艺是利用烧碱等试剂蒸煮麦草原料，再利用氯和次氯酸等进行漂白。这种化学漂白方法是采用多步骤的氯、二氧化氯漂白及碱提取法去掉木质素，废水中含有大量的氯及有毒物质，易造成严重的环境污染。在现代造纸工业中，尤其在欧美国家，氯的使用量已被严格控制。近年来，通过生物工艺制浆从而减少污染并提高制浆质量，已引起人们的兴趣。1984年，加拿大首次用酶进行纸浆漂白。1986年芬兰科学家发现用木聚糖酶处理纸浆，可降低漂白时氯的用量，减少环境污染。木聚糖酶在造纸工业中的应用，是目前木聚糖酶应用研究的热点之一，研究内容主要包括对纸浆的漂白、二次纤维的脱墨、增次纤维的游离度和降低能耗等方面。目前，此类研究进展很快，每年均有大量的论文和专利文献发表，并在许多国家实现了工业化应用。

木聚糖酶能解聚凝结于纤维表面的半纤维素，增加漂白剂与纤维的接触面积，提高漂白效率。研究表明，添加木聚糖酶对纸浆进行预漂白，可提高漂白剂在纸浆中的扩散速率，卡伯值降低12．07％，氯的用量减少20％～30％。木聚糖酶还可使LCC解体，提高木质素的浸出率，增强纸浆的漂白度。Khandeparkar等报道，用木聚糖酶对纸浆进行预漂白时，随着木聚糖酶添加量的增大，脱色效果增强，白度提高9．6％。

Jiang等用Thermotoga maritima木聚糖酶处理纸浆，扫描电镜结果显示，酶法预处理可提高纸浆纤维的多孔性，提高氯等化学漂白剂与纸浆的接触几率。未经xynB处理的纸浆，表面平滑、整洁，xynB处理后，纤维表面变得粗糙，出现起毛和剥皮现象。

由于在利用木聚糖酶对纸浆进行预漂白时，硫酸盐蒸煮的纸浆为温度较高的碱性浆，所需pH值在8．O以上，温度60℃左右。这就需要所用的木聚糖酶具有耐碱和耐高温的特性。目前许多研究集中于耐碱、耐高温木聚糖酶菌株的分离筛选上。现已发现部分嗜热细菌、嗜热或耐热真菌所产木聚糖酶对纸浆有良好的漂白效果。区别于其它应用领域，造纸工业使用的木聚糖酶，不能同时具有纤维素酶活性，以免降解纸浆中的纤维，影响成浆质量。另外，造纸工业使用的木聚糖酶分子量要小，以有利于在纸浆中的溶解与扩散。

四、其它领域

随着现代化工业的快速发展，能源短缺问题日益严重，寻找新的能源已迫在眉睫。植物纤维是地球上取之不尽的生物能源，将其转化为乙醇，作为工业生产直接利用的能源，将产生巨大的经济效益，并且可减少对环境的污染，促进自然界碳素循环。据报道，木聚糖酶可与其它酶协同将植物纤维降解为戊糖和己糖，然后将戊糖和己糖作为发酵底物，进一步通过微生物作用生产乙醇。在麻业生产领域，木聚糖酶可与果胶酶联合作用于韧皮纤维，如亚麻、麻、黄麻和苎麻，除去果胶和半纤维素，用于脱胶分离纤维素，防止麻制品受潮沤烂。另外木聚糖酶在去污洗涤、医药工业、纺织工业等行业中也有广泛应用。

第三节 木聚糖酶的应用前景

木聚糖酶的研究、应用历史并不长，但取得的成果是巨大的，我国在木聚糖酶方面现在是落后于国际水平，但在某些行业和领域我们还是有一定的基础和经验，并具有着十分广阔的应用前景的。

饲料行业是以含木聚糖酶的多酶复合物作为饲料添加剂来使用，可大量节省饲料用量，中国人世后，中国的家畜养殖业会有一个大的发展机遇，饲料行业又会有一个大的发展，市场潜力广阔。但饲料行业是一个低价行业，主要靠量来保证利润，所以对于饲料用酶制剂行业，控制酶制剂价格就是一个重点，并且中国的饲料行业被几个大的饲料生产集团所控制，饲料配方均为固定化的，饲料用酶制剂新产品的推广阻力很大，还有待相关的企业去进行有效的市场开发工作。

就造纸行业，木聚糖酶主要与纤维素酶一起来处理纸浆，用来提高纸的质量和档次，而且在造纸废液处理方面，木聚糖酶也有可用之处。中国政府近一段时间以来对造纸行业的污染问题处罚力度很大，关停了一批中心型造纸企业，使中国的国内造纸企业逐渐向大型发展，崛起了几家大型造纸集团，使行业竞争从价格方面向质量方面发生了转化，并且对造纸企业的排污加强了监督，使造纸企业的治理废液污染方面加大了投资。环保行业是二十一时间的阳光产业，不论从世界的大环境还是从国家政策方面而言，都将成为一个重点。对于以有机物为主要污染源的废物处理，酶法处理必将成为治理的主要方法，多酶复合物的研究和在污染处理方面的应用都将成为一个重点。另一方面，从造纸原料方面来说，草浆的成本低廉，但是未经处理的草浆早出的是低档纸，高档纸需要用木浆为原料，相对于中国森林现状而言，用再生周期短的草浆经预处理后代替木浆用于生产高档纸，不论从经济效益还是从社会效益都是一个有极大发展潜力的方面。

今后我们的发展方向应从目前已取得成功的中试阶段，向大规模产业化阶段迈进，将木聚糖酶的研究向纵深扩展，改变目前一家科研单位开发的一种木聚糖酶只是在某一领域得到应用的现状，将已有的木聚糖酶品种的应用领域不断扩大，同时在酶的复配应用上进行研究和探索，改变酶制剂成品种酶的种类单一的传统模式。同时采用先进的生物工程技术。

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