半纤维素半纤维素酶和低聚木糖课件.ppt

关于半纤维素半纤维素酶和低聚木糖现在学习的是第1页，共33页益生菌活菌制剂的有效性l1）是否来自人体l2）是否带有耐药性质粒l3）培养和保藏是否困难l4）是否耐受胃酸、胆汁碱而存活l5）是否能够定植于肠道上皮细胞l6）能否形成优势菌落而达到保健效果现在学习的是第2页，共33页1.2 双歧因子 prebiotic 的作用l可以促进人体肠道内有益菌双歧杆菌(Bifidobacterium)等的生长，改进肠道菌群状况。l比活菌制剂更稳定和易于保存，可以添加到各种制品中。l应用于医药、功能食品、饲料等领域。l双歧因子包括人乳中含N-乙酰葡糖胺的糖、玉米浸汁和各种低聚糖等。其中研究最多的是各种低聚糖，而且现在很多品种已经实现了工业化生产。现在学习的是第3页，共33页1.3 低聚糖的功能特性l双歧杆菌增殖因子和低能量。l不被消化性和代谢不依赖胰岛素。l无龋齿性。不消化或不吸收糖l 摄入l （小肠）消化 发酵（大肠）l SCFAl 吸收l 酶降解 l 可利用能源现在学习的是第4页，共33页现在学习的是第5页，共33页第二节半纤维素、半纤维素酶类第二节半纤维素、半纤维素酶类和低聚木糖和低聚木糖现在学习的是第6页，共33页木材细胞壁的构造及组成：木材细胞壁的构造及组成：瘤层 内层中层外层初生壁 中胶层 次生壁l中胶层：厚约为0.2-1.0m，位于细胞之间，负责将它们连在一起，在成熟的木材中，中胶层是高度木化的。l初生壁：位于细胞外的初生壁是一层厚约0.1-0.2 m壁，由半纤维素，纤维素、果胶和完全包在木质素中的蛋白质组成。l次生壁：分为三层，由内向外、内层，中层，外层。由包裹在木质素和半纤维素中定位不同的纤维素纤丝组成，并代表了纤维素合成阶段及在最初原生质中的位置，只要植物细胞壁的天然结构保持完好，其中木质素就能防止降解酶类接触纤维素纤丝。现在学习的是第7页，共33页现在学习的是第8页，共33页一、半纤维素一、半纤维素1.半纤维素：是由几种不同类型的单糖构成半纤维素：是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。单糖聚合体间分别以共的异质多聚体。单糖聚合体间分别以共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们与价键、氢键、醚键和酯键连接，他们与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性的素和果胶等构成具有一定硬度和弹性的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。是细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。是植物纤维材料中除去纤维素和果胶之外植物纤维材料中除去纤维素和果胶之外的碳水化合物，是植物纤维原料中的主的碳水化合物，是植物纤维原料中的主要成分之一。要成分之一。2.1 半纤维素的组成及基本结构半纤维素的组成及基本结构现在学习的是第9页，共33页D-木糖木糖D-甘露糖甘露糖D-葡萄糖葡萄糖D-半乳糖半乳糖2 组成组成无热量甜味剂；对人体肠道内的双歧无热量甜味剂；对人体肠道内的双歧杆菌有较高的增殖作用杆菌有较高的增殖作用 半纤维素只是半纤维素只是一群糖共聚物一群糖共聚物的总称。的总称。这些糖基形成基础链（主链），其它糖基作为支这些糖基形成基础链（主链），其它糖基作为支链连接于基础链上链连接于基础链上现在学习的是第10页，共33页不同来源不同来源半纤维素半纤维素的组成的组成木本植物：木本植物：D-木糖、木糖、D-甘露糖甘露糖、D-半乳半乳糖、糖、D-阿拉伯糖、葡萄糖醛酸阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等等草本植物和谷类：草本植物和谷类：D-木糖、木糖、L-阿拉伯糖阿拉伯糖、D-半乳糖、半乳糖、D-葡萄糖葡萄糖现在学习的是第11页，共33页二、纤维素和半纤维素化学结构的差别二、纤维素和半纤维素化学结构的差别1、由、由不同的糖单元不同的糖单元组成，纤维素只含有葡组成，纤维素只含有葡萄糖，为同聚多糖。半纤维素含有多种糖，萄糖，为同聚多糖。半纤维素含有多种糖，可能为同聚多糖，也可以为两种或多种单可能为同聚多糖，也可以为两种或多种单糖形成的杂聚多糖。糖形成的杂聚多糖。2、糖链链长的聚合度不同，纤维素的糖、糖链链长的聚合度不同，纤维素的糖链较长，半纤维素的链长较短。链较长，半纤维素的链长较短。3、两类物质的分子中分支不同，纤维素、两类物质的分子中分支不同，纤维素无分支，半纤维素有分支，有的单糖无分支，半纤维素有分支，有的单糖只出现在支链上。只出现在支链上。组成不同组成不同长短不同长短不同形状不同形状不同现在学习的是第12页，共33页三、半纤维素的分类三、半纤维素的分类1 对碱的对碱的溶解性溶解性不同不同半纤维素半纤维素24%KOH不溶不溶溶解溶解聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖木聚糖Ba2+配合物配合物析出析出聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖木聚糖木聚糖2、根据、根据主链的糖基主链的糖基不同不同 如如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖，聚木聚糖、聚葡萄糖甘露糖，聚半乳糖葡萄糖甘露糖类等。半乳糖葡萄糖甘露糖类等。现在学习的是第13页，共33页1 木聚糖：主链为木聚糖：主链为-D-吡喃木糖以吡喃木糖以-1,4-糖苷键连接而成的糖苷键连接而成的线状分子线状分子，分子量约分子量约30000（200个糖单位），白色无定形粉末，不溶于冷水，个糖单位），白色无定形粉末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液。溶于稀碱溶液。2 木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖类广泛存在于自然界，木聚糖类广泛存在于自然界，几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素。几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素。3 不同植物所含木聚糖多少也有所差别不同植物所含木聚糖多少也有所差别 一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占干重的一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占干重的15%-30%。一些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖含量非一些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖含量非常高，一般能高达常高，一般能高达30%以上。以上。四四 木聚糖类木聚糖类线状分子与直链无分支一样线状分子与直链无分支一样吗？吗？现在学习的是第14页，共33页4 同聚多糖与同聚多糖与异聚多糖异聚多糖5 木聚糖分类：木聚糖分类：硬木木聚糖硬木木聚糖软木木聚糖软木木聚糖草木类木聚糖草木类木聚糖组成单位：组成单位：O乙酰乙酰4O甲基葡萄糖醛酰木糖甲基葡萄糖醛酰木糖聚合度：聚合度：150-200高度乙酰化，发生在高度乙酰化，发生在C3位位组成单位：阿拉伯组成单位：阿拉伯4O甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基聚合度：聚合度：70-130非乙酰化非乙酰化组成单位：组成单位：L呋喃型阿拉伯糖基、呋喃型阿拉伯糖基、4O甲基甲基D吡喃葡萄糖醛酸基吡喃葡萄糖醛酸基聚合度：聚合度：70-130现在学习的是第15页，共33页小麦麸皮阿拉伯木聚糖的结构图7）面团形成过程Dough formation:小麦粉和水-混合 揉捏-疏水相互作用和二硫键-线状多聚物 多聚物之间相互作用 氢键、疏水相互作用、二硫键-面团形成-发酵(产气泡)-气液界面形成强膜。现在学习的是第16页，共33页2.2降解半纤维素的微生物降解半纤维素的微生物l大多数的细菌和真菌大多数的细菌和真菌能够分泌胞外木聚糖酶，释放木糖，为在能够分泌胞外木聚糖酶，释放木糖，为在木聚糖上生长的异养生物提供养料。木聚糖上生长的异养生物提供养料。l瘤胃微生物是具有潜力的半纤维素酶产生者。瘤胃微生物是具有潜力的半纤维素酶产生者。l瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢有较高的胞外半纤维素酶活性。有较高的胞外半纤维素酶活性。l很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺少很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺少外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。l胞外半纤维素酶活力较强的微生物胞外半纤维素酶活力较强的微生物曲霉，枯草杆菌，厌氧性曲霉，枯草杆菌，厌氧性的梭状芽孢杆菌。的梭状芽孢杆菌。现在学习的是第17页，共33页2.3半纤维素降解酶半纤维素降解酶1 木聚糖降解酶系的多样性木聚糖降解酶系的多样性（1）由于）由于来源的不同来源的不同，故木聚糖酶的组成，性质均不相同，故木聚糖酶的组成，性质均不相同（2）木聚糖）木聚糖本身结构本身结构的杂合性决定了它不可能被任何一种单一的酶的杂合性决定了它不可能被任何一种单一的酶类彻底降解。类彻底降解。（3）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它们的接）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它们的接近性也不是等同的近性也不是等同的（4）由于同种异形酶或同基因的不同等位基因的产物，经过翻译后）由于同种异形酶或同基因的不同等位基因的产物，经过翻译后修饰和加工形成同工酶。修饰和加工形成同工酶。现在学习的是第18页，共33页2.4 木聚糖降解酶的分类木聚糖降解酶的分类根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分为根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分为6类：类：1.4内切木聚糖酶内切木聚糖酶 木糖苷酶（外切酶）木糖苷酶（外切酶）L-呋喃型阿拉伯糖苷酶呋喃型阿拉伯糖苷酶 葡萄糖醛酸苷酶葡萄糖醛酸苷酶 乙酰木聚糖酯酶乙酰木聚糖酯酶 酚酸酯酶。酚酸酯酶。作用于主链作用于主链作用于还原端作用于还原端现在学习的是第19页，共33页（1）1.4内切木聚糖酶内切木聚糖酶作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度作用步骤：木聚糖作用步骤：木聚糖 低聚木糖低聚木糖 木三糖，木二糖，木三糖，木二糖，根据酶理化性质根据酶理化性质 分子质量分子质量30K的酶（通常为硷性蛋白）的酶（通常为硷性蛋白）分量质量分量质量 30K（酸性蛋白）（酸性蛋白）最适条件：多数最适最适条件：多数最适PH7.0，最适反应温度，最适反应温度4575 之间。之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值2的寡聚木聚糖的寡聚木聚糖 影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用不生成木糖不生成木糖现在学习的是第20页，共33页（2）木糖苷酶木糖苷酶有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体在细菌和酵母中，在细菌和酵母中，木糖苷酶主要存在于细胞内。木糖苷酶主要存在于细胞内。作用于寡聚木糖，属外切酶，主要作用于寡聚木糖，属外切酶，主要水解短链的低聚木水解短链的低聚木糖或木二糖糖或木二糖，并从非还原性末端释放出木糖，并从非还原性末端释放出木糖最佳底物：二聚木糖最佳底物：二聚木糖 木糖苷酶是一个多功能酶木糖苷酶是一个多功能酶现在学习的是第21页，共33页（3）L呋喃型阿拉伯糖苷酶呋喃型阿拉伯糖苷酶存在形式多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚存在形式多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚体等形式存在。体等形式存在。分为两种类型：分为两种类型：外切型：占多数，作用于对硝基酚呋喃型阿拉伯糖苷和分外切型：占多数，作用于对硝基酚呋喃型阿拉伯糖苷和分支阿拉伯聚糖支阿拉伯聚糖 内切型：占少数，作用于线形阿拉伯聚糖内切型：占少数，作用于线形阿拉伯聚糖（4）葡萄糖醛酸苷酶葡萄糖醛酸苷酶此酶水解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的此酶水解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的 1.2糖苷键糖苷键现在学习的是第22页，共33页（5）乙酰木聚糖酯酶）乙酰木聚糖酯酶作用位点：木糖残基作用位点：木糖残基C2 C3 位上的乙酰取代基因位上的乙酰取代基因酶酶在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团；在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团；酶酶在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团作用：消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间的阻碍作用，增强内作用：消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间的阻碍作用，增强内切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力（6）酚酸酯酶）酚酸酯酶此酶主要包括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶此酶主要包括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键现在学习的是第23页，共33页（1）（2）（3）（4）现在学习的是第24页，共33页2.5 木聚糖酶的催化特性木聚糖酶的催化特性1、木聚糖酶作用的温度与PH 不同来源的木聚糖酶其催化特性是有差异的，它们有不同的最适PH和最适作用温度1）多数木聚糖酶在酸性范围内，最适温度40-60 2）真菌木聚糖酶的耐热性通常比细菌木聚糖酶差一些。3）酶活性的改变与PH变化关系呈现钟罩形曲线，PH通过影响酶活性中心基团的电离程度或使酶的构型发生变化而影响酶活性现在学习的是第25页，共33页2、木聚糖底物专一性1）在木聚糖酶的活性中心含有多个能与底物结合的亚位点，这些位点的结构，大小，数量，以及它们与催化基团的空间关系决定该酶对不同底物的亲和力，专一性，作用方式及酶反应的动力学参数2）实验表明不同的木霉木聚糖酶对底物具有高度选择性3）木聚糖酶的底物特异性包括底物组成的特异性，对特定键水解的特异性，对带有取代基底物的特异性4）根据木聚糖酶对底物组成特异性的不同可将其分为特异性酶和交叉特异性酶，前者只分解木聚糖的1.4糖苷键，后者除分解木聚糖的1.4糖苷键外还分解纤维素的1.4糖苷键现在学习的是第26页，共33页3、不同水解酶之间的协同增效作用1）L呋喃糖苷酶与内切木聚糖酶协同作用2）乙酰木聚糖酯酶与内切木聚糖酶协同作用3）内切木聚糖酶与木糖苷酶之间协同作用4）内切木聚糖酶与酚酸酯酶协同作用5）不同的内切木聚糖酶之间协同增效作用6）当几种酶混合在一起时，有时起协同作用，但有时无协同作用甚至起抑制作用抑制作用机制有两个：A：一种酶与木聚糖的结合阻碍了第二种酶与之结合B：一种酶作用于底物改变了底物原有的分子构型现在学习的是第27页，共33页4、木聚糖酶的分子结构域、木聚糖酶的分子结构域木聚糖酶分子结构可分为两种类型单结构域酶多结构域酶A、催化域1）木聚糖酶的催化域（CD）承担着酶的水解功能，并作为该酶的分类基础2）一般地，大部分木聚糖酶只含有一个单一的催化域，但在自然界中也发现有些木聚糖酶含有两个催化域现在学习的是第28页，共33页B、纤维素结合域（CBD）1）许多木聚糖酶分子中存在着CBD，CBD中带电荷氨基酸含量较小，除甘氨酸，天冬氨酸之外，还含有4个高度保守的色氨酸残基。2）这些结合域起到了两个可能的作用：打开植物细胞壁的结构，使得酶分子能够更容易地接近底物并水解，提供了一种普遍的机制，使得联合的水解酶在植物细胞壁的表面积累，导致不同的酶之间发挥协同作用。C、木聚糖结合域（XBD）D、连接序列E、热稳定域F、纤酶小体结合域 许多降解纤维素的厌氧细菌产生的纤维素酶和木聚糖酶往往聚集成与细胞壁相连的四级结构复合物，称之为纤酶小体作用：它可将细菌细胞吸附于纤维素物质的表面并用速分解之，并使菌体细胞快速有效地吸收水解产物。现在学习的是第29页，共33页3、低聚木糖生产工艺l1）低聚木糖生产的几种途径：l 富含木聚糖的原料化学处理木聚糖酶处理分离纯化低聚木糖酸液碱液蒸汽木聚糖酶 Xylanase吸附，离子交换沉淀，萃取等现在学习的是第30页，共33页l2)富含木聚糖的原料（Biomass)l玉米芯 35-40%，棉子壳25-28%，l 蔗渣 24-28%，稻壳 24-32%，l麦杆14-15%，桦木 24-32%，l油茶壳 24-32%。l3）化学处理l稀酸、稀碱溶液和蒸汽处理l蒸汽或者Autohydrolytic 处理-热蒸汽把木聚糖的乙酰基切下，形成乙酸，进而降解木聚糖。此法不加化学物质，非常符合环保要求。DP20现在学习的是第31页，共33页l4)真空浓缩等精制处理l真空浓缩是为了增加XO浓度，除去乙酸等挥发性物质和前体。l分离不同DP值的XO可以用膜法，也可以用不同浓度的乙醇溶液。吸附是要除去非糖成分。l离子交换和色谱分离分别适用于脱盐和去色素物质。现在学习的是第32页，共33页感谢大家观看现在学习的是第33页，共33页