β—甘露聚糖酶的研究及工農(nóng)業(yè)應(yīng)用
β—甘露聚糖酶(β—mannanase EC 3.2.1.78)是一種半纖維素水解酶，以?xún)?nèi)切方式降解β—1，4糖苷鍵，降解產(chǎn)物的非還原末端為甘露糖，其作用底物包括葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖及β—甘露聚糖等。β—甘露聚糖酶的來(lái)源非常廣泛，包括植物、細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌甚至軟體動(dòng)物。甘露聚糖是植物性飼料原料中除纖維素、木聚糖之外，分布最廣泛、含量最高的一類(lèi)半纖維素，而且在許多植物中有淀粉樣的大量積累。畜禽和魚(yú)類(lèi)的消化酶系不含甘露聚糖酶，對(duì)這類(lèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化需要添加外源酶。飼料中添加甘露聚糖酶可消除和降解飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)，減少養(yǎng)殖污染。
1 β—甘露聚糖酶研究的歷史和菌種選育
早在二十世紀(jì)初就有關(guān)于分解植物甘露聚糖的報(bào)道，但直到70年代，β—甘露聚糖酶的研究才逐漸深入起來(lái)。尤其是近多年來(lái)對(duì)半纖維素資源的開(kāi)發(fā)和甘露寡糖益生價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，以及β—甘露聚糖酶諸多用途的發(fā)現(xiàn)，大大推動(dòng)了β—甘露聚糖酶研究的發(fā)展。
1958年，Courtios第一次報(bào)道了能產(chǎn)生β—甘露聚糖酶的真菌。1960年，William和Doetsch報(bào)道了細(xì)菌產(chǎn)生的β—甘露聚糖酶。1965年，Reese和Shibata提出了β—甘露聚糖酶的概念和定義，為以后的研究打下基礎(chǔ)。70年代后，大量β—甘露聚糖酶的產(chǎn)生菌株被篩選、誘變，研究培養(yǎng)基成分特別是碳源對(duì)產(chǎn)酶的影響，進(jìn)行多糖結(jié)構(gòu)的分析。同時(shí)，許多不同來(lái)源的β—甘露聚糖酶被分離純化，對(duì)酶的基本性質(zhì)的研究取得了較大發(fā)展。
國(guó)內(nèi)自80年代開(kāi)展微生物甘露聚糖酶發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)研究，進(jìn)展很快。1980年我國(guó)李欣等首次系統(tǒng)研究甘露聚糖的化學(xué)組成。1985年以后，隨著β—甘露聚糖酶和甘露寡糖應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，新菌種篩選和誘導(dǎo)育種等相關(guān)研究競(jìng)爭(zhēng)顯著加劇。如楊文博等研究了產(chǎn)β-甘露聚糖酶的地衣芽孢桿菌的分離篩選及發(fā)酵條件。崔福綿等研究了枯草芽孢桿菌中性β-甘露聚糖酶的產(chǎn)生及性質(zhì)，選育菌種的酶產(chǎn)量達(dá)到120u/ml。
我國(guó)另一具有特色的工作是分泌β-甘露聚糖酶的極端微生物菌種的分離選育。如中國(guó)科學(xué)院微生物研究所馬延和等較早提出利用堿性β—甘露聚糖酶生產(chǎn)甘露寡糖的方法。利用嗜堿芽孢桿菌N16-5以魔芋粉為原料，發(fā)酵生產(chǎn)β—甘露聚糖酶，發(fā)酵液的酶活力達(dá)到500U/ml，甘露寡糖后提取收率80%以上。制備的甘露寡糖主要用于保健食品。該項(xiàng)成果榮獲2000年度國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)。
進(jìn)入二十世紀(jì)90年代以后，隨著基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用，β—甘露聚糖酶的研究工作越來(lái)越集中在基因克隆、重組表達(dá)和酶活性工程的研究上，并取得了很大發(fā)展。
2 β—甘露聚糖酶的應(yīng)用
甘露聚糖類(lèi)物質(zhì)作為半纖維素的第二大組分，廣泛分布于自然界中。它是所有豆科植物細(xì)胞壁的主要組成成分，在其他植物性飼料原料中含量也很高, 如豆粕、小麥、菜籽粕、麩皮中半乳甘露聚糖占非淀粉多糖的含量分別為22.7%、11.9%、19.6%和33.7%，在一些植物膠、椰子、萵苣、合歡、魔芋以及針葉樹(shù)中也都含有豐富的甘露聚糖和異甘露聚糖。這使得β—甘露聚糖酶的開(kāi)發(fā)和利用具有重要的意義。
由于畜禽和魚(yú)類(lèi)的消化酶系不含甘露聚糖酶，因此甘露聚糖類(lèi)物質(zhì)是一種主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子。微生物來(lái)源的β—甘露聚糖酶能以?xún)?nèi)切方式降解β—1，4糖苷鍵，其作用底物包括葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖及β—甘露聚糖等，降解產(chǎn)物為甘露寡糖和甘露糖。已廣泛證實(shí)β—甘露聚糖酶對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育具有一系列積極作用。包括：1)促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)，提高動(dòng)物的飼料轉(zhuǎn)化效率。β—甘露聚糖酶可提高肉雞增重4.4-10.3%，飼料轉(zhuǎn)化率2.9-6.0％，提高肉豬增重4.2-8.6%，飼料轉(zhuǎn)化率4-9％；2) 甘露聚糖酶可以促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)分消化，改善動(dòng)物腸道微生物生態(tài)，改善動(dòng)物體的健康狀況。玉米/豆粕日糧中添加0.1%甘露聚糖酶可使肉雞盲腸沙門(mén)氏菌數(shù)量比對(duì)照減少12%；3) 甘露聚糖酶可以降低腸道內(nèi)容物的粘稠度，減少糞便排泄，減輕環(huán)境污染；4) β—甘露聚糖酶可以提高微量元素的生物利用率。甘露聚糖吸附微量元素，抑制其消化吸收； 5) β—甘露聚糖酶降解產(chǎn)物甘露寡糖可促進(jìn)動(dòng)物腸道有益菌的生長(zhǎng)；6) β—甘露聚糖酶及降解產(chǎn)物甘露寡糖可正向刺激機(jī)體免疫活性；7)降解產(chǎn)物甘露寡糖還能夠吸附真菌毒素，減少抗生素等化學(xué)藥物的使用，是生產(chǎn)綠色動(dòng)物食品的添加劑。
我國(guó)豬雞的主要日糧是玉米/豆粕型日糧，其主要的抗消化粘性多糖是甘露聚糖。玉米和豆粕中甘露聚糖占非淀粉多糖的比例分別為11.7％和22.7％。大豆多糖可吸收自身重量七倍的水，并吸附多種微量元素，降低其生物利用率。β—甘露聚糖酶是對(duì)玉米/豆粕型日糧非常有效的飼用酶制劑，它可以降解其含有的抗消化粘性多糖，促生長(zhǎng)提高飼料利用效率的效果非常顯著（表1）。
表1. β-甘露聚糖酶對(duì)玉米－豆粕型日糧的應(yīng)用效果
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動(dòng)物種類(lèi)
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增重，%
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飼料轉(zhuǎn)化效率，%
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豬
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+4.2-18
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+4-9
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火雞
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+ 5
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+3.7-6
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肉雞
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+2.2-3.6
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+4.3-5.6
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酶法分解制備甘露寡糖，是β—甘露聚糖酶應(yīng)用研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。但一些β—甘露聚糖酶專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率不太高。目前相當(dāng)一些甘露寡糖產(chǎn)品是啤酒酵母提取物，如美國(guó)奧特奇公司銷(xiāo)售的此種產(chǎn)品，寡糖含量為65％，售價(jià)偏高。應(yīng)用β—甘露聚糖酶酶解魔芋甘露聚糖、田箐膠等制備甘露寡糖，有望較大幅度降低生產(chǎn)成本。同時(shí)利用基因工程技術(shù)制備高活性β—甘露聚糖酶，提高酶的產(chǎn)量，進(jìn)一步降低成本，推進(jìn)甘露聚糖酶和甘露寡糖在飼料中的應(yīng)用。
3 展望
β—甘露聚糖酶和甘露寡糖的推廣應(yīng)用，符合生態(tài)養(yǎng)殖業(yè)的需要。它們還可廣泛應(yīng)用于食品、紡織、石油等工業(yè)領(lǐng)域，如甘露寡糖是最有效的雙岐因子之一，可以口服，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛地用于保健食品中。β—甘露聚糖酶還可用于從豆類(lèi)植物中提煉植物油，降低咖啡、巧克力、可可液的粘性。β—甘露聚糖酶和木聚糖酶協(xié)同作用可用于造紙工業(yè)。β—甘露聚糖酶還可作為石油壓裂液的破膠劑具有效力高、成本低、對(duì)地層傷害小等優(yōu)點(diǎn)。特別是利用該酶來(lái)水解魔芋以制備高純度的甘露寡糖，其市場(chǎng)前景十分廣闊。作為生產(chǎn)原料的魔芋廣泛的分布于四川、云南、貴州、湖北西部等欠發(fā)達(dá)的山區(qū)，該酶的大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)于科技扶貧也有著重要的推動(dòng)作用。因而，近年來(lái)β—甘露聚糖酶的研究逐漸成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但是國(guó)內(nèi)各有關(guān)科研單位的研究大多限于實(shí)驗(yàn)室階段，所報(bào)道的發(fā)酵酶活低，酶解產(chǎn)物組成不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本較高，難以取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。篩選高比活酶基因，應(yīng)用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效產(chǎn)酶的微生物，進(jìn)行分子育種改良酶的性質(zhì)，優(yōu)化寡糖的酶解制備工藝，是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)和方向，也具有很好的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
