楊陽，王松濤，許正宏,2,，史勁松

1(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)2(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)3(江南大學 藥學院，江蘇 無錫，214122)4(國家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心，四川 瀘州，646000)

半纖維素是組成植物細胞壁的結(jié)構(gòu)性多糖，常與纖維素和木質(zhì)素緊密交聯(lián)形成木質(zhì)纖維素。木質(zhì)纖維素是最主要的植物生物質(zhì)，產(chǎn)生自光合作用中的CO2固定過程，半纖維素在其中的占比約為20%～40%[1]。受到基因型和環(huán)境條件的影響，半纖維素的組成可能在植物組織、植物物種甚至同一植物物種之間存在差異[2]。相較于木質(zhì)纖維素中含量最多、組成相對簡單的纖維素，半纖維素由不同類型單糖組成，結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，擁有著巨大的開發(fā)潛力。在自然界中，微生物是半纖維素降解中最主要的執(zhí)行者，相關(guān)酶系由于具備高效、專一、多樣化等特點，已被直接或間接應(yīng)用于食品、飼料、材料、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。為推進此類資源的有效利用，本文基于近年來國內(nèi)外的相關(guān)研究成果，對半纖維素分子結(jié)構(gòu)特點，微生物源半纖維素酶的分類、作用特征及開發(fā)手段，半纖維素酶在釀造中的應(yīng)用等方面的研究進展進行了綜述。

1 半纖維素

半纖維素作為自然界中第二大豐富的多糖，分子鏈較短且多帶支鏈，以無定形非晶質(zhì)體形式存在，是一群復(fù)合聚糖的總稱，主要包括由戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)和(或)己糖(D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖)等單糖基團混合組成的異質(zhì)多聚體(以木糖含量最為豐富)，側(cè)鏈還可能含少量糖醛酸(D-葡糖醛酸、4-O-甲基-D-葡糖醛酸和D-半乳糖醛酸)基團[3]。半纖維素通常通過共價鍵和氫鍵相互連接，也可能通過芳香酯鍵與木質(zhì)素緊密結(jié)合，并通過氫鍵與纖維素結(jié)合，從而形成纖維素與木質(zhì)素之間的鍵合。

“半纖維素”最早由德國科學家SCHULTZE于1891年提出，其定義被后來的研究者不斷完善修訂，被廣為接受的是“能溶于稀堿溶液(無論冷熱)但不溶于水，且易被熱的無機酸稀溶液水解成單糖或糖酸的植物組織成分”[4]，不過之后的研究發(fā)現(xiàn)仍有某些半纖維素類別與此定義相悖。出于習慣以及為了方便理解，大多數(shù)研究人員目前仍在使用“半纖維素”指代一類主要由葡萄糖、甘露糖或木糖以β-(1→4)糖苷鍵相連組成骨架結(jié)構(gòu)、既非纖維素也非果膠的植物細胞壁多糖。有學者提議，半纖維素應(yīng)在廣義基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，用以指代呈現(xiàn)出圖1-a所示主鏈結(jié)構(gòu)的多糖，基于此，半乳聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖、愈創(chuàng)葡聚糖等多糖雖然有時被歸入半纖維素大類，但由于并不具備β-(1→4)主鏈結(jié)構(gòu)，因此不應(yīng)被納入半纖維素的狹義范疇[5]。根據(jù)化學組成和結(jié)構(gòu)的不同，半纖維素主要分為甘露聚糖、木聚糖、木葡聚糖以及β-(1→3, 1→4)-葡聚糖。

a-半纖維素中的二糖重復(fù)結(jié)構(gòu)(主鏈C1和C4位糖苷鍵為平伏鍵型)；b-半乳聚糖中的二糖重復(fù)結(jié)構(gòu)(主鏈 C4位糖苷鍵為直立鍵型，不應(yīng)被歸入半纖維素)圖1 半纖維素和某種非半纖維素的二糖結(jié)構(gòu)區(qū)別示意圖[5]Fig.1 Difference between the disaccharide structures of hemicelluloses and a non-hemicellulose

1.1 甘露聚糖

甘露聚糖在自然界中廣泛分布，這類多糖的主鏈或全部由吡喃甘露糖基構(gòu)成[如線性甘露聚糖和半乳甘露聚糖(galactomannans，GaM)]，或由吡喃甘露糖基和吡喃葡萄糖基以非重復(fù)模式構(gòu)成[如葡甘露聚糖(glucomannans，GM)和半乳葡甘露聚糖(galactoglucomannans，GGM)]。其中，線性甘露聚糖較少見，主要存在于象牙棕櫚果等種子的胚乳中，是一種主鏈上僅含甘露糖殘基的同質(zhì)多糖[6]。

1.1.1 GaM

GaM主鏈由甘露糖基通過β-(1→4)糖苷鍵連接而成，并在C6位不同程度地存在著半乳糖殘基的分支。這是一類中性的甘露聚糖，常見于豆科等植物種子的貯藏組織細胞壁中[7-8]。GaM與線性甘露聚糖的區(qū)別在于前者側(cè)鏈上半乳糖基的含量不低于5%[6]。較高的側(cè)鏈半乳糖基含量會提高多糖的水溶性，這主要歸結(jié)于半乳糖取代基團對主鏈固態(tài)堆積作用的抑制及其通過 (1→6)鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)對液態(tài)構(gòu)象熵值的提升[9]。

1.1.2 GM

GM是軟木次生細胞壁中主要的半纖維素組分，在硬木、草本、禾本等植物中分布較少，分支很少且主要發(fā)生在甘露糖殘基C6位上[10]。甘/葡基數(shù)量比值因來源不同而有較大差異[6]。食品領(lǐng)域常用的GM主要提取自魔芋塊莖，其甘/葡基數(shù)量比為1.6∶1，且平均每19個主鏈單糖殘基中有1個被乙?；痆10]。

1.1.3 GGM

在GM的骨架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，GGM中的半乳糖基通過α-(1→6)糖苷鍵與主鏈上的甘露糖或葡萄糖單元相連，部分側(cè)鏈糖基上發(fā)生乙?；?。半乳糖基團在多糖中的占比是否達到15%是區(qū)分GM和GGM的標準[10]。隨著半乳糖支鏈的增加，相應(yīng)GGM水溶性也隨之增高[11]。

1.2 木聚糖

木聚糖是自然界中最豐富的半纖維素，以吡喃木糖基團通過β-(1→4)糖苷鍵相連，木糖的C2和C3位置可能發(fā)生葡糖醛酸、4-O-甲基-葡糖醛酸、阿拉伯糖、乙酸等基團的取代[12-13]。除此之外，酚酸(主要是阿魏酸和對香豆酸)可以通過酯鍵與阿拉伯糖殘基連接，這種結(jié)構(gòu)可能有利于木聚糖與其他半纖維素或木質(zhì)素的交聯(lián)[13-14]。側(cè)鏈類型與木聚糖的來源相關(guān)，根據(jù)側(cè)鏈的不同，木聚糖主要分為4類：同質(zhì)木聚糖(homoxylans，HX)、阿拉伯木聚糖(arabinoxylans，AX)、葡糖醛酸木聚糖(glucuronoxylans，GX)和阿拉伯糖基葡糖醛酸木聚糖(arabinoglucuronoxylans，AGX)。

1.2.1 HX

HX中僅含有木糖殘基，這類木聚糖僅被發(fā)現(xiàn)于海草和海藻中，以直鏈或支鏈形式存在。木糖殘基間通過β-(1→4)或β-(1→3)糖苷鍵連接，同一原料中也可能混合存在2種連接方式[7]。

1.2.2 AX

AX是谷物淀粉質(zhì)胚乳(面粉)和外層(麩皮)中的代表半纖維素，存在于小麥、大米、玉米、高粱等許多主流作物中，也見于單子葉植物黑麥草、竹筍和安哥拉草等種子[8,10]。阿拉伯糖是AX最主要的側(cè)鏈基團，與主鏈中木糖殘基C2位以α-(1→2)鍵和(或)C3位以α-(1→3)鍵相連。阿拉伯糖取代基的分布會影響AX的可溶性和可提取性，例如從黑麥和小麥麥粉中所提取的水溶性AX即具有較高的阿拉伯糖含量和取代度，其阿拉伯糖和木糖糖基數(shù)量比值可達到1∶(1.1～2)[非水溶性AX中這一比值為1∶(3～5)][15]。此外，酚酸可通過酯鍵與阿拉伯糖的C5位連接，且這類基團易發(fā)生氧化偶聯(lián)反應(yīng)從而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進而影響面粉的烘焙性質(zhì)[16]。

1.2.3 GX

絕大多數(shù)的GX擁有單獨的4-O-甲基-D-葡糖醛酸殘基與主鏈木糖基團的C2位相連，被稱為4-O-甲基-D-葡糖醛酸木聚糖(4-O-methyl-D-glucuronoxylan，MGX)，不過其中的糖醛酸側(cè)鏈也可能存在4-O-無甲基化的形式[8]。MGX是硬木中最主要的半纖維素，占生物質(zhì)干重的15%～30%[17]，其中的木糖與4-O-甲基-D-葡糖醛酸殘基的平均數(shù)量比值約10∶1[8]。在自然狀態(tài)下，MGX木聚糖主鏈中木糖殘基在C2位和(或)C3位部分乙?；煌参镏蠱GX的乙?；潭扔兴煌?。乙?；鶊F與木聚糖的溶解性有關(guān)，其與糖單元之間的連接鍵在必要的堿性提取條件下易斷，從而造成木聚糖在制備中的部分或完全不溶。

1.2.4 AGX

在GX結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，AGX另有L-阿拉伯糖主要通過α-(1→3)糖苷鍵連接在主鏈上的小部分木糖殘基上。AGX是禾谷類植物木質(zhì)化支撐組織細胞壁中的主要半纖維素，可從劍麻、玉米穗軸和小麥秸稈中分離得到[15]。在AGX的典型結(jié)構(gòu)中，L-阿拉伯糖、D-葡糖醛酸(4-O-甲基-D-葡糖醛酸)、D-木糖的數(shù)量比約為1∶2∶8[18]。阿魏酸可通過酯鍵與這類多糖中的阿拉伯糖殘基連接，這種連接方式在禾本植物細胞壁中廣泛存在。與乙?；鶊F相似的是，酯結(jié)合態(tài)的阿魏酸基團在AGX的堿提取過程中也容易丟失。

1.3 木葡聚糖

木葡聚糖(xyloglucans，XG)是高等植物初生細胞壁的主要成分，在雙子葉植物中約占初生細胞壁的20%～25%，在針葉木中約占10%，在禾本植物中占比略低(2%～5%)[10]。XG骨架與纖維素類似，由吡喃葡萄糖單元通過β-(1→4)糖苷鍵連接而成，部分主鏈基團C6位被吡喃木糖殘基取代。在雙子葉植物來源的XG中，約60%～75%的葡萄糖單元連有木糖取代基，而在禾本植物來源的XG中，這一比例為30%～40%[15]。XG與纖維素間存在的氫鍵對該半纖維素組分的提取有負面影響，此外XG也會以共價鍵進一步固定在細胞壁中，例如與果膠羧基基團間形成酯鍵，或通過阿魏酸酯與果膠和其他半纖維素成分相連。

1.4 β-(1→3, 1→4)-葡聚糖

β-(1→3, 1→4)-葡聚糖[β-(1→3, 1→4)-glucans，BG]是由葡萄糖單元通過β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的線性多糖，主要存在于禾本科作物中，在問荊屬和苔類中也曾有報道。燕麥、大麥等谷物中的BG含量通常為3%～5%，而在某些品系的燕麥中，BG含量多達6%～7%，甚至某些大麥籽粒的BG含量可達到12%及以上。這類多糖主要分布于谷物的亞糊粉層和胚乳細胞壁，在細胞生長過程中逐漸與纖維素微纖絲交聯(lián)[19]。

2 半纖維素酶系

鑒于半纖維素復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點，要將不同的半纖維素利用酶法降解成寡糖、雙糖、單糖等更簡單的組分，通常需要多種具有相對專一性的生物酶聯(lián)合作用，這類生物酶均可歸屬為半纖維素酶系。根據(jù)底物特異性準則，國際生物化學和分子生物學聯(lián)盟將大部分半纖維素降解酶歸為O-糖苷水解酶(編號EC 3.2.1.x)；這類酶在碳水化合物活性酶(carbohydrate-active enzyme，CAZy)數(shù)據(jù)庫的分類體系中被歸入糖苷水解酶(glycoside hydrolases，GH)，并可按氨基酸序列同源性和疏水聚類作進一步家族分類[20]。

2.1 半纖維素酶系的分類

根據(jù)作用位點和方式的不同，半纖維素酶可被分為解聚型和脫支型2大類。解聚酶是水解半纖維素主鏈上連接鍵的一類半纖維素酶，包含內(nèi)切酶(從主鏈中間隨機水解)和外切酶(作用于主鏈末端)2大類；脫支酶也被稱作輔助酶，可按側(cè)鏈作用位點進行劃分，其中，水解糖苷鍵的成員在CAZy數(shù)據(jù)庫中被歸入GH家族，作用于糖基和乙酸或阿魏酸等側(cè)鏈基團之間酯鍵的成員被歸入碳水化合物酯酶(carbohydrate esterase，CE)家族[1]。

由于許多半纖維素要么是不溶的，要么與不溶的纖維素基質(zhì)緊密結(jié)合，因此大多數(shù)半纖維素酶都是模塊化蛋白，即除了催化域(catalytic domain，CD)之外還存在其他的功能模塊，其中以碳水化合物結(jié)合模塊(carbohydrate binding module，CBM)和Dockerin(對接模塊)最為關(guān)鍵。CBM是不具備催化作用的蛋白，與CD附著或關(guān)聯(lián)在一起，其功能為保證酶和不溶性底物的順利結(jié)合[21]，對酶的催化效率有重要影響[22]。而Dockerin則是通過組裝模塊——Cohesin(粘連模塊)/Dockerin之間的相互作用，將CD綁定至微生物細胞表面或纖維小體上，使得酶能更好地發(fā)揮功能[23]。

基于CAZy數(shù)據(jù)庫(http://www.cazy.org/)中更新的信息，半纖維素酶系主要成員及其作用對象、水解產(chǎn)物以及相關(guān)的CAZy酶家族總結(jié)見表1。

表1 半纖維素酶系主要成員信息Table 1 The hemicellulolytic enzymes

2.2 半纖維素酶系的多樣性與協(xié)同效應(yīng)

基于多樣的半纖維素結(jié)構(gòu)，微生物源半纖維素酶的多樣性和半纖維素酶系不同成員之間的協(xié)同作用，是有效降解半纖維素的前提和基礎(chǔ)，與其他相關(guān)多糖的降解同樣密不可分。

2.2.1 環(huán)境微生物中的半纖維素酶多樣性

從來源上看，半纖維素酶可由真菌、細菌、原生動物和藻類等許多生物產(chǎn)生[1]，相關(guān)微生物可在自然界中自由存在，在海水、泥土、堆肥、溫泉以及生態(tài)釀造等各式生境中均有發(fā)現(xiàn)，也可作為高等動物消化道的一部分出現(xiàn)[24]。這類酶可能在細胞內(nèi)作用，也可能被分泌到周圍環(huán)境中。相應(yīng)地，微生物在降解植物細胞壁中主要表現(xiàn)出3種生理策略：(1)某些好氧真菌，如木霉(Trichoderma)和曲霉(Aspergillus)能分泌多種類、高濃度、具有協(xié)同效應(yīng)的半纖維素酶，將多糖降解為單糖或雙糖，并可被周圍的微生物所利用；(2)某些好氧細菌，如芽孢桿菌(Bacillus)和纖維弧菌(Cellvibrio)分泌中等數(shù)量的多糖主鏈降解酶，降解生成相對較大的寡糖產(chǎn)物，這些寡糖的完全降解需要與細胞結(jié)合或胞內(nèi)酶繼續(xù)作用，這種模式的優(yōu)勢在于其胞外降解產(chǎn)物不容易被無半纖維素降解活性的競爭物種所利用；(3)某些厭氧細菌，如梭菌(Clostridia)進化出了獨特的酶復(fù)合體——纖維小體，可綁定整合多種纖維素/半纖維素裂解酶共同發(fā)揮作用[23]。

2.2.2 單一微生物中的半纖維素酶多樣性

在單獨的微生物中，也常見半纖維素酶多樣性的報道，草酸青霉(PenicilliumoxalicumGZ-2)能分泌8種木聚糖酶(分屬GH10、GH11、GH30家族)，并對應(yīng)6種木聚糖酶基因型[25]。嗜熱細菌Herbinixhemicellulosilytica至少能夠分泌6種新型嗜熱木聚糖(分屬GH10、GH11家族)、3種阿拉伯呋喃糖苷酶(分屬GH43、GH51家族)以及1種屬于GH43家族的β-木糖苷酶[26]。許多微生物常常產(chǎn)生多于1種的木聚糖酶，其多樣性可能源于不同的基因產(chǎn)物，也可能由翻譯后修飾的差異造成，包括糖基化作用、酶蛋白部分水解或兩者兼有[24]。在太瑞斯梭孢殼霉(ThielaviaterrestrisNRRL 8126)的培養(yǎng)過濾液中可檢測到5種不同的甘露聚糖降解酶，具體包括4種內(nèi)切甘露聚糖酶和1種β-甘露糖苷酶，均存在著不同程度(6%～36%)的糖基化[27]。糖基化是半纖維素酶最重要的翻譯后修飾方式，不僅與蛋白功能的多樣性和穩(wěn)定性相關(guān)，有時還可以直接影響酶活力。

2.2.3 半纖維素酶之間的協(xié)同效應(yīng)

酶的協(xié)同作用是指多種酶在共同作用時，其水解效率高于不同酶單獨作用時的效率總和。通過研究不同酶之間的協(xié)同作用，可以在酶總量不變或減少的情況下顯著提高半纖維素的轉(zhuǎn)化效率，從而降低酶的成本[28]。在木聚糖水解過程中，作用于主鏈的內(nèi)切木聚糖酶、β-木糖苷酶和切斷側(cè)鏈的α-阿拉伯呋喃糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶之間便存在著協(xié)同效應(yīng)[29]。乙酰木聚糖酯酶釋放乙酸這一過程，減少了內(nèi)切木聚糖酶攻擊木聚糖主鏈中的障礙，反過來內(nèi)切木聚糖酶催化釋放的短鏈乙?；嗵?，是更加適合酯化酶發(fā)揮活性的優(yōu)選底物。在甘露聚糖酶和甘露糖苷酶[30]，半乳糖苷酶和甘露聚糖酶[31]等半纖維素酶系成員之間，也可見關(guān)于協(xié)同效應(yīng)的報道。基于對位阻效應(yīng)的有效認識，已有研究將脫支酶作為預(yù)處理方式，用在添加主鏈解聚酶之前，這種方式可能有效但也有一些例外的情況，比如有的解聚酶發(fā)揮活性需以側(cè)鏈取代基的存在為前提[32]。此外，半纖維素酶系不同成員之間也存在著某種反饋調(diào)節(jié)機制，如對AspergillusnigerAn76的研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖主鏈降解酶的高效作用優(yōu)先受到可溶性糖的誘導(dǎo)，且木寡糖比木糖更能觸發(fā)木糖代謝中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子XlnR，進而增強酶的活性、縮短產(chǎn)酶時間，擁有取代基團的木寡糖還能夠負責提升脫支酶、特定轉(zhuǎn)運體以及戊糖分解代謝中的關(guān)鍵還原酶和脫氫酶的豐度[33]。

2.2.4 半纖維素酶與纖維素酶、淀粉酶之間的協(xié)同效應(yīng)

木質(zhì)纖維素降解的復(fù)雜性源于植物細胞壁的特殊三維結(jié)構(gòu)，其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)限制了酶的功能發(fā)揮，而這種限制可利用協(xié)同效應(yīng)在一定程度上予以克服。有研究表明，即使底物中的木聚糖含量非常低，額外添加的木聚糖酶也可有效促進纖維素酶的作用效果。SELIG等[34]使用纖維二糖水解酶分別聯(lián)合內(nèi)切木聚糖酶、阿魏酸酯酶、乙酰木聚糖酯酶共同作用于玉米秸稈纖維素，與單獨作用相比，纖維二糖釋放率提升了13%～84%。ZHU等[35]研究表明，當聯(lián)合菌劑EMSD5酶粗提物(以半纖維素降解酶為主)與商業(yè)纖維素酶制劑以3∶1比例處理玉米秸稈時，兩者之間達到最大協(xié)同系數(shù)1.96，纖維素和木聚糖轉(zhuǎn)化率分別為38.3%和18.7%。這一效應(yīng)同樣體現(xiàn)在發(fā)酵食品研究中，LIU等[36]以淀粉酶、木聚糖酶、纖維素酶的單酶和混酶組合分別處理面團，混酶處理后的面團伸展性相較單酶處理最高可提升42%，且3種酶在面團流變學特性上表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應(yīng)。

3 半纖維素酶系在釀造行業(yè)的研究與應(yīng)用

在釀造工業(yè)(由復(fù)雜成分構(gòu)成并有較高風味要求的發(fā)酵食品的生產(chǎn))中，考慮到豐富的釀造原料中均存在一定數(shù)量且種類多樣的半纖維素組分，同時基于對應(yīng)酶系可能賦予釀造過程的積極意義，研究者們紛紛嘗試對半纖維素酶在多類釀造過程中的適用性展開研究。

3.1 在葡萄酒生產(chǎn)中的用途

使用半纖維素酶、纖維素酶、果膠酶等混酶制劑有助于葡萄皮的軟化以及顏色的提取，有利于酒體的澄清和過濾，可改善葡萄酒質(zhì)量和穩(wěn)定性，并且它們還能減少使某些來源于果皮但會影響酒體風味的化合物，并提高令人愉悅的芳香物質(zhì)含量。SPAGNA等[36]將黑曲霉培養(yǎng)液中初步純化到的α-阿拉伯呋喃糖苷酶和β-葡萄糖苷酶用于釀造加工，能夠明顯提升葡萄酒中芳樟醇、香茅醇、橙花醇和香葉醇的濃度，進而影響產(chǎn)品品質(zhì)。MICHLMAYR等[38]將酒酒球菌(Oenococcusoeni)、黑曲霉等來源的α-阿拉伯呋喃糖苷酶和β-葡萄糖苷酶用于紅白兩種葡萄酒的處理，可從天然底物中額外釋放大量的單萜類風味化合物，這意味著這2種酶的參與和風味前體水解之間的關(guān)系甚密。LOUW等[39]將外源葡聚糖酶和木聚糖酶基因一起轉(zhuǎn)入商用酵母SaccharomycescerevisiaeVIN13的基因組中，并將這株重組酵母運用于不同品種的葡萄發(fā)酵中，相較各自對照組，赤霞珠實驗組發(fā)酵后非榨取酒液體積顯著增加，黑皮諾實驗組葡萄酒感官評鑒結(jié)果明顯更佳。此外，葡萄糖醛酸是葡萄糖的氧化產(chǎn)物之一，因具解毒作用而受到廣泛關(guān)注，在葡萄酒中的含量約為48～132 mg/L。由于葡萄糖醛酸是半纖維素側(cè)鏈上常見的基團，可推測相關(guān)半纖維素酶的使用，可能會直接改變產(chǎn)品中的糖醛酸含量從而影響其保健功能。

3.2 在啤酒生產(chǎn)中的用途

啤酒原料中的AX和BG含量較高、親水性較強，易造成生產(chǎn)中麥汁過濾困難、酒液渾濁、啤酒濾膜堵塞等問題，利用商品化木聚糖酶與β-葡聚糖酶間的協(xié)同效應(yīng)，有利于麥汁黏度的降低以及麥汁收率、酒液澄清度的提高，從而降低釀酒成本，這也是啤酒生產(chǎn)中較為常規(guī)的操作。ZHAO等[40]從嗜熱真菌Achaetomiumsp. Xz-8中克隆得到2種屬于GH11家族的木聚糖酶基因，當重組酶XynC83與商用β-葡聚糖酶聯(lián)合作用時，麥漿的過濾速度提升了34.76%，效果明顯優(yōu)于將速度提升20.71%的商品用啤酒過濾酶Ultraflo。此外，LI等[41]從黑曲霉中克隆得到一段假定為α-阿拉伯呋喃糖苷酶(屬于GH43家族)的基因，對應(yīng)的重組酶在人工底物(pNPαAraf)和天然底物(麥芽水溶性AX)的降解中都表現(xiàn)出了較高的水解活性，將其加入處于糖化初期的原料，可使得大麥麥汁的過濾速度提高12.8%。WU等[42]將重組阿魏酸酯酶用于麥芽糖化過程，結(jié)果表明,1.04 U/50 g處理組的麥汁過濾速度較未處理組提升14.5%，濁度和黏度分別下降22%和6.9%，阿魏酸含量上升約5倍。阿魏酸作為一種強抗氧劑，可有效減少啤酒中的羰基化合物，因此阿魏酸酯酶可從多方面對麥芽和啤酒成品的品質(zhì)產(chǎn)生正面的影響。而作為小麥啤酒重要風味物質(zhì)4-乙烯基愈創(chuàng)木酚的前體，阿魏酸基團的有效釋放也能夠通過酶促反應(yīng)的聯(lián)動使之含量提升，有利于小麥啤酒典型風味的呈現(xiàn)[43]。

3.3 在清酒生產(chǎn)中的用途

日本清酒以大米為原料，包覆在大米淀粉質(zhì)外的細胞壁在一定程度上限制了曲霉內(nèi)源糖化酶對原料的充分降解，從而造成了發(fā)酵后酒糟余量仍然較高的問題。SATO等[44]利用色譜層析從AspergillusoryzaeRIB128固培物中純化出3種木聚糖酶并運用至清酒發(fā)酵，其中XynG2實驗組出酒率相較對照組提高4.4%，剩余酒糟量降低4.6%，而XynG2之所以能夠如預(yù)期一樣有效作用于細胞壁，主要是由于相較其他同工酶，它能夠在較高濃度的乙醇環(huán)境中更長時間地保留自身活性。此外，ITO等[45]研究發(fā)現(xiàn)，原料大米本身的阿魏酸含量與清酒酒曲中的阿魏酸酯酶活力相關(guān)，從而與原料中木聚糖側(cè)鏈上阿魏酸基團的釋放過程關(guān)聯(lián)，最終影響清酒酒醅中的酚酸水平。雖然阿魏酸具備較突出的藥理功能，但它同時會賦予清酒一定的酸、苦、澀感，這導(dǎo)致前人更傾向于在清酒生產(chǎn)中對其含量水平予以控制，而阿魏酸乙酯口感溫和、苦甜適中，有助于遮蓋阿魏酸的味道。同一團隊的后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，用于清酒制曲的米曲霉產(chǎn)木聚糖酶水平很低，而當米曲中提取的混酶與木霉來源的混合酶制劑Amano T聯(lián)合作用時，清酒酒醅中阿魏酸及阿魏酸乙酯的含量明顯升高，純化實驗表明在其中起到關(guān)鍵作用的正是2種木聚糖酶(分屬GH10、GH11家族)[46]。由此可看出，ITO團隊基于半纖維素酶系，從多角度對以上2種物質(zhì)含量水平的控制提供了理論指導(dǎo)。

3.4 在白酒生產(chǎn)中的用途

就人工接種的酒精生產(chǎn)而言，木聚糖酶在玉米的酒精發(fā)酵中具有較為明顯的優(yōu)勢。徐曼等[47]研究表明，在釀酒酵母接種前向玉米帶渣發(fā)酵培養(yǎng)基中添加170 U/g木聚糖酶發(fā)酵48 h后，實驗組的酒精度可達到對照組的1.3倍，殘?zhí)呛渴呛笳叩?.4%。

就自然發(fā)酵的白酒生產(chǎn)而言，半纖維素酶在其中同樣表現(xiàn)出較強的應(yīng)用潛力。大曲酒是白酒中一類具有代表性的高品質(zhì)產(chǎn)品，禾本科谷物高粱、小麥分別是大曲酒釀制中糟醅、大曲的主要原料，均具有較高的AX和BG含量[48]。在大曲酒釀造中，大曲為發(fā)酵、產(chǎn)香提供了豐富的微生物菌群、風味(及前體)物質(zhì)以及生物酶類。李旭輝等[49]將高活力的木聚糖酶與大曲一并添加至原料糟酒醅中，能明顯提升出酒率和酒體乳酸乙酯的含量，降低醛類物質(zhì)和雜醇油含量。大曲作為富集天然菌群(以真菌為主)的養(yǎng)料載體，具有較強的半纖維素酶累積優(yōu)勢和潛力，相關(guān)菌群在特定的自然底物和發(fā)酵條件下被誘導(dǎo)產(chǎn)生多元半纖維素酶，可能對原料利用率的提高、特定酒體風味的形成、白酒發(fā)酵過程穩(wěn)定性的提升等方面帶來重要影響。鑒于白酒釀造原料中半纖維素來源和組成較為復(fù)雜，要充分了解其中半纖維素酶的誘導(dǎo)生成、協(xié)同降解以及多種產(chǎn)物的釋放情況，需借助基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學、代謝組學等多組學的技術(shù)支持，并結(jié)合大數(shù)據(jù)處理和關(guān)聯(lián)作圖等技術(shù)，才能更加系統(tǒng)、深入地分析半纖維素及其降解酶與釀造環(huán)境及釀造微生物之間的復(fù)雜關(guān)系，值得研究者們作進一步探究。

3.5 在醬油生產(chǎn)中的用途

美拉德反應(yīng)是在醬醅(醪)發(fā)酵中一種重要的非酶褐變，發(fā)生在羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸)之間，反應(yīng)產(chǎn)物能賦予產(chǎn)品獨特的風味和色澤，并擁有一定的抗氧化活性，最終生成的主要大分子物質(zhì)被稱作類黑精或擬黑素。在美拉德反應(yīng)中，反應(yīng)速度為戊糖>己醛糖>己酮糖>雙糖，且戊糖褐變速度高出己糖數(shù)倍。HASHIMOTO等[50]就曾通過實驗觀察到，醬曲來源的AspergillusnigerHL15產(chǎn)生的木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-阿拉伯呋喃糖苷酶能夠在質(zhì)量分數(shù)為15% NaCl溶液下高效協(xié)同降解AX，并釋放出多糖中的阿拉伯糖、木糖，據(jù)此他展望到，半纖維素酶系執(zhí)行的AX水解與醬油發(fā)酵中發(fā)生的美拉德反應(yīng)效果之間存在著相關(guān)性，這一關(guān)聯(lián)為工業(yè)上類黑精合成及醬油色的優(yōu)化提供了合適的切入角度。

綜上所述，在食品釀造中，充分利用并發(fā)揮半纖維素酶的多樣性與協(xié)同作用特性，能夠?qū)υ仙镔|(zhì)進行更加有效地利用、提升產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率，以及提高釀造產(chǎn)品的口感風味和營養(yǎng)價值，而在多菌種的生態(tài)釀造過程中，半纖維素酶系與釀造的過程控制密不可分，與其中菌、酶多樣性的形成相輔相成，這種多樣性組成了生態(tài)釀造產(chǎn)品獨特風味形成的前提和基礎(chǔ)。

4 展望

半纖維素降解酶作為一類在食品工業(yè)得到有效應(yīng)用的生物催化劑，在釀造領(lǐng)域中的研究開展得還較少，主要集中在產(chǎn)品的降粘、增香、提高原料利用率等方面。為實現(xiàn)行業(yè)良性的可持續(xù)發(fā)展，有必要在半纖維素高效酶降解的基礎(chǔ)之上，更加系統(tǒng)性、針對性地開展半纖維素酶的應(yīng)用研究。為實現(xiàn)半纖維素的高效酶降解，一是要積極借助現(xiàn)代微生物篩選新技術(shù)，如通過培養(yǎng)組學技術(shù)獲得酶系良好、性能優(yōu)異的功能菌株(以真菌和嗜熱細菌為主)，進而對制曲或釀造的過程進行強化；二是對一些能夠大幅度改善發(fā)酵過程、提升產(chǎn)品風味營養(yǎng)的半纖維素酶，可通過現(xiàn)代化的表達技術(shù)，在發(fā)酵過程中進行添加，這其中也可能涉及到編碼基因的改造使其針對性地滿足各種應(yīng)用要求，如提高酶的活性、底物特異性、對映選擇性、立體專一性、穩(wěn)定性以及對有毒試劑和極端條件的耐受性等；三是利用特異的惰性材料對半纖維素酶進行固定化，進行仿生發(fā)酵以改善或強化釀造過程。相關(guān)的研究成果可組成微生物源半纖維素酶資源得以進一步開發(fā)利用的基礎(chǔ)，使其能夠在釀造領(lǐng)域最大限度地發(fā)揮作用，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)成本。