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技术文献
β—甘露聚糖酶的研究及工农业应用
        β—甘露聚糖酶(β—mannanase EC 3.2.1.78)是一种半纤维素水解酶,以内切方式降解β—1,4糖苷键,降解产物的非还原末端为甘露糖,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—甘露聚糖酶的来源非常广泛,包括植物、细菌、真菌、放线菌甚至软体动物。甘露聚糖是植物性饲料原料中除纤维素、木聚糖之外,分布最广泛、含量最高的一类半纤维素,而且在许多植物中有淀粉样的大量积累。畜禽和鱼类的消化酶系不含甘露聚糖酶,对这类物质的转化需要添加外源酶。饲料中添加甘露聚糖酶可消除和降解饲料原料中的抗营养因子,促进畜禽生长,减少养殖污染。
1 β—甘露聚糖酶研究的历史和菌种选育
    早在二十世纪初就有关于分解植物甘露聚糖的报道,但直到70年代,β—甘露聚糖酶的研究才逐渐深入起来。尤其是近多年来对半纤维素资源的开发和甘露寡糖益生价值的发现,以及β—甘露聚糖酶诸多用途的发现,大大推动了β—甘露聚糖酶研究的发展。
    1958年,Courtios第一次报道了能产生β—甘露聚糖酶的真菌。1960年,William和Doetsch报道了细菌产生的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义,为以后的研究打下基础。70年代后,大量β—甘露聚糖酶的产生菌株被筛选、诱变,研究培养基成分特别是碳源对产酶的影响,进行多糖结构的分析。同时,许多不同来源的β—甘露聚糖酶被分离纯化,对酶的基本性质的研究取得了较大发展。
    国内自80年代开展微生物甘露聚糖酶发酵生产技术研究,进展很快。1980年我国李欣等首次系统研究甘露聚糖的化学组成。1985年以后,随着β—甘露聚糖酶和甘露寡糖应用领域的开发,新菌种筛选和诱导育种等相关研究竞争显著加剧。如杨文博等研究了产β-甘露聚糖酶的地衣芽孢杆菌的分离筛选及发酵条件。崔福绵等研究了枯草芽孢杆菌中性β-甘露聚糖酶的产生及性质,选育菌种的酶产量达到120u/ml。
    我国另一具有特色的工作是分泌β-甘露聚糖酶的极端微生物菌种的分离选育。如中国科学院微生物研究所马延和等较早提出利用碱性β—甘露聚糖酶生产甘露寡糖的方法。利用嗜碱芽孢杆菌N16-5以魔芋粉为原料,发酵生产β—甘露聚糖酶,发酵液的酶活力达到500U/ml,甘露寡糖后提取收率80%以上(专利申请号99102831.7)。制备的甘露寡糖主要用于保健食品。该项成果荣获2000年度国家科技发明二等奖。
    进入二十世纪90年代以后,随着基因工程和蛋白质工程技术的广泛应用,β—甘露聚糖酶的研究工作越来越集中在基因克隆、重组表达和酶活性工程的研究上,并取得了很大发展。
2 β—甘露聚糖酶的应用
    甘露聚糖类物质作为半纤维素的第二大组分,广泛分布于自然界中。它是所有豆科植物细胞壁的主要组成成分,在其他植物性饲料原料中含量也很高, 如豆粕、小麦、菜籽粕、麸皮中半乳甘露聚糖占非淀粉多糖的含量分别为22.7%、11.9%、19.6%和33.7%,在一些植物胶、椰子、莴苣、合欢、魔芋以及针叶树中也都含有丰富的甘露聚糖和异甘露聚糖。这使得β—甘露聚糖酶的开发和利用具有重要的意义。
    由于畜禽和鱼类的消化酶系不含甘露聚糖酶,因此甘露聚糖类物质是一种主要的抗营养因子。微生物来源的β—甘露聚糖酶能以内切方式降解β—1,4糖苷键,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,降解产物为甘露寡糖和甘露糖。已广泛证实β—甘露聚糖酶对动物的生长发育具有一系列积极作用。包括:1)促进动物生长,提高动物的饲料转化效率。β—甘露聚糖酶可提高肉鸡增重4.4-10.3%,饲料转化率2.9-6.0%,提高肉猪增重4.2-8.6%,饲料转化率4-9%;2) 甘露聚糖酶可以促进营养分消化,改善动物肠道微生物生态,改善动物体的健康状况。玉米/豆粕日粮中添加0.1%甘露聚糖酶可使肉鸡盲肠沙门氏菌数量比对照减少12%;3) 甘露聚糖酶可以降低肠道内容物的粘稠度,减少粪便排泄,减轻环境污染;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—甘露聚糖酶降解产物甘露寡糖可促进动物肠道有益菌的生长;6) β—甘露聚糖酶及降解产物甘露寡糖可正向刺激机体免疫活性;7)降解产物甘露寡糖还能够吸附真菌毒素,减少抗生素等化学药物的使用,是生产绿色动物食品的添加剂。
    我国猪鸡的主要日粮是玉米/豆粕型日粮,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别为11.7%和22.7%。大豆多糖可吸收自身重量七倍的水,并吸附多种微量元素,降低其生物利用率。β—甘露聚糖酶是对玉米/豆粕型日粮非常有效的饲用酶制剂,它可以降解其含有的抗消化粘性多糖,促生长提高饲料利用效率的效果非常显著(表1)。
表1. β-甘露聚糖酶对玉米-豆粕型日粮的应用效果 

动物种类                                                               

增重,%                                                   

  饲料转化效率,%                                 

 +4.2-18

+4-9

火鸡

+ 5

+3.7-6

肉鸡

+2.2-3.6

+4.3-5.6


酶法分解制备甘露寡糖,是β—甘露聚糖酶应用研究的重点内容之一。但一些β—甘露聚糖酶专业性不强,转化率不太高。目前相当一些甘露寡糖产品是啤酒酵母提取物,如美国奥特奇公司销售的此种产品,寡糖含量为65%,售价偏高。应用β—甘露聚糖酶酶解魔芋甘露聚糖、田箐胶等制备甘露寡糖,有望较大幅度降低生产成本。同时利用基因工程技术制备高活性β—甘露聚糖酶,提高酶的产量,进一步降低成本,推进甘露聚糖酶和甘露寡糖在饲料中的应用。
3 展望
    β—甘露聚糖酶和甘露寡糖的推广应用,符合生态养殖业的需要。它们还可广泛应用于食品、纺织、石油等工业领域,如甘露寡糖是最有效的双岐因子之一,可以口服,国内外已经广泛地用于保健食品中。β—甘露聚糖酶还可用于从豆类植物中提炼植物油,降低咖啡、巧克力、可可液的粘性。β—甘露聚糖酶和木聚糖酶协同作用可用于造纸工业。β—甘露聚糖酶还可作为石油压裂液的破胶剂具有效力高、成本低、对地层伤害小等优点。特别是利用该酶来水解魔芋以制备高纯度的甘露寡糖,其市场前景十分广阔。作为生产原料的魔芋广泛的分布于四川、云南、贵州、湖北西部等欠发达的山区,该酶的大规模生产对于科技扶贫也有着重要的推动作用。因而,近年来β—甘露聚糖酶的研究逐渐成为了国内外的研究热点。但是国内各有关科研单位的研究大多限于实验室阶段,所报道的发酵酶活低,酶解产物组成不稳定,生产成本较高,难以取得竞争优势。筛选高比活酶基因,应用基因工程技术构建高效产酶的微生物,进行分子育种改良酶的性质,优化寡糖的酶解制备工艺,是国际上的研究热点和方向,也具有很好的科学意义和应用前景。