木聚糖酶的开发与应用

木聚糖酶是可以降解木聚糖的水解酶,分为内切酶和外切酶。木聚糖是以木吡喃糖为单位的由β-1,4键连接的半纤维素,在自然界中含量占生物量的30%。不同微生物产生的木聚糖酶,具有不同的酶学特征及应用领域。利用微生物发酵开发木聚糖酶应用于造纸工业、食品工业、饲料工业、制药工业等众多领域,既有利于资源利用,又利用环境保护。     

课题名称：新型高比活β-葡聚糖酶的研制

课题内容、目标：β—1,3—1,4-葡聚糖酶（E．C．3．2．1．73）是一种有巨大经济价值的工业酶制剂,广泛应用于饲料工业、啤酒工业和食品工业。随着β-葡聚糖酶应用范围的拓宽,尤其是在饲料工业中的逐渐推广应用,其市场价值还将大幅度提升。     

地衣芽孢杆菌β-1,3-1,4葡聚糖酶基因的克隆及序列分析

β-葡聚糖是以β-1,3和β-1,4混合糖苷键连接形成的D-葡萄糖聚合物,主要存在于单子叶禾本科谷实中.有些微生物会产生降解β-葡聚糖的β-1,3-1,4-葡聚糖酶.将β-葡聚糖酶基因在食品级宿主菌中表达对动物饲料工业具有十分重要的应用价值.实验以地衣芽孢杆菌为材料,提取其总DNA,扩增其β-1,3-1,4葡聚糖酶基因序列,将该片段克隆到pMD 19-T载体进行测序,并将测序结果进行BLAST比对.发现其与GenBank中的两段基因序列具有较高的同源性.     

多粘类芽孢杆菌CP7β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因的克隆、表达及应用

【目的】克隆多粘类芽孢杆菌(Paenibaccillus polymyxa)CP7的β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因,构建高效表达工程菌株,为CP7菌的抗菌活性组分研究和开发利用以及葡聚糖酶在农业生产中的应用提供理论依据。【方法】通过CP7菌β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因的克隆及原核表达构建工程菌株,采用平板对峙培养和生长速率测定法研究重组酶对供试真菌的生长抑制活性,同时采用体外消化法研究该酶对麦类饲料消化率的影响。【结果】成功克隆目的基因并在原核系统获得高效表达。重组酶蛋白对4种供试真菌菌丝生长具有明显抑制作用,平均抑制率高达40%以上;添加了重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶的处理组样品,经体外消化后黏度降低了4.69%(P﹥0.05)。【结论】β-1,3-1,4-葡聚糖酶是CP7菌发酵液中抗真菌活性组分或其中之一,对真菌生长抑制的活性作用提示其可作为农业抗病虫害新型药物进行开发研究;该酶能够有效降低麦类饲料黏度,表明其作为饲料添加剂的开发利用同样具有良好前景。     

木聚糖酶检测底物筛选及玉米芯低聚木糖的制备

为解决木聚糖酶国标底物短缺,并筛选可用于酶法制备低聚木糖的木聚糖酶,首先以甘蔗渣和榉木来源的木聚糖替代GB/T 23874-2009 《饲料添加剂木聚糖酶活力的测定》中规定的底物检测木聚糖酶活力,同时采用木霉和毕赤酵母木聚糖酶酶解不同木聚糖底物和玉米芯木聚糖,应用高效液相色谱法对酶解产物组分进行分析,并初步优化玉米芯木聚糖酶解条件。结果表明:与GB/T 23874-2009 《饲料添加剂木聚糖酶活力的测定》中规定的底物检测结果相比,榉木木聚糖(Megazyme)检测结果与原底物检测结果基本一致;而甘蔗渣木聚糖检测结果偏高,但稳定性良好,两者均可替代原底物进行木聚糖酶活力检测。通过高效液相色谱法分析,毕赤酵母木聚糖酶水解不同底物的木二糖含量较木霉木聚糖酶的高,而木糖含量则相反。利用3种木聚糖酶同步水解玉米芯粉木聚糖,毕赤酵母木聚糖酶水解玉米芯粉木聚糖的产物中90%以上为低聚木糖,其中木二糖占72.54%,木三糖占17.86%,接近木聚糖酶Shearzyme 500L水解产物中的低聚木糖比例,高于木霉木聚糖酶,具有制备低聚木糖的应用潜力。毕赤酵母木聚糖酶水解玉米芯木聚糖的最优条件为反应温度60℃、pH 4.8,玉米芯底物浓度0.10g·mL-1,酶解时间24h,在此最优条件下玉米芯木聚糖的水解率可达76%。     

Bacillus subtilis LC-9产β-1,3-1,4-葡聚糖酶的酶学性质与催化特性研究

[目的]系统研究Bacillus subtilis LC-9所产β-1,3-1,4-葡聚糖酶的酶学性质,探讨其在催化应用上的可行性。[方法]采用两步阴离子交换层析法对B.subtilis LC-9发酵液中的β-1,3-1,4-葡聚糖酶进行纯化,用SDS-PAGE检测其纯度,研究纯酶的酶学性质及该酶对β-葡聚糖和地衣多糖的降解特性,并采用TLC法检测其水解液中糖的成分。[结果]从自行筛选的糖苷酶产生菌B.subtilis LC-9的发酵液中经两步纯化,得到电泳纯的β-1,3-1,4-葡聚糖酶,其比活力达3 502 U/mg,表观分子量为28 kDa;酶的最适反应pH和温度分别为6.5和45℃,且在45℃下稳定;该酶催化地衣多糖的Km值和Vmax分别为4.13 mg/ml和1 238μmol/min/mg,催化大麦β-葡聚糖的Km值和Vmax分别为3.84 mg/ml和1 427μmol/min/mg;该酶降解大麦β-葡聚糖产生寡聚糖,最终产物主要为三糖和四糖,而降解地衣多糖终产物主要为三糖。[结论]从Bacillus subtilis LC-9发酵液中纯化获得了电泳纯的β-1,3-1,4-葡聚糖酶,性质研究表明该酶是专一性的β-1,3-1,4-葡聚糖酶,有望用于啤酒、饲料等领域。     

3种菌株产木聚糖酶同工酶及其酶解产物的比较

探讨3种菌株所产木聚糖酶组分及其酶解产物的差异,为酶制剂和功能低聚木糖的研发和应用提供理论依据。采用SDS-PAGE电泳,研究黑曲霉C71、康宁木霉M46及XYNB重组工程菌G81所产的木聚糖酶同工酶。结果表明,C71、M46及G81分别产3种、4种和2种木聚糖酶同工酶;以桦木木聚糖为底物,在酶添加量为70U/g、底物20g/L、反应时间10h条件下进行酶解,采用TLC及HPLC分析酶解产物。TLC结果表明,C71和M46酶解液中含有木糖、木二糖和木三糖;G81酶解液中含有木二糖、木三糖和木四糖。HPLC结果表明,C71酶解液中木糖、木二糖和木三糖的质量浓度分别为2.4、1.3和1.7g/L;M46酶解液中木糖、木二糖和木三糖的质量浓度分别为1.5、1.8和2.1g/L;G81酶解液中木二糖、木三糖和木四糖的质量浓度分别为2.6、2.7和1.4g/L。不同菌株所产木聚糖酶组分及其酶解产物存在差异,低聚木糖的研发应根据酶学特性,选择不同的单一或复合酶制剂。     

红色亚栖热菌耐热木聚糖酶的克隆表达及生物信息学分析

从自主分离的Meiothermus.rubber菌株的基因组中克隆到木聚糖酶基因,并进行了超量表达、重组酶的纯化和酶学性质研究。结果表明,重组木聚糖酶Mru是热稳定性酶,最适反应温度为65℃,能够有效降解木聚糖产生木糖和木二糖。生物信息学分析发现,木聚糖酶Mru与数据库中来自亚栖热菌的木聚糖酶的同源性为60%~100%。在木聚糖酶Mru的结构模型中,GH10木聚糖酶的保守位点大多位于β折叠,α螺旋保守性很低。本研究揭示,木聚糖酶Mru代表一类新型热稳定性GH10木聚糖酶。     

重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶的纯化及部分酶学性质研究

[目的]研究重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶的性质。[方法]由重组大肠杆菌制备重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶发酵液,经乙醇分级沉淀和DEAE-650M离子交换层析分离纯化后进行SDS-PAGE纯度鉴定,最后分析纯化后重组酶的酶学性质。[结果]SDS-PAGE分析表明纯化后得到了较纯的重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶,比活力达13 437 U/mg,纯化倍数为19.85倍,回收率为20.60%,分子量约30 kDa。纯化后重组酶的最适pH值为6.0,pH值4.5~6.0较稳定;最适温度为50℃,40~50℃较稳定;Cu2+和Fe2+对其活力有显著的抑制作用,Mg2+、Zn2+和Mn2+对其活力有抑制作用,比较适合在啤酒酿造上使用。[结论]该研究为重组β-1,3-1,4-葡聚糖酶的工业化应用奠定了基础。     

β-1, 3-葡聚糖酶与植物的抗病性

综述了β-1,3-葡聚糖酶在植物抗病性方面的研究进展。β-1,3-葡聚糖酶在体外抑制病原物的生长;病 原物的侵染诱导植物β-1,3-葡聚糖酶活性升高和产生新的β-1,3-葡聚糖酶同工酶,这些高活性的β-1,3-葡聚糖 酶或特异性的同工酶提高了植物的抗病性;组成型表达β-1,3-葡聚糖酶基因的转基因植物,可有效地抵抗病 原物的侵袭。由于β-1,3-葡聚糖酶和病原菌的多样性及其它们在植物体内分布的不同,使得各种β-1,3-葡聚糖 酶在植物抗病性中的作用也不尽一样。     

基于α-半乳糖苷酶基因为筛选标记的酿酒酵母诱导型表达载体的构建及应用

以α-半乳糖苷酶基因为筛选标记,构建GAL1诱导型启动子介导的酿酒酵母表达载体YGM-α-gal质粒,将枯草芽孢杆菌的β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因克隆到此载体中,构建质粒YGMPA-α-gal,转化宿主酵母后,实现β-1,3-1,4-葡聚糖酶在酿酒酵母中的分泌表达.结果表明:在2%半乳糖诱导下,摇瓶发酵24h后分泌表达的β-葡聚糖酶活性达到411.9U爛mL-1,而在培养60h后,发酵液中α-半乳糖苷酶活性可达64.2U爛mL-1.说明α-半乳糖苷酶基因可用作酿酒酵母表达载体转化的有效筛选标记,为食品级酿酒酵母表达系统的构建提供了新选择.     

产琥珀酸丝状杆菌1,3-1,4-β-葡聚糖酶基因在毕赤酵母中的表达

为实现瘤胃细菌产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)1,3-1,4-β-葡聚糖酶基因(FsGLU)的高效表达,开发新的饲用β-葡聚糖酶资源,根据毕赤酵母对密码子的偏爱性、G+C含量等特点,对FsGLU基因进行密码子优化,然后合成优化后的1,3-1,4-β-葡聚糖酶基因(FsGLUm),转化毕赤酵母GS115,以甲醇诱导表达并对重组FsGLUm的酶学特性、底物特异性和对消化酶的耐受性进行了研究。结果表明:摇瓶水平条件下,以甲醇诱导表达48 h时,重组FsGLUm酶活性提高25.1%(P0.05)。在10 L发酵罐中诱导96 h后,重组FsGLUm的活性为6 424 U·mL-1,菌体湿质量和干质量达到274.6和123.6 g·L-1。酶学特性分析表明:纯化后的重组FsGLUm最适反应温度为37℃,最适反应pH值为5.0,比活性为10 397 U·mg-1。在温度低于37℃、pH 5.0~6.5时该酶具有较好的稳定性。底物特异性分析表明:重组FsGLUm可水解大麦β-葡聚糖和地衣多糖,不降解燕麦木聚糖、桦木木聚糖和羧甲基纤维素钠。在胃蛋白酶和胰蛋白酶共同作用60 min后,仍保留了50.5%的酶活性。结论:FsGLU基因在毕赤酵母GS115中实现了高效表达,重组FsGLUm作为饲用酶制剂具有潜在的应用价值。     

利用RACE方法克隆小麦β-1,3-葡聚糖酶基因的全长cDNA

【目的】研究小麦抗条锈菌的分子机制,在受条锈菌侵染的非亲和组合小麦叶片中克隆一个新的β-1,3-葡聚糖酶基因全长cDNA。【方法】采用RT-PCR、cDNA末端快速扩增技术(RACE),在感染小麦条锈菌的小麦(水源11)叶片中进行-β1,3-葡聚糖酶基因全长cDNA的扩增。【结果】得到了一个1338 bp-β1,3-葡聚糖酶基因全长cDNA,Genbank上注册号为DQ090946,测序结果和序列生物信息学分析结果表明,其与-β1,3-葡聚糖酶基因gi3757681和gi6782375的同源性分别为94.3%和92.1%。该全长cDNA具有完整的编码框,编码334个氨基酸,Genbank上注册号为AAY96422,与-β1,3-葡聚糖酶CAA77085和AAA32958的同源性分别为95.8%和86.7%。【结论】初步推断此全长cDNA是小麦中编码-β1,3-葡聚糖酶的一个新基因。     

β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶在农作物病虫害防治中的研究进展的几点思考

本文主要阐述了几丁质酶与β-1,3-葡聚糖酶的基因转化、抗病性与结构特性,以及将几丁质酶与β-1,3-葡聚糖酶病虫害防治的应用价值。     

小麦β-1,3-葡聚糖酶性质及其对小麦根腐离蠕孢菌的抑菌作用

为了明确小麦根腐离蠕孢菌（Bipolaris sorokinianum）侵染小麦后被诱导表达的β-1,3-葡聚糖酶基因所编码的β-1,3-葡聚糖酶的性质及其与抗病性的关系,采用生物信息学的方法对β-1,3-葡聚糖酶的一级结构、信号肽和跨膜结构进行了预测分析。结果表明β-1,3-葡聚糖酶是一种分泌型碱性蛋白酶,主要存在于胞外。将克隆到的β-1,3-葡聚糖酶基因构建成重组质粒并转化大肠杆菌BL21,经IPTG诱导后,分离纯化得到了原核表达的β-1,3-葡聚糖酶,对其在体外对小麦根腐离蠕孢菌生长的抑制作用的研究发现,β-1,3-葡聚糖酶对小麦根腐离蠕孢具较强抑菌活性。     

木质层孔菌产木聚糖酶和β-葡聚糖酶的研究

研究了木质层孔菌不同发酵条件对木聚糖酶、β-葡聚糖酶性能的影响,并对其酶作用特性进行了研究结果表明:木质层孔菌产木聚糖酶最适碳源为麸皮,氮源为蛋白胨,最适发酵温度为25℃;而产β-葡聚糖酶最适碳源为木糖,氮源为酵母膏,最适发酵温度为28℃。就产酶时间而言,在发酵前60 h菌株均不产生β-葡聚糖酶和木聚糖酶,在72 h才有微量的酶产生,到192～240 h两种酶均达到产酶高峰,并以216h产酶最高;两种酶的最佳缓冲液均为柠檬酸缓冲液,木聚糖酶的最适作用pH值5.0,最适反应温度为50℃,而β-葡聚糖酶最适作用pH值4.6,最适反应温度为60℃。     

β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶在农作物病虫害防治中的研究进展的几点思考

本文主要阐述了几丁质酶与β-1,3-葡聚糖酶的基因转化、抗病性与结构特性,以及将几丁质酶与β-1,3-葡聚糖酶病虫害防治的应用价值。     

黄胸散白蚁和台湾家白蚁不同品级虫体内纤维素酶的活性

研究了黄胸散白蚁Reticulitermes flaviceps和台湾家白蚁Coptotermes formosanus的工蚁、兵蚁和繁殖蚁体内纤维素酶的活性。结果表明，两种白蚁三类品级的虫体中都存在纤维素酶的三类主要组份：内切β-1,4-葡聚糖酶，外切-β-1,4-葡聚糖酶和β-1,4-葡萄糖苷酶，且不同酶的活性存在着极显著差异。酶活性也与白蚁种类和品级有关。台湾家白蚁虫体内的内切β-1,4-葡聚糖酶和外切β-1,4-葡聚糖酶的活性明显高于黄胸散白蚁；白蚁工蚁体内的内切β-1,4-葡聚糖酶活性高于兵蚁；而对于β-1,4-葡萄糖苷酶，白蚁种类和品级间均无显著性差异。     

小麦根腐离蠕孢菌诱导小麦β-1,3-葡聚糖酶基因的克隆及其表达

为了明确小麦受小麦根腐离蠕孢侵染后β-1,3-葡聚糖酶基因的表达情况,采用RT-PCR方法在受小麦根腐离蠕孢菌侵染后的小麦叶片中扩增β-1,3-葡聚糖酶基因,然后对侵染后的小麦叶片总RNA进行Northern斑点杂交。结果表明,克隆到了β-1,3-葡聚糖酶基因,该基因在小麦被侵染12 h时开始表达,在48 h后未见表达。对照中未见表达。可推断出此β-1,3-葡聚糖酶基因是被小麦根腐离蠕孢菌（Bipolaris sorokinianum）侵染后诱导表达的。     

几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因克隆微生物表达和抑菌效果研究

采用PCR扩增的方法,扩增获得几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的基因,分别将其基因克隆到原核表达载体pET28a(+)上,构建了原核表达载体pETChi和pETGlu。经IPTG诱导后几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因在大肠杆菌BL21中得到高效表达。通过对连孢(Alternaria alternate)的抑菌实验表明,这两基因的表达产物对此真菌有较强的抵抗能力。