海洋微生物來源木聚糖酶研究進展

田艷杰，徐 佳，賈騰飛，馬苗苗，張慧姍，王 燕，周晨妍

（新鄉醫學院 生命科學技術學院 河南省合成生物學工程實驗室，河南 新鄉 453003）

木聚糖具有多個不同的取代基，是一種結構極其復雜、分化度很高的多聚五碳糖，主要存在于植物細胞的細胞壁中，是植物細胞半纖維素的重要組成成分[1]。木聚糖的生物降解需要多種酶的協同作用，這些能降解木聚糖的水解酶統稱為木聚糖酶。木聚糖酶有一個復雜的酶系統[2]，其中最關鍵的一類木聚糖酶為β-1,4-內切-D-木聚糖酶（endoβ-1,4-D-xylanase）[EC3.2.1.8]，該木聚糖酶能降解木聚糖的主鏈結構[3-4]。

木聚糖酶來源廣泛，包括陸地植物組織、細菌、真菌和原生動物等，但大部分來源于陸地。海洋中物種豐富，種類繁多，是人們賴以生存的物質基礎[5-6]。海洋微生物產生的木聚糖酶與陸地微生物產生的酶相比具有其特殊性，這些特性使得海洋酶在基礎研究和工業應用等方面具有巨大價值，近些年對海洋微生物木聚糖酶的研究成為現在微生物木聚糖酶研究的熱點。

1 產木聚糖酶海洋微生物

目前，海洋木聚糖酶主要從細菌[7-8]、真菌[9]以及放線菌[10-11]中分離得到，且細菌產木聚糖酶通常是首選。

海洋來源的木聚糖酶具有嗜鹽、嗜熱、厭氧等特殊性。從海洋細菌中獲得的木聚糖酶大多數為β-1,4-內切-D-木聚糖酶，這些木聚糖酶大多數屬于糖苷水解酶家族10和11，但也有屬于糖苷水解酶（glucoside hydrolase，GH）家族8、26和30，分子質量大多數在22～50 kDa。最近報道的產木聚糖酶的海洋細菌、木聚糖酶基因、GH家族及分子質量見表1。

表1 產木聚糖酶的海洋細菌Table 1 Xylanase-producing marine bacteria

木聚糖酶可由多種微生物產生，海洋真菌是木聚糖酶的重要來源，但目前對海洋真菌來源的木聚糖酶的研究相對于海洋細菌較少，對其來源的木聚糖酶基因研究尚不清楚。目前，經過篩選已經獲得了幾種能產生木聚糖酶的海洋真菌見表2。

表2 產木聚糖酶的海洋真菌Table 2 Xylanase-producing marine fungi

許多海洋放線菌除了產生負責天然產物生物合成的獨特酶外，還產生能夠降解各種生物聚合物（如木聚糖、纖維素和甲殼素）的水解酶。產木聚糖酶的海洋放線菌見表3。

表3 產木聚糖酶的海洋放線菌Table 3 Xylanase-producing marine actinomycetes

2 產木聚糖酶菌株的選育

海洋微生物的基因組資源特異性豐富，通過對海洋微生物來源的菌株選育，能夠篩選出具有特異性的產木聚糖酶的海洋菌株，對這些菌株的基因序列和功能進行分析和鑒定，能夠得到嗜鹽、嗜熱、厭氧等不同功能的木聚糖酶基因。如黃小云等[39]在多種海洋來源的樣品中篩選出了38株具有產木聚糖酶能力的菌株，其中菌株B659產酶能力最高，酶活力為525.3 U/mL；YOPI Y等[20]從20株海洋芽孢桿菌分離株中分離、鑒定得到產甘露聚糖酶、木聚糖酶和纖維素酶的海洋芽孢桿菌菌株，分別為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、特基拉芽孢桿菌（Bacillus tequilensis）和蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）；HOU Y H等[26]從黃海沉積物中分離到1株冷適應青霉菌（Penicillium）FS010，并從該菌中獲得冷活性木聚糖酶XYL。

3 木聚糖酶基因的克隆及分子改造

產木聚糖酶菌株篩選的環境不同，獲得的菌株生長條件及產酶活力也存在很大差異。對菌株進行基因克隆與改造，能優化菌株的培養條件，提高其產酶能力。GUO B等[16]從嗜中穩居水菌（Glaciecola mesophila）KMM241中克隆到一個新的木聚糖酶基因xynB，并成功在大腸桿菌（Escherichia coli）中獲得異源表達；GUO Y等[19]將內切木聚糖酶基因克隆到枯草芽孢桿菌WB800中進行蛋白表達和鑒定，獲得重組木聚糖酶活性為55 U/mL，比原始菌株酶活性提高了14.5倍；AHMED M A等[25]以Aspergillussp.NRCF5為出發菌株，利用遺傳變異和原生質體融合的方法，通過4輪基因重組獲得了高產木聚糖酶的重組菌；劉卓[35]通過鋅轉錄因子與木聚糖酶相關基因啟動子上游區域結合，調節了木聚糖酶的產生，證明了人工鋅指蛋白技術和核糖體工程技術在改良放線菌菌種方面是可行的，為探索放線菌木聚糖酶的合成規律，代謝工程轉化海洋酶蛋白奠定了基礎。

4 產木聚糖酶菌株發酵工藝的研究

發酵條件也可以影響酶的活力。YU H等[7]從Marinimicrobiumsp.LS-A18中克隆得到木聚糖酶（XylM18）基因，在大腸桿菌BL21（DE3）中異源表達，工程菌發酵工藝優化，重組XylM18對木聚糖的表觀米氏常數（Km）和Vmax分別為1.60 mg/mL和130.1 U/mg；劉斌等[28]研究結果顯示，Asteromycessp.TM76發酵工藝優化后，木聚糖酶的最大酶活力為470.5 U/mL；DOS SANTOS J A等[31]通過對493株海洋微生物篩選及相應的發酵工藝優化，最終確定Aspergilluscf.tubingensisLAMAI 31可作為木聚糖生產的新菌種；EVELYN N等[34]從鏈霉菌屬中獲得木聚糖酶生產菌株，產木聚糖酶的最優工藝為pH8.0、培養溫度35℃、轉速150r/min，木聚糖酶的比酶活力為7 417 U/g；林小洪等[40]從福建平潭海域篩選到1株產木聚糖酶活力較高的菌株B659，經16S rDNA基因序列分析鑒定為同溫層芽胞桿菌（Stratosphericbacillus），通過發酵工藝的優化，木聚糖酶的活性達到了2 838 U/mL，為優化前的3.4倍，發酵周期也從72 h縮短至30 h。

5 木聚糖酶在工業中的應用

木聚糖酶被廣泛應用于飼料加工、制漿造紙、紡織以及食品等眾多工業領域，尤其是在造紙以及紙漿漂白工業中，木聚糖酶的應用更加廣泛[41]。RAGHUKUMAR C等[30]首次報道了一種耐高溫、無纖維素酶的堿性木聚糖酶的粗培濾液在紙漿生物浸出中的潛在應用；KHANDEPARKER R等[17]研究發現，木聚糖酶XynBT21具有從麥麩中生產木二糖的潛力；WU J等[27]認為木聚糖酶rXynMF13A對饅頭的生產有一定的促進作用，在烘焙、海產品加工中具有應用潛力；ROSMINE E等[36]研究發現，木聚糖酶對橙汁、菠蘿汁的澄清率分別為20.87%、27.89%，因此鏈霉菌ER1產生的木聚糖酶可用于果汁澄清；CHENG A C等[42]最近研究證實，在飼料中添加外源木聚糖酶可以改善羅非魚對養分的利用，從而促進魚類的生長；DJOHAN A C等[43]使用本土海洋細菌沙福芽孢桿菌（Bacillus safensis）LBF002的木聚糖酶可將稻草廢料轉化為還原糖低聚木糖，如木二糖、木己糖和木糖，將該木聚糖酶與含有25 g/L稻草的反應混合物在50 ℃孵育4 h，可獲得1 g/L的還原糖。

6 結論與展望

海洋木聚糖酶的來源廣泛，在細菌、真菌以及放線菌中都有木聚糖酶被篩選出來。木聚糖酶的應用主要體現在：在飼料工業中，水解飼料里的木聚糖成分，提高飼料的營養價值和利用率；在造紙工業中，用于紙漿的漂白，減少環境的污染；在食品行業上，用來生產功能性木寡糖，改善面包品質等。海洋木聚糖酶的產生環境非常廣泛，包括酸性到堿性環境以及中度嗜冷到中度嗜熱環境等[44]。此外，大多數海洋木聚糖酶都是嗜鹽的，有些可以承受金屬離子的存在，這些金屬離子往往對包括陸源木聚糖酶在內的其他酶有抑制作用[45]，這些特征突出了海洋木聚糖酶在工業應用領域的特殊潛力。對海洋微生物的研究，可能會分離出更多催化潛力更強的海洋木聚糖酶。