多功能木聚糖水解酶的研究及其在食品领域的潜在应用_韩雪.pdf

HAN Xue，et al：Research of Multifunctional Xylanolytic Enzyme andIts Potential Applications in the Food FieldJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023ReviewResearch of Multifunctional Xylanolytic Enzyme andIts Potential Applications in the Food FieldHAN Xue，WANG Yulu，YU Haiyan，XIN Fengjiao*（Institute of Food Science and Technology,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China）Abstract：Xylan is the most abundant heterogeneous polysaccharide in plant cell walls,which hasgreat potential to synthesize high-value bio-based products.In the food industry,efficient enzymaticconversion of xylan can produce functional food polysaccharides such as xylo-oligosaccharides,xylitol and ferulic acid.Compared with the multi-enzyme synergistic catalysis,multifunctionalenzymes combining multiple xylanolytic activities in one single peptide have significant advantagesin reducing enzyme costs,improving catalytic efficiency and simplifying the enzymatic process,andtherefore have broad application prospects.This paper firstly introduced the structural composition ofxylan from different plant sources and the enzymatic systems for the degradation of main and sidechains,then systematically reviewed the research progress of multifunctional xylanolytic enzymewith respect to structure,function and mechanism of action and their potential applications in thefood industry,and finally prospected the research direction of multifunctional xylanolytic enzymes,laying a foundation for their precise design and industrial application.Keywords:xylan,multifunctional xylanolytic enzyme,structure-function relationship,foodapplication prospect摘要：木聚糖是植物细胞壁中含量最丰富的异质多糖，具有合成高值化生物基产品的巨大潜力。在食品领域，木聚糖经高效酶解转化可产生低聚木糖、木糖醇、阿魏酸等功能性食品多糖。与多酶协同催化相比，兼具多种木聚糖水解酶活性的多功能酶具有生产成本低、催化效率高、酶解工艺简化等显著优势，具有广阔的应用前景。作者首先介绍了不同植物来源木聚糖的结构组成及主链与侧链降解酶系，进而系统综述了近年来多功能木聚糖水解酶在结构、功能及作用机理方面的研究进展及在食品领域中的应用潜力，最后展望了多功能木聚糖水解酶的研究方向，为多功能木聚糖水解酶的精准设计及产业化应用奠定基础。关键词：木聚糖；多功能木聚糖水解酶；结构-功能关系；食品应用前景中图分类号：Q 556+.2文章编号：1673-1689（2023）01-0040-15DOI：10.3969/j.issn.1673-1689.2023.01.003多功能木聚糖水解酶的研究及其在食品领域的潜在应用韩 雪，王钰璐，于海燕，辛凤姣*（中国农业科学院 农产品加工研究所，北京100193）收稿日期：2022-04-29基金项目：中国农业科学院农业科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-2021-IFST-SN2021-07）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（S2020JBKY-13）。*通信作者：辛凤姣（1985），女，博士，研究员，博士研究生导师，主要从事食品酶学、食品合成生物学等研究。E-mail：综 述402023年第42卷第1期食品与生物技术学报韩 雪，等：多功能木聚糖水解酶的研究及其在食品领域的潜在应用综 述木质纤维素是一种重要的可再生生物质资源，因其清洁性及储量丰富的特点已成为潜在的规模化生产生物燃料及高附加值生物基产品的原料1。但是，天然木质纤维素的化学成分及结构都十分复杂，需利用多种糖类水解酶共同作用，才能对其进行有效的生物降解2。木质纤维素生物质由3种主要成分组成，即纤维素（质量分数40%60%）、半纤维素（质量分数20%40%）和木质素（质量分数10%25%）等3。半纤维素是一组非纤维素异质多糖的总称，由戊糖（木糖和阿拉伯糖）、己糖（甘露糖、葡萄糖和半乳糖）和糖酸（甲基葡糖醛酸）等组成4。根据其主链中存在的主要单糖进行分类，包括木聚糖、木葡聚糖、甘露聚糖、葡甘聚糖以及-葡聚糖等5。木聚糖是半纤维素中含量最丰富的成分，相对而言利用率较低，因此其作为可持续产品开发的重要生物资源而备受关注6。木聚糖广泛存在于秸秆、麦麸、玉米芯、甘蔗渣、果蔬等农副产品加工残余物中。木聚糖酶解产生木糖、木寡糖、阿拉伯糖、阿魏酸等多种生理活性成分，广泛应用于功能性食品、饮料、烘焙等食品行业中。并且，以木糖等酶解产物为前体可进一步合成木糖醇、阿拉伯糖醇、香兰素等食品添加剂7。木聚糖大多为异质结构，由-D-吡喃木糖基组成主链，侧链含有不同类型的取代基。因此，木聚糖高效降解往往需要多种水解酶的协同作用。其中，内切木聚糖酶通过随机切割木聚糖内部的木糖糖苷键来攻击主链结构，其产物木寡糖被-木糖苷酶进一步水解生成木糖单体。此外，木聚糖复杂的侧链组成需要额外的侧链水解酶，如-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶等。然而，木聚糖水解过程中酶的种类和用量的高需求及降解方式的低效率导致多种酶投放成本较高，这也是木聚糖高效生物转化的主要瓶颈8。多功能酶在一条多肽链中同时具备多种活性，具有“一酶多能”的特点。木聚糖酶解体系中多功能酶的应用是降低成本的有效策略，此外，多功能水解酶在降解木聚糖复杂底物方面具有潜在的协同作用，因此具有广阔的应用前景9。作者将首先介绍木聚糖的结构组成及水解酶系，进而主要从酶的结构与功能方面系统综述多功能木聚糖水解酶的研究进展及其在食品领域中潜在的应用，最后展望该领域的发展前景。1.1木聚糖的结构组成木聚糖是一种复杂的异质性多糖，根据木聚糖侧链糖残基的类型不同分为：同型木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯木聚糖、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖和葡糖醛酸阿拉伯木聚糖（见图1）10。同型木聚糖是一种由木糖残基组成的非支化木聚糖，根据糖苷键的不同分为-1，4-木聚糖、-1，3-木聚糖、混合型-1，3/1，4-木聚糖，广泛存在于绿藻等植物中11；葡糖醛酸木聚糖是含有-1，2连接的葡糖醛酸基和4-O-甲基葡糖醛酸基取代的木聚糖，主要存在于双子叶植物中12；阿拉伯木聚糖是指D-木糖残基的C2/C3位连有L-阿拉伯呋喃糖取代基的-1，4-木聚糖，主要存在于谷物中13；其他两种类型的木聚糖，即阿拉伯葡糖醛酸木聚糖和葡糖醛酸阿拉伯木聚糖，含有甲基葡糖醛酸残基和L-阿拉伯呋喃糖残基，分别连接在主链-1，4-木糖残基的C2和C3位置，这两个术语有时可以互换，但L-阿拉伯呋喃糖与糖醛酸的比例较低的聚合物常被称为葡糖醛酸阿拉伯木聚糖14。此外，木聚糖中的L-阿拉伯呋喃糖基单元可以进一步在C5位被羟基肉桂酸酯（即阿魏酸和对香豆酸）取代13。图1木聚糖的结构组成Fig.1Structural composition of xylan1.2木聚糖水解酶系木聚糖完全水解需要多种酶协同发挥作用，包括主链水解酶-1，4-内切木聚糖酶、-D-木糖苷酶、还原端外切木聚糖酶，以及侧链水解酶-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、-D-葡糖醛酸酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶等。由于木聚糖水解酶成员的分类、催化位点、作用机制等特征已有相关文献进行总木聚糖的结构组成及水解酶系141HAN Xue，et al：Research of Multifunctional Xylanolytic Enzyme andIts Potential Applications in the Food FieldJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023Review结6，15-17，在此不逐一赘述。木聚糖水解酶系存在于两个家族：糖苷水解酶（GH）家族和碳水化合物酯酶（CE）家族（见表1）16，18-24。表1木聚糖水解酶成员及其底物特异性Table 1Xylanolytic enzyme members and their substrate specificity酶GH分类EC编号底物特异性参考文献-1,4-内切木聚糖酶GH3、5、8、9、10、11、12、16、26、30、43、44、51、62、98、141EC 3.2.1.8水解木聚糖主链-1,4-糖苷键18-D-木糖苷酶GH1、2、3、5、10、30、39、43、51、52、54、116、120EC 3.2.1.37水解木聚糖的非还原端释放-D-吡喃木糖基19还原端外切木聚糖酶GH8EC.3.2.1.156水解木寡糖还原端释放木糖基20-L-阿拉伯呋喃糖苷酶GH2、3、5、10、39、43、51、54、62EC 3.2.1.55水解木聚糖侧链释放-1,2-阿拉伯呋喃糖基和-1,3-阿拉伯呋喃糖基21-D-葡糖醛酸酶GH67、115EC 3.2.1.139水解木聚糖侧链释放-1,2-葡糖醛酸基22乙酰木聚糖酯酶CE1、2、3、4、5、6、7、16EC 3.1.1.72水解乙酰化木聚糖侧链释放2-O-乙酰基和3-O-乙酰基23阿魏酸酯酶CE1EC 3.1.1.73水解阿拉伯呋喃糖基与羟基肉桂酸之间的酯键24葡糖醛酸酯酶CE15EC 3.1.1.117水解4-O-甲基-D-葡糖醛酸与木质素醇羟基之间的酯键162.1多功能木聚糖水解酶概述多功能酶在酶蛋白的一条多肽链中同时具有两种或两种以上催化活性，可催化复杂的连续反应或多底物反应体系。在催化过程中，可能会有多个中间状态存在，这使得多功能酶表现出更高催化效率的特性。首先，第一个活性位点的产物可以主动或被动地直接通过底物通道转移到另一个活性中心，通道的“门控”作用有助于维持多个活性部位反应的精确同步，以最大限度地减少中间体的积累；其次，第一个反应的活性位点的状态可能影响第二个反应的活性位点的动力学特性，反之亦然25-26。同时，多功能酶往往具有良好的调控性，能够在不同