植物是自然界主要的可再生有机资源,主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。半纤维素占植物干重的35%,在自然界中含量仅次于纤维素。与纤维素(B-1,4葡聚糖主链)相比,半纤维素结构与组成十分复杂,包括木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多种组分,而其中又以木聚糖和甘露聚糖两种多糖与食品、饲料及制浆造纸工业关系最大[1,2,33],所以在此我们着重讨论与木聚糖和甘露聚糖有关的半纤维素和半纤维素酶。
木聚糖和甘露聚糖是含有不同糖残基的分支杂多糖。木材中的甘露聚糖都是由吡喃甘露聚糖和吡喃葡萄糖通过B-1,4糖苷键交联而成的葡甘露聚糖,软木中的半纤维素主要是一些含有乙酰取代基或半乳糖取代基的葡甘露聚糖[4]。许多植物种子中的半纤维素主要是半乳甘露聚糖[3]。硬木中的半纤维素主要是木聚糖[2],木聚糖骨架主要由木糖通过B-1,4糖苷键连接而成,此外还含有乙酰基、阿拉伯糖残基、葡萄糖醛酸残基等多种侧链取代基。B-甘露聚糖酶(1,4-B-D-mannanmannohydrolase:EC3.2.1.78)作用于甘露聚糖主链的甘露糖苷键而水解甘露聚糖;B-木聚糖酶(1,4-B-D-xylanxylanohydrolase:EC3.2.1.8)作用于木聚糖主链的木糖苷键而水解木聚糖。这两类酶均为内切型酶,可随机切断主链内的糖苷键而生成寡糖,然后再由不同的糖苷酶(B-葡萄糖苷酶、B-甘露糖苷酶或B-木糖苷酶)以外切型机制作用于寡糖。由于半纤维素常含有侧链取代基,如阿拉伯糖残基、半乳糖残基、葡萄糖醛酸残基和乙酰残基,所以半纤维素的复杂水解过程还需要分枝酶如阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、葡萄糖苷酸酶和乙酰木聚糖酯酶以除去侧链取代基,这些酶协同作用才能最大限度地水解底物[5~7]。
1 半纤维素酶的应用
生物转化在处理废弃物方面体现了远大的发展前景,应用半纤维素酶可将木质纤维性材料生物转化为单细胞蛋白、乙醇或其他有用物质[4,8,9]。酶法水解半纤维素还可得到各种低聚糖,这些低聚糖作为功能性食品越来越受到人们的重视[10]。此外半纤维素酶还广泛应用于食品和饲料工业中,半纤维素酶与果胶酶和纤维素酶一起可用于水果、蔬菜的浸软及果汁(酒)的澄清;在改善烘烤食品的质地、结构,提高咖啡和植物油浸出率以及改善青贮饲料的营养价值等方面,半纤维素酶也都体现了广阔的应用前景[11~14]。目前,应用半纤维素酶最广、最成功的领域是纸浆业。人们已能成功地应用半纤维素酶对牛皮纸浆(kraftpulp)进行预漂白和获得高纯度纤维素浆,并尝试开拓酶法去皮和酶法脱墨等新应用领域[15~19]。
1.1 在咖啡和面包生产中的应用
半纤维素酶在速溶咖啡生产中应用极广。常规法生产速溶咖啡是将咖啡豆提取液浓缩后直接进行冷冻干燥或喷雾干燥,由于咖啡豆中含有大量的半乳甘露聚糖,从而造成提取过程中粘度过大,给随后的浓缩和干
燥带来困难。使用甘露聚糖酶可以分解咖啡中的半乳甘露聚糖产生低聚糖,因此可大大降低咖啡的粘度,而粘度的降低可使生产中浓缩和干燥效率成倍提高,相应也就降低了速溶咖啡的生产成本。在谷物食品(主要是面包)上,半纤维素酶也体现了其独特的应用价值。面包食品的诸多特性在很大程度上受谷物面粉中戊聚糖和淀粉含量的影响,应用木聚糖酶可以水解谷物面粉中的木聚糖产生木寡糖,从而大大改善了面包的质地、结构和松软度。
1.2 在饲料生产中的应用
早在1957年,Jensen[20]报道在饲料中添加酶制剂可以改善其营养价值。新近研究[21]表明,饲料中所含的大量戊聚糖是其营养价值低的主要原因;戊聚糖作为一类抗营养因子不能为家禽或家畜所消化吸收,且其粘度较大,会影响其他营养因子的利用。应用木聚糖酶粗酶制剂可以显著改善黑麦饲料的营养价值从而提高饲料转率。当然,对于不同的谷类饲料其影响因子也不同,例如,对于大麦饲料,B-葡聚糖是主要的抗营养因子,这就需要添加B-葡聚糖酶以清除其影响。
1.3 在溶解纸浆中的应用
溶解纸浆是由牛皮纸浆(kraftpulp)或硫酸盐纸浆经过进一步精制和纯化而得的高纯度纤维素浆,通过一步衍生反应可以形成多种可溶性衍生物,这些可溶性衍生物可用于生产各种人造丝、纤维酯或塑胶。生产中对溶解纸浆的纯度要求极高,纸浆中木聚糖和甘露聚糖杂质的存在不仅会影响衍生反应的进行,而且还有可能产生不溶物阻塞加工设备或最终使产品形成色斑,有时还会给产品带来热不稳定性,因此必须有效去除这些杂质。工业生产中,为使溶解纸浆纤维素纯度达到98%,常需使用大量的氢氧化钠处理纸浆,这造成了严重的环境污染,为此,许多学者转而尝试生物法处理纸浆。Paice和Jarasek[22]首次利用了酶法去除纸浆中的半纤维素杂质,但效果不太理想,酶解作用并未有效去除硫酸盐纸浆中的木聚糖。究其原因,主要是因为木聚糖酶与木聚糖之间存在着空间位阻,使酶与底物不能充分接触;实验表明,适当延长浸润时间,除木聚糖酶外,其他一些蛋白如肌红蛋白、卵清蛋白和木素过氧化物酶都可进入纸浆纤维的次生壁并在片孔层中积累;纸浆中的纤维素基质与木聚糖紧密结合并相互交联,使木聚糖酶不能充分与木聚糖结合并作用,因而降低了酶解效率。如果先用少量纤维素酶对硫酸盐纸浆进行处理,则可极大提高木聚糖酶的酶解效率,应用木聚糖酶或甘露聚糖酶纯化纸浆纤维素,目的是尽可能去除残留的木聚糖或甘露聚糖,虽然这些酶并不能将纸浆纤维中所有半纤维素水解成寡糖,但经过酶的作用,这些半纤维素已经有很大程度的解聚,这就大大方便了随后的碱液抽提工作。今后,随着研究的深入,木聚糖酶和甘露聚糖酶会在溶解纸浆生产中发挥重要作用。
1.4 在纸浆预漂白中的应用
Fossum等人[23]指出以木聚糖酶对硫酸盐纸浆进行预漂白是未来制浆和造纸工业的一个重要发展方向。硫酸盐制浆技术在加拿大制浆和造纸工业中占主导地位,应用该技术不仅能生产出高强度的木材纤维,而且对所使用的化学药品可以回收利用。对于硫酸盐纸浆,尤其是软木的硫酸盐纸浆,漂白难度较大,为使纸浆亮度达90%以上,必须使用大量的氯和含氯化合物(如次氯酸钙、次氯酸钠和二氧化氯)进行漂白,这便带来许多问题:首先,该法对纤维素降解较为严重,从而降低了纸张强度;其次,漂白废液中含有有毒的有机氯化物,它们是潜在的致癌物质,同时漂白废液的COD值很高,造成了严重的环境污染;再者,漂白废液对设备腐蚀也较严重,不利于水的循环利用。为减少污染物的排放,许多学者提出了一些改良方法或替代技术,如用二氧化氯代替氯气进行漂白,使用含氧漂白,漂白废液进行生物处理等,然而这些方法也不尽如人意。使用含氧漂白(如过氧化氢、氧和臭氧)同样也引起纤维素降解,导致纸浆得率低、粘度低及成纸机械性能差、费用高等缺点。目前看来,应用木聚糖酶进行预漂白前景最为乐观。1986年,Chevalier等人[24]首次报道了木聚糖酶对硫酸盐纸浆的漂白有增强作用。木聚糖酶可以通过提高纸浆可漂性而减少氯的需用量,从而减轻了对环境的污染,并可提高成纸的白度,同时又降低了生产成本,因此越来越受人重视。北美和欧洲的许多造纸公司已将该技术应用于生产实践,结果表明可大大降低废液中的有机氯含量,并且对纸浆强度无显著影响。目前,欧洲的6家大型造纸公司和加拿大的4家大型造纸公司都已将木聚糖酶预漂白作为常规技术应用,不但提高了纸浆产量,同时也带动了木聚糖酶制剂市场的发展。未来的纸浆漂白技术是面向低氯和无氯漂白,而研究表明木聚糖酶能大大提高低氯和无氯漂白纸浆的可漂性。Wong等人[25]的工作揭示,应用商品木聚糖酶CartazymesHS对白杨木的硫酸盐纸浆进行预处理可使纸浆最终亮度达95%,并且减少了18%的氯用量;加拿大的Canfor造纸公司应用商品木聚糖酶Albuzyme10在pH5.5条件下对硫酸盐纸浆预处理,结果使低氯漂白中的二氧化氯用量减少了16%,使漂白废液中有机氯化物含量降低了14%;西班牙Miranda造纸公司应用木聚糖酶CartazymesHS对一种桉树的硫酸盐纸浆进行预漂白,最终使其亮度达到100%;Kopo-nen的工作[26]报道应用一步过氧化物漂白(无氯漂白)并不能使铁杉木的硫酸盐纸浆达到规定亮度,但如用木聚糖酶预漂白,则最终可使其亮度达95%以上。可见,木聚糖酶在低氯和无氯高白度纸浆生产中有其重要作用。
2 结 语
木聚糖酶在食品、饲料和造纸工业中的广泛应用开辟了半纤维素酶的应用新领域,尤其是酶法漂白用于造纸工业是一项新技术,它的研究、开发和利用已引起行家的关注。国内在这方面的研究才刚刚起步,相信在不久的将来,这项利于提高纸浆质量,同时又利于环保的新技术会得到广泛应用。
