[发明专利]一种新型内切木聚糖酶及其编码基因和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及一种新型内切木聚糖酶及其编码基因和应用。

背景技术

木聚糖简介。木聚糖，是植物细胞壁中半纤维素的主要成份，由木糖分子(DXylose)以β-1，4-连结成主链；阿拉伯呋喃糖苷基、葡糖醛酸基或乙酰基等连结成支链。在自然界中是除纤维素之外含量最为丰富的可再生植物多糖。

木聚糖的来源。富含木聚糖的原料来源广泛，包括硬木、软木、秸秆、稻草、麸皮等农、林、工业废弃物及城市固体垃圾等。且不同植物所含木聚糖的多少也有所差别，一般硬材中所含木聚糖比软材中多，硬材中能占到干重的15～30％，软材中一般占干重的7～12％。而在一些一年生植物如小麦、甘煎、棉子壳中，木聚糖含量则高达30％以上。

木聚糖酶简介。木聚糖酶是一系列糖基水解酶(E.C.3.2.1.x)的总称。由于组成木聚糖单糖单元的差异、键的类型不同、以及木聚糖中存在许多不同取代基的支链，木聚糖的彻底降解需要多种酶参与，包括：内切-1，4-β-木聚糖酶(endo-β-1，4-xylanase，EC 3.2.1.8)，β-木糖苷酶(β-xylosidase，EC 3.2.1.37)，α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶(α-L-arabinofuranosidase，E.C.3.2.1.39)、β-D-葡萄糖醛酸苷酶(β-D-glucuronidase，EC 3.2.1.39)、乙酰木聚糖酯酶(acetyl xylan esterases，E.C.3.1.1.72)以及降解阿拉伯糖侧链残基与酚酸(如阿魏酸或香豆酸)形成的酯键酚酸酯酶(ferulic or p-coumaric acid esterase，E.C.3.2.1.73)等。其中，内切-1，4-β-木聚糖酶是降解木聚糖最主要的酶。该酶以内切方式作用于木聚糖主链内部的β-1，4-木糖苷键，将大分子多聚木糖水解为低聚木糖和少量木糖，从而起始多聚糖的逐步降解(Bernier R，Driguez H，Desrochers M Gene 26：59-65，1983)

木聚糖酶在传统产业中的应用。木聚糖酶被广泛应用于包括食品、饲料、造纸、纺织等各种工业部门中，并在其中扮演重要的角色。第一，在食品工业中，木聚糖酶被用于水果、蔬菜和植物加工，以促进浸渍过程，使汁液澄清，提高产量和过滤效率；被用于葡萄酒制造和酿造以促进葡萄皮浸渍和降低成品的混浊度；被用于培烤、磨粉、糕点、糖果的加工中以提高面团的弹性和强度，改善的面包质地；被用于咖啡加工中，以降低咖啡提取物的粘度并改善了干燥/冻干过程。第二，在造纸工业中，木聚糖酶被用于促进制浆处理和代替机械制浆，不仅能有效降低能量消耗还可提高纸浆的原纤维形成和透水性进而提高加工效率和纸张强度。第三，在纺织工业中，木聚糖酶被用于纺织品(亚麻，黄麻，兰麻，大麻等)的酶解返麻中，以减少或替代化学混麻方法。第四，在农牧业中，木聚糖酶被广泛应用于单胃动物(如猪和家禽)以及反刍动物的饲料中。辅助动物有效降解木聚糖，降低饲料中非淀粉多糖的含量，以提高饲料的可消化性和营养价值同时减少环境污染。

木聚糖酶在生物能源领域的作用。尤为重要的是，在全球化石资源日益枯竭，开发新型生物能源迫在眉睫的背景下，木聚糖酶可与其他纤维素酶、半纤维素酶共同应用于将木质纤维素转化为燃料乙醇的工业生产中。一方面，木聚糖酶通过降解木质纤维素中与木质素及纤维素骨架链紧密交联的半纤维素链，大大提高纤维素酶接触并作用于纤维素链的频率和效率，从而间接提高纤维素的降解效率；另一方面，随着近年来五碳糖发酵途径及菌株的研究、开发，利用细菌、酵母及丝状真菌发酵木聚糖水解产物木糖生产燃料乙醇的工艺日趋成熟。两方面共同作用使木质纤维素的转化效率大大提高，从而有效降低燃料乙醇的生产成本。

木聚糖酶的研究历史。由于木聚糖酶有着广泛的用途，对木聚糖酶的研究早在六十年代就已开始，且已经从不同来源的微生物中分离到大量的不同类型不同功能的木聚糖酶。研究得较为清楚的有Trichoderma reesei(里氏木霉)、Aspergillus niger(黑曲霉)、Streptomyces lividans(变铅青链霉菌)、Cellulomonas fimi(粪肥杆菌)、Clostridium thermocellum(热纤梭菌)、Penicillium simplicissimum(简青霉)等所产生的木聚糖酶。需要指出的是，这些木聚糖酶基因大部分都是从纯培养的微生物中分离出来的，而自然界中可培养微生物的种类尚不足1％，获得的木聚糖酶在理化特性、催化效率、产量等方面也远远不能满足现代工业生产的需求。