張相鑫 譯自，2021，11(3)：609

靳文廣 校 王晶晶 審 孟祥光 制表

5 木聚糖酶

除了對木質(zhì)纖維素材料進行化學和酶處理來生產(chǎn)用于動物飼養(yǎng)的低聚木糖外，在單胃動物飼料中添加木聚糖酶也引起了研究人員極大的興趣。正如上文所述，常見谷物及相關副產(chǎn)品含有不同水平的非淀粉多糖(non-starch polysaccharide，NSP)，這會增加動物小腸中食糜的黏度，導致營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和吸收率降低。此外，食糜黏度增加會導致黏膜表面的形態(tài)發(fā)生變化，增加小腸中病原體載量，延長食糜的轉(zhuǎn)運時間。

木聚糖酶被歸類為糖苷水解酶，可催化水解木聚糖聚合物中的1,4-β-D-木糖苷鍵。內(nèi)切木聚糖酶的特點是水解木聚糖聚合物內(nèi)部的鍵，外切木聚糖酶的作用是從還原端或非還原端水解木聚糖。最初，Wong 等根據(jù)木聚糖酶的理化性質(zhì)嘗試對其進行分類，并提出分為兩類，即低分子量(＜30 kDa) 和堿性等電點(isoelectric point，pI) 的木聚糖酶，以及高分子量(＞30 kDa)和酸性pI 的木聚糖酶。這種分類方法很快被一個更完整的系統(tǒng)所代替，因為在鑒定的木聚糖酶(特別是真菌木聚糖酶)中，約有30%無法按該方法進行分類。新的分類系統(tǒng)不僅促進了木聚糖酶的分類，而且促進了糖苷水解酶的分類(EC 3.2.1.x)，至今仍是標準的分類方法。該系統(tǒng)僅根據(jù)催化結(jié)構(gòu)域的一級結(jié)構(gòu)對酶進行分類，然后將相關序列的酶分為一個家族。最初，木聚糖酶和纖維素酶被分為6 個家族；目前，在碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫(截至2020 年12 月22 日)中已確認有168 個糖苷水解酶(glycoside hydrolase，GH) 家族。由于趨異進化，一些家族具有相關的三維結(jié)構(gòu)，被分為更高的級別，稱為族。到目前，已經(jīng)提出了18 個不同的族(GH-A 至GH-R)，除了GH-A 包含24 個家族外，大多數(shù)族包含2～3 個家族。木聚糖酶通常分布在GH10 和GH11。

到目前為止，GH5、GH8、GH10、GH11、GH30、GH43、GH51 和GH98 是EC 3.2.1.8 歸類的8 個糖苷水解酶家族。不同內(nèi)切木聚糖酶的分類反映了它們在各種應用中的用途，其中GH10 和GH11 是最常用和研究最多的。GH10和GH11 構(gòu)成了試驗中用于生產(chǎn)不同類型低聚木糖的主要酶。從細菌內(nèi)切-β-木聚糖酶中獲得的基因主要來自厚壁菌門和放線菌門的革蘭陽性菌，其中最常見的是桿菌綱和梭菌綱。鏈霉菌屬是大多數(shù)產(chǎn)內(nèi)切-β-木聚糖酶的候選菌。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，獲得低聚木糖的模式至少在某種程度上依賴于GH 家族。對木霉菌木聚糖酶進行的一項研究顯示，GH10 木聚糖酶對小分子底物具有較高的活性，導致優(yōu)先產(chǎn)生聚合度較低的低聚木糖(木二糖到木戊糖)。相反，GH11 木聚糖酶對大分子底物更具活性，導致產(chǎn)生聚合度較高的低聚木糖(木二糖到木己糖)。此外，Abou-Hachem 發(fā)現(xiàn)，湖北擬酵母菌產(chǎn)生的兩種木聚糖酶分別為GH10 和GH11，不能產(chǎn)生木糖或木二糖，而只產(chǎn)生木二糖到木庚糖。這一發(fā)現(xiàn)表明，低聚木糖的產(chǎn)生模式是酶依賴性，而不僅僅是家族依賴性。GH10 木聚糖酶已被證明能水解異木聚糖中的β-1,4-木糖苷鍵，當在活性位點時也能在一定程度上水解葡萄糖。據(jù)報道，GH10 木聚糖酶作用于不溶性木聚糖的能力較低，但可作用于取代木糖主鏈的木聚糖。有趣的是，GH10 木聚糖酶對短鏈低聚木糖表現(xiàn)出很高的親和力，表明存在一個小的底物結(jié)合位點。

GH11 木聚糖酶對有木糖主鏈且不存在葡萄糖的異木聚糖表現(xiàn)出較高的活性。有趣的是，GH11 木聚糖酶更喜歡長鏈底物，對聚合度3(木三糖)到聚合度5(木戊糖)的低聚木糖的親和力較高，而對聚合度小于3 的低聚木糖沒有活性。與GH10 木聚糖酶相比，GH11 木聚糖酶的取代限制通常導致取代的木聚糖的總降解量更低，而GH10 木聚糖酶可以在活性位點降解取代度高的木聚糖。然而，由于GH11木聚糖酶的分子量較小，與GH10 木聚糖酶相比，該酶降解不溶性木聚糖的效率更高。

之前被歸類到GH5 的木聚糖酶現(xiàn)在被重新歸類到GH30，因為系統(tǒng)發(fā)育分析表明這些酶與GH30 更相似。GH30 木聚糖酶分為8 個亞家族，主要基于構(gòu)成β-結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)的排列。大多數(shù)活性較高的木聚糖酶屬于第8 亞家族，第7 亞家族中的兩種木聚糖酶除外。目前，有9 種GH30 木聚糖酶的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，其中4 種已被廣泛研究，分別是枯草芽孢桿菌的BSXynC、菊基腐病菌(Erwinia chrysanthemi) 的EcXynA、巴塞羅那類芽孢桿菌(Paenibacillusbarcinonensis)的Xyn30D 和溶紙梭菌(Clostridium papyrosolvens) 的CpXyn30A。BsXynC 和EcXynA 是第一批被歸類為GH30 的木聚糖酶，具有GH30_8 木聚糖酶的共同特征。這兩種木聚糖酶與GH10 和GH11 木聚糖酶不同，它們對葡萄糖醛酸木聚糖和被甲基葡萄糖醛酸或葡萄糖醛酸取代的低聚木糖具有較高的親和力，而對未取代的木聚糖、低聚木糖和阿拉伯木聚糖的親和力較低。來自巴塞羅那類芽孢桿菌的Xyn30D 歸類于EC 3.2.1.136，僅對葡萄糖醛酸木聚糖有活性，而來自溶紙梭菌的CpXyn30A 歸類于EC 3.2.1.8，對葡萄糖醛酸木聚糖的親和力一般，但對阿拉伯木聚糖和低聚木糖的親和力較高。

β-D-木糖苷酶(EC 3.2.1.37) 從非還原端把低聚木糖切割為木糖單體；乙酰木聚糖酯酶(EC 3.1.1.72)、阿魏酸酯酶(EC 3.1.1.73)、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶(EC 3.2.1.55.)、對香豆酸酯酶(EC 3.1.1.B10)和α-D-葡萄糖醛酸酶(EC 3.2.1.139) 催化側(cè)基的去除。因此，從理論上來說，在玉米型飼料(富含纖維) 中添加木聚糖酶，可以增加飼料中纖維提供的能量，從而提高生長性能。然而，很少有研究報道消化率和生產(chǎn)性能都得到了改善。Bedford 提出的一個假設認為，這些非淀粉多糖酶(non-starch polysaccharide enzymes，NSPases) 可能產(chǎn)生低聚糖，然后向微生物區(qū)系發(fā)出信號，從而提高整個系統(tǒng)降解纖維的能力，而不是產(chǎn)生更多的可發(fā)酵糖。根據(jù)該假設，最近在雞上進行的一項研究證明了這一點，與對照組相比，日糧中添加木聚糖酶35 d 后，木聚糖酶組雞盲腸中的戊糖和阿拉伯低聚木糖的發(fā)酵程度更高。在Duarte 等進行的一項研究中，在斷奶仔豬的兩個飼養(yǎng)階段的日糧中添加木聚糖酶或蛋白酶或兩種酶的組合，共24 d。該研究發(fā)現(xiàn)，當兩種酶組合使用時，豬的體重增加，而單獨添加時則沒有增加。該試驗得出的結(jié)論是，添加木聚糖酶(45 000 XU/kg)可改善斷奶仔豬的生長性能和腸道形態(tài)，降低食糜黏度，減少腸道氧化應激；此外，由于絨毛長度的增加、隱窩深度和細胞增殖的降低，蛋白酶在維持腸道形態(tài)方面更有效。這些結(jié)果與Passos等的研究結(jié)果有一定的相關性，他們發(fā)現(xiàn)，當飼喂含30%干酒糟及其可溶物(distillers dried grains with solubles，DDGS) 的 飼料時，添加木聚糖酶可降低仔豬空腸食糜的黏度，從而提高營養(yǎng)物質(zhì)利用率。該研究獲得的數(shù)據(jù)還表明，隨著日糧中木聚糖酶水平的提高，干物質(zhì)、有機物、能量、中性洗滌纖維和粗灰分的消化率分別提高了9.2%、8.5%、9.3%、12.4%和10.7%。這些結(jié)果與Diebold 等早期進行的研究一致，當在育肥豬日糧中添加木聚糖酶后，有機物、粗蛋白、粗纖維、中性洗滌纖維和能量的回腸消化率均有所提高，但幅度較低。有趣的是，一項關于在生長豬(體重26 kg)飼料中添加木聚糖酶的研究發(fā)現(xiàn)，干物質(zhì)、粗蛋白和能量的表觀回腸消化率提高幅度較低(＜2%)，但效果顯著。當然，成年豬的胃腸道更長、更發(fā)達，分解纖維素的能力更強，料肉比更低，食糜通過速度更慢。與保育豬或早期生長豬等幼齡豬相比，母豬等大齡和成年豬消化纖維成分的能力更強，因為纖維消化率和纖維降解能力隨著體重的增加而提高。事實上，J?rgensen 等報道，與生長豬相比，母豬在小腸中能消化更大比例的NSP。該研究還發(fā)現(xiàn)，母豬消化不溶性NSP 的能力更強；然而，母豬和生長豬對可溶性NSP 的消化率沒有差異。成年豬和體重較大的豬對纖維降解和消化能力的增強，可能會限制添加到飼料中木聚糖酶的效果。Kerkaert 等通過試驗研究了木聚糖酶對1 944 頭生長育肥豬(初始體重22.63 kg，終末體重133.64 kg)生長性能和胴體品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加木聚糖酶組的豬與對照組的豬相比，在平均日增重、日均采食量或飼料轉(zhuǎn)化率方面均沒有差異。值得注意的是，該研究在營養(yǎng)充足的玉米-大豆型飼料中分別添加了0、5、10、20、40、75 IU/kg 的木聚糖酶。雖然在生長性能或接受注射治療的豬的百分比和總體死亡率方面沒有差異，但添加中等水平的木聚糖酶時，豬的屠宰率確實增加了。

常見飼料中的木聚糖酶抑制劑是另一個需要克服的障礙。20 世紀90 年代末，研究人員首次在小麥中發(fā)現(xiàn)了木聚糖酶抑制劑。在首次發(fā)現(xiàn)之后，在大麥、黑麥和玉米中也發(fā)現(xiàn)了這些蛋白類木聚糖酶抑制劑。小麥含有三種結(jié)構(gòu)不同的抑制劑，即小麥木聚糖酶抑制劑(T.aestivumxylanase inhibitor，TAXI)、甜蛋白樣木聚糖酶抑制劑(thaumatin-like xylanase inhibitor，TLXI) 和木聚糖酶抑制 蛋 白(xylanase-inhibiting protein，XIP)。其他谷物中的木聚糖酶抑制劑與小麥中的XIP 和TAXI 結(jié)構(gòu)相似，因此通常稱為XIP樣蛋白和TAXI 樣蛋白。研究表明，這些木聚糖酶抑制劑可以特異性的影響GH10 和GH11 木聚糖酶，但有趣的是，它們對植物合成的內(nèi)源性酶和上述家族以外的木聚糖酶沒有影響。GH10 和GH11 家族中有一些特定的木聚糖酶對木聚糖酶抑制劑不敏感，但這些被認為是例外。

研 究 發(fā) 現(xiàn)，XIP-I 對GH10 和GH11 家 族中的真菌木聚糖酶有競爭性抑制作用，但對這些家族中的細菌木聚糖酶的抑制作用卻不明顯。還發(fā)現(xiàn)，XIP-I 可抑制GH13 家族中的α-淀粉酶，大麥α-淀粉酶/枯草桿菌蛋白酶抑制劑(barley α-amylase/subtilisin inhibitor，BASI) 可部分抑制GH11 家族中的木聚糖酶。值得注意的是，一些學者認為，谷物蛋白質(zhì)對木聚糖酶和淀粉酶的這種交叉抑制作用可能是在植物進化過程中逐漸形成的，是一種抵御外來植物病原體攻擊的保護功能。在大麥、玉米、水稻、燕麥和阿爾及利亞珍珠粟中發(fā)現(xiàn)了XIP 樣抑制劑。TAXI 樣蛋白通常抑制GH11 家族的真菌和細菌木聚糖酶，但不抑制GH10 家族的木聚糖酶。TAXI-I 樣蛋白通常抑制具有低和高pI 值的木聚糖酶，TAXI-II 樣蛋白僅抑制具有高pI 值的木聚糖酶。TLXI 是最新的蛋白類木聚糖酶抑制劑分類，于2006 年發(fā)現(xiàn)。同樣，TLXI 蛋白傾向于抑制GH11 家族的木聚糖酶，但對GH10 家族的木聚糖酶沒有抑制作用。除硬粒小麥外，有關其他谷物中存在TLXI 樣抑制劑的數(shù)據(jù)有限。谷物中的TAXI、XIP 和TLXI 含量變化很大，主要取決于種類、品種、收獲時間以及谷物的具體成分。例如，同一品種的小麥，在面粉中XIP-I 的含量為0.12～0.6 mg/g，在谷粒中為0.21～0.56 mg/g。在法國種植的20 種不同品種的小麥谷粒中，TAXI 的含量從0.05 mg/g到0.19 mg/g 不等。在豬和家禽飼料中添加木聚糖酶的效果見表4。

6 結(jié)論

總之，了解植物原料中木聚糖的結(jié)構(gòu)差異、類型和濃度，以及各種可用的木聚糖酶，對于未來飼養(yǎng)動物和了解纖維在飼料中的作用至關重要。木聚糖底物的特性差異會直接影響聚合物向功能性更強的低聚糖的內(nèi)源性和外源性裂解，因此其特性是產(chǎn)生理想效果的關鍵。添加低聚木糖似乎能對各種動物物種產(chǎn)生生理益處，并且與其他益生元相比，通常添加較低的劑量就能產(chǎn)生這些益處?，F(xiàn)有的試驗證明，低聚木糖可有助于預防或減輕胃腸道疾病，并增加有益菌群的數(shù)量。這些結(jié)果令人鼓舞；然而，與果寡糖、甘露寡糖和低聚半乳糖等其他益生元相比，關于低聚木糖的數(shù)據(jù)仍然有限，因此需要進一步的研究來鞏固這些令人鼓舞的初步結(jié)果。在家禽和豬飼料中添加木聚糖酶可消除常見飼料原料中NSP 的抗營養(yǎng)作用，并為提高纖維的能量貢獻和產(chǎn)生低聚木糖在遠端腸道發(fā)酵提供機會。然而，由于動物年齡、飼料成分、添加持續(xù)時間和木聚糖酶抑制劑的存在等多種因素，添加木聚糖酶的效果差異很大。此外，即使報道了添加木聚糖酶的益處，但這些益處究竟是NSP 釋放營養(yǎng)物質(zhì)、降低食糜黏度還是產(chǎn)生短鏈低聚木糖的結(jié)果，仍然存在爭論。與許多其他飼料添加劑一樣，其效果以及作用方式可能是多因素的。與食糜黏度有關的問題主要與家禽飼養(yǎng)有關；然而，家禽業(yè)在遺傳變異和日糧組成方面更加復雜。隨著養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展變得更加可持續(xù)，為了養(yǎng)活不斷增長的全球人口，越來越多來自不同行業(yè)的副產(chǎn)品可能會用于豬飼料，因此了解食糜黏度對動物飼養(yǎng)的影響十分重要。未來的研究重點是在家禽和豬的玉米型飼料中添加木聚糖酶，研究其在動物體內(nèi)的作用模式，這將大大提高飼養(yǎng)結(jié)果的一致性，并加深我們對碳水化合物酶的整體了解。是在飼料中添加木聚糖酶來水解動物腸道內(nèi)的木聚糖，還是在動物飼料中添加體外制備的低聚木糖以提高動物生長速度和腸道健康，目前仍存在爭議，未來的研究應關注這一空白。在物種間和物種內(nèi)比較低聚木糖產(chǎn)生的生理效應程度，不僅會受到所使用的低聚木糖產(chǎn)品純度差異的影響，還會受到產(chǎn)品聚合度和取代類型的影響。

續(xù)完。