木聚糖酶的性质及其在酿酒方面的应用

        木聚糖是自然界中的一种丰富的再生资源，是最具代表性的半纤维素，占半纤维素的1/3～1/2，是除纤维素外，自然界中最丰富的多糖。与纤维素相比，半纤维素更易被微生物降解转化，降解产物木糖在酶的作用下可转变为乙醇。低木聚糖具有广泛的应用价值，低甜度、低热量、难被人体消化吸收，但可被发酵，基本不增加血糖血脂，有润肠通便功能。具有显著的双歧杆菌增值能力，且肠道菌对其利用率较差。无龋齿性[、能促进人体钙铁的吸收、增强人体免疫力等，适应于功能性保健食品等方面，是主要的功能性低聚糖。



        木聚糖酶是木聚糖水解酶系中最关键的水解酶，通过水解木糖分子β-1，4-糖苷键，将木聚糖水解为木寡糖和木二糖等低木聚糖，及少量木糖和阿拉伯糖。用木聚糖酶处理硫酸盐纸浆可减少后续漂白处理化学剂的用量。由于木聚糖可以用于纸浆的预漂白、饲料添加剂提高饲料的能量值及畜禽对饲料的吸收率、增殖肠道内的双歧杆菌，用于食品改良剂和酿酒等方面的潜在应用价值，越来越多的研究者对木聚糖酶的分子结构、性质、最佳作用条件及其在各领域的应用进行了广泛而深入的研究。本文则对其性质和在酒类酿造方面的应用进行论述。



        1　木聚糖酶的结构性质



        木聚糖酶分子只含一个亚基。分子量在8～30  kD间的为碱性蛋白，分子量在30～145  kD间的为酸性蛋白。PI值为3～10.5，稳定pH值为3～10。反应最适pH值在4～7之间，最适温度为40～60  ℃。Cu2＋，Zn2＋，Fe2＋  和Fe3＋对酶有抑制作用，而CO2＋和Mn2＋  能提高酶的活性。细菌可以产生碱性和酸性酶，而真菌只可产生碱性酶。其中，丝状真菌分泌的胞外酶最高。



        木聚糖酶的分子结构由功能结构域和连接区构成。其中，功能结构域由催化结构域和纤维素结合结构域构成。纤维素结合结构域可改变酶对可溶或不溶底物的活力。根据结构域的相似性，木聚糖酶可通过结构域的改组和随后结构域的修饰而进化。许多木聚糖酶具有纤维素酶的活性。



        木聚糖酶与木聚糖的结合利用离子间的静电作用。木聚糖含有的4-O-甲基葡糖醛酸带负电，木聚糖酶在pH低于PI时带正电荷，易于结合，而在pH值高于PI时，则不易结合。其反应为典型的酸碱亲核水解反应。



        2　利用木聚糖酶提高淀粉酶活力，提高酒精产率

        在酿酒行业中，作为原料的粮食的淀粉层外围有纤维素和木聚糖等半纤维素的包围，从而影响到对淀粉的利用率。目前，对纤维素酶的利用研究较多，而半纤维素酶的应用尚处于初级阶段。利用木聚糖酶作用于半纤维素层，降低物料粘度，可以有利于淀粉酶作用于淀粉层，提高淀粉利用率，增加酒精的产率。目前，对于适合某类酒的酿造的木聚糖酶生产菌还缺少针对性的筛选，产酶过程的优化及酶类的提纯方面也少有研究，故其应用成本较高，尚未有工业化应用于酒类酿造过程。



        1991年，日本学者分离纯化了A.kawachii产生的应用于日本大麦烧酒生产中的木聚糖酶XylC，并研究出其最适作用条件为pH  2.0，提高了发酵效率和酒精的产率。



        2001年，江南大学陆健等从米曲霉(Aspergillus  oryzaeRIB128)中分离纯化得到了一耐酸性的木聚糖酶(木聚糖酶B)，其分子量为65  kD，最适作用pH为6.5，在pH  2.0时其酶活还保持稳定。将它应用于日本清酒的酿造中同样有助于提高发酵效率和酒精产率。



        3　木聚糖酶提高酒液澄清度



        酒类浑浊的原因有生物浑浊和非生物浑浊，其中非生物浑浊包括蛋白质多酚混浊、酒花树脂浑浊、糊精浑浊及多糖浑浊等。



        白酒中含有的多种高级脂肪酸乙酯、高碳链的醇醛酸酯等均溶于乙醇，不溶或难溶于水。在低度酒的生产中，当酒度降低时这些有机物溶解度减小，从而以白色浑浊状态存在，小部分的难溶并与不溶物一起析出，形成了极难澄清和过滤的乳浊液。另外，随着温度的降低，各类香型白酒都会出现失光、浑浊、产生絮状沉淀等现象。目前，白酒除浊主要用吸附过滤、膜分离等手段，常用的吸附材料有活性炭、淀粉、分子筛、硅藻土、高岭土等。膜分离技术包括微滤、超滤、电渗析、反渗透等。利用高分子膜截流浑浊物质可达到除浊目的。



        我国是啤酒生产大国，啤酒业对国民经济的发展有重要影响。啤酒生产原料中由于β-葡聚糖和木聚糖含量较高,造成麦汁过滤困难,酒液混浊，啤酒滤膜堵塞等问题。为解决这些问题需要大量的资金和技术投入，这样就增加了啤酒的生产成本。



        而木聚糖酶可以和β-葡聚糖酶协同作用,从而解决滤膜堵塞问题，可提高酒液的澄清度，降低酿酒成本。对酒液的澄清，目前研究较多的是自然静置、过滤、加悬浮澄清剂等物理过滤方法，添加絮凝澄清助剂等，并且在加入过程中用量或时间控制不当会严重影响澄清效果，而且除了会影响酒体本身的稳定性外，还会带来新的不稳定的因素；对于目前应用的多种过滤机还需经常更换过滤材料，费时、费力，并且严重影响产品的质量和产量。而一些酶制剂的应用，由于其活化前处理工艺复杂，成本偏高，澄清效果也未达到理想状态。木聚糖酶应用于酒液澄清是一个有潜在应用价值的研究方向。



        4　木聚糖酶分解半纤维素产酒精



        随着石化燃料的日趋紧张和环境污染的日益严重,开发利用清洁可再生能源具有长远意义。其中研究开发燃料乙醇的生产备受关注。纤维素是地球上贮量最丰富的有机物质。而每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2  %左右，还有很大一部分未被利用，因此研究开发纤维素的转化技术，将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质高效地转化为糖，进一步发酵生产燃料酒精，对开发新能源，保护环境具有非常重要的现实意义。



        木质纤维素是由纤维素丝嵌入到大分子的蛋白质、果胶、木质素和半纤维素基质中所组成的。其中两种主要的碳水化合物纤维素和半纤维素的干重各占45  %和25  %。纤维素是细胞壁的主要成分，在纤维素的周围充填着半纤维素和木质素,阻碍了纤维素酶同纤维素分子的直接接触。通过化学和生物化学的方法可将纤维素和半纤维素水解成单糖,继而发酵生产酒精。要提高纤维素物质转化为乙醇的利用效率，半纤维素糖的利用十分重要。



        半纤维素在温和的条件下很容易被稀酸水解,但纤维素则需要苛刻的条件。若酶解前对木质纤维素进行预处理,那么半纤维素和纤维素再用酶水解会容易一些。预处理主要包括粉碎、溶解、水解和分离纤维素、半纤维素和木质素的组分。这些方法包括浓酸、稀酸、碱、二氧化硫、过氧化氢、蒸汽爆破、潮湿、氧化、石灰处理、热水处理等。在酶解前用二氧化碳爆破的方法对纤维物质进行预处理效果更好。



        木质纤维的转化主要分两个步骤：木质纤维生物量中纤维素水解生成还原糖；糖发酵成乙醇。基于目前的技术，木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。促进木质纤维水解的方法包括：木质纤维原料预处理脱除木素和半纤维素；纤维素酶的优化；同步糖化发酵法（SSF）。



        2001年，烟台大学常秀莲等采用稀酸水解和酶水解将半纤维素和纤维素转化为可发酵性糖,再采用基因工程细菌将木质纤维素中的糖转化成乙醇,用作燃料。半纤维素衍生糖补充一定的营养成分,经过48  h的发酵,乙醇浓度可达40  g/L，是理论产率的90  %以上。



        5　利用酒糟生产木聚糖酶



        啤酒糟是啤酒酿造生产的主要废弃物之一，据测定鲜啤酒糟含水分69  %，粗蛋白6.2  %，粗脂肪11  %，粗纤维3.4  %，无机氮浸出物10.4  %。其中无机氮浸出物的主要成分是木聚糖。近年来，我国啤酒工业得到迅速发展，年产啤酒超过3000多万千升，成为世界上第一大啤酒生产国，  由此产生约1000万吨的啤酒糟。长期以来，工厂主要是将湿糟作为粗饲料直接低价出售，其收益甚微，有少数厂家则是将湿糟直接排放，这不仅造成严重的环境污染，还导致资源的浪费，为此，一些研究人员对啤酒糟的利用进行了多方面的研究探讨，以啤酒糟为主要原料添加其他辅料，利用通过选育得到的木聚糖酶生产菌，进行发酵生产木聚糖酶。



        2004年、2005年，湖北工业大学曾莹等研究筛选出了能发酵啤酒糟高产木聚糖酶的菌株——黑曲酶AN27-2-1，并对其产酶条件进行了优化。结果表明，黑曲霉  AN27-2-1在啤酒糟∶玉米芯∶麸皮=6∶2∶2，NH4NO3  2  %，Tween80  0.1  %的基质上加水比为  1∶2，接种量为  3.5  %，置30  ℃下培养  2～3  d，产酶量可达  310.54  IU/g。具有较好的应用前景。



        白酒丢糟是白酒酿造后的废弃物,酸度大，水分含量在60  %以上,不便贮存、干燥，并且干燥物中含有60  %～65  %难于消化的稻壳,利用价值较低,常作为粗饲料或当作垃圾废弃,造成污染环境,社会效益差。



        2001年，齐齐哈尔大学关宏等对白酒糟的利用做了研究。木聚糖酶产生菌(Aspergillus  niger)1-13菌株以白酒丢糟作为碳源进行固体发酵生产木聚糖酶。采用单因素搜索对其最适产酶的氮源和发酵条件进行优化，结果表明，添加的最适氮源为硫酸铵,最适加入量为116  %(以白酒糟干质量计)；最适产酶发酵条件：温度为30  ℃,初始含水量为55  %，接种量为1  mL菌悬液(浓度为7×107个/mL)，接种到10  g固体培养基中，在此优化条件下培养72  h，木聚糖酶活力可达最高为370  IU/g。



        6　结论



        综上所述，对木聚糖酶的分子结构和性质已有较深入的研究，木聚糖酶在酿酒行业有广泛的应用。在纤维素制酒精过程中，木聚糖酶分解半纤维素将极大地提高转化率。不同来源的木聚糖酶的性质存在着差异，木聚糖酶的生产应该多样化才能满足不同的应用需要。建议应在适合某种酒类的木聚糖酶的性质及分解半纤维素和酒液澄清工艺等方面进行深入的研究，以提高产酒效率，减少酿酒的成本。另外，大曲在大曲酒酿造中为发酵、产香提供了微生物群系和风味前驱物质，而且也提供了丰富的生物催化剂酶。木聚糖酶是大曲中众多酶类中的重要的一种，但目前，在大曲中如何测定木聚糖酶的活力，还有待深入地研究，以揭示大曲中酶类指标与曲酒酒质的内在机理和规律。