面包烘焙

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面包烘焙 篇1

1 木聚糖酶的分类

木聚糖酶种类繁多,研究者根据木聚糖酶不同的特性可对木聚糖酶进行不同的归类,最常用的分类方式是Henrissat和Bairoch根据糖苷水解酶及其相关酶催化结构域氨基酸序列的相似性将糖苷水解酶家族(Glycoside Hydrolase families, GHs)进行不同的划分[2]。绝大部分木聚糖酶属于第10、11组,即GH10和GH11,分别包含高分子量和低分子量木聚糖酶。随着对木聚糖酶研究的逐渐深入,近年来,在GHs家族的其他家族中也陆续发现了木聚糖酶的存在,已有报告的木聚糖酶还分布在GH 5、7、8、 30 和 43族。

1.1 GH10族木聚糖酶

GH10木聚糖酶多为高分子量(分子量大于30 kDa)水解酶,等电点较低,不仅有催化结构域(Catalytic Domains,CDs),还常有碳水化合物结合结构域(Carbohydrate-Binding Modules,CBMs)[3]。GH10族木聚糖酶的CDs大小在32~39 K之间,X-射线对GH10晶体CDs结构进行分析,发现该家族木聚糖酶CDs结构为由8倍α/β折叠桶。相比于GH11族木聚糖酶,GH10木聚糖酶的底物特异性更小,两大类家族木聚糖酶对底物木聚糖的识别不在于木聚糖支链残基的种类和木聚糖本身的长度,而是在于木聚糖侧链取代基的数量和密集程度,GH10的底物木聚糖的断裂需要主链上必须存在至少两个连续的无取代基的吡喃木糖残基;然而GH11木聚糖酶则需要底物主链三个连续无取代基的吡喃木糖残基存在。

1.2 GH11族木聚糖酶

GH11木聚糖酶多为单结构域蛋白,相对分子量一般小于30KDa,等电点较高[3]。相比于GH10族木聚糖酶,GH11有更大的多样性,可进一步划分为A、B、C、1、2、3、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ[4]。不同亚类的GH11木聚糖酶在等电点、热稳定性、最适pH,空间结构和催化特点等方面都存在很大差异。GH11木聚糖酶CDs序列都保留谷氨酸作为催化残基,且碱性木聚糖酶都在第100位点存在天冬酰胺,酸性木聚糖酶则普遍存在天冬氨酸残基;半胱氨酸在这些序列中不常见,二硫键也不是可以解释某些嗜热木聚糖酶热稳定性的直接因素;真菌和细菌木聚糖酶各自都形成不同的亚家族。其中,亚家族Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ包含了大部分的真菌木聚糖酶,细菌木聚糖酶则可划分为A、B和C三个亚家族[4]。了解GH11族木聚糖酶的分类及其在微生物中的分布有利于更好的选择性寻找有潜在工业应用前景的木聚糖酶。

1.3 其它GHs木聚糖酶

近年来,随着对木聚糖酶的研究趋于全面,越来越多的存在于其它糖苷水解酶家族(GHs)中的β-1,4-D-内切木聚糖酶已经被报道。除了最常见的GH10和GH11族木聚糖酶,存在有木聚糖酶的其它GHs还有5、7、8、30和43家族。这些不常见的木聚糖酶常有更特殊的底物特异性。

GH5木聚糖酶水解底物通常为主链被糖苷配基修饰的木聚糖。Larson等[5]报道了第一个被结晶的GH5木聚糖酶的空间结构,该酶蛋白由CDs和CBMs两部分组成,CDs包含一个8倍α/β折叠桶结构,CBMs空间结构为β-折叠,由N-端和C-端氨基酸残基形成,在GH5木聚糖酶晶体结构中,CDs与CBMs紧密连接,这说明两者在酶反应过程中同步作用进行底物的结合与裂解。而在GH10含有CBMs结构的木聚糖酶中,CDs和CBMs总是由一段保守的连接蛋白相连,两者在空间上存在一定的距离。

GH7家族主要成员是葡聚糖外切酶(又称纤维二糖酶,cellobiohydrolases)和葡聚糖内切酶(endoglucanases),催化域空间结构为β-卷饼型。青霉属菌Penicillium funiculosum分泌的木聚糖酶XynA是至今被发现的唯一一个属于GH7家族的木聚糖酶[6]。该GH7木聚糖酶同时也有葡聚糖水解活性,但是其葡聚糖水解活性远不如它水解木聚糖活性高。

GH8族木聚糖酶的晶体结构为6倍α/α折叠桶,各木聚糖酶之间底物特异性区别较大,且不同于GH10和GH11族木聚糖酶,其主要成员包括β-1,4-内切木聚糖酶和外切木聚糖酶,后者作用时通过从非还原端逐个释放木糖的方式降解低木聚糖。目前被报道出的GH8族木聚糖酶只有四个,其中为两个内切木聚糖酶另外两个为外切木聚糖酶,从非还原端逐个释放木糖。四种GH8木聚糖酶有着很高的序列同源性和蛋白折叠方式,两类不同的水解方式表现在它们空间结构的微小差异[7]。

GH30族木聚糖酶为8倍α/β折叠桶与侧边β-折叠相连结构,且侧边β-折叠结构在酶催化反应中发挥关键作用,大部分GH30木聚糖酶要求底物木聚糖主链被葡糖醛酸或4-甲基-葡糖醛酸修饰,即该族木聚糖能特异性催化葡糖醛酸木聚糖水解,最近也报道出一株真菌Bispora sp.分泌的GH30木聚糖酶能识别没有被葡糖醛酸修饰的木聚糖[8]。酶反应时木聚糖主链的断裂发生在被4-甲基-葡糖醛酸修饰的木糖残基旁边还原端第二个糖苷键上。

GH43家族糖苷水解酶的空间结构为5倍β-螺旋桨,其催化域结构特点像一个紧密的口袋,可以将识别的基团包裹。属于GH43族的木聚糖酶目前还没有被彻底研究,被发现的唯一一个GH43木聚糖酶不但可以裂解木聚糖,还兼该家族其它成员α-L-阿拉伯呋喃糖酶的催化能力,该酶在Bacillu polymyxa中被表达和纯化,对燕麦木聚糖和阿拉伯呋喃糖均有较强催化活性,该酶的晶体结构和催化机制还没有被报道[9]。

2 木聚糖酶在面包烘焙中的应用

长期以来,木聚糖酶广泛应用于面包烘焙工业中。现在,已有大量的研究者报道了不同的木聚糖酶在面包烘焙中的加入对改善面包品质的影响。在面粉中添加适量的木聚糖酶有利于减少面粉中的阿拉伯木聚糖,增加不溶性阿拉伯木聚糖的可溶性,降低生面团的硬度,增加面包体积,改善面包芯质地,从而显著改善生产条件,使生面团不再附着于器壁,烘焙出品质优良的面包[10]。

面包烘焙过程中与面包老化息息相关的是面包芯硬度的逐渐增加,在面粉中加入适量的木聚糖酶可以起到抗老化的作用,研究表明,大多数加入的木聚糖酶都可以促进生面团的软化,因为面包烘焙中使用的木聚糖酶都特异性的水解不溶性阿拉伯木聚糖,木聚糖酶的加入使得附着于生面团中的不溶性阿拉伯木聚糖减少,从而达到软化生面团的目的[11]。Laurikainen等[12]在生面团搅拌过程中加入从Aspergillus foetidus中分离纯化的木聚糖酶,与不加木聚糖酶相比,加入木聚糖酶的生面团达到相同的黏稠度需要补充的水明显减少,而且水分可以在烘焙过程中均匀分布,使得面包体积显著增加。这可能是因为加入的木聚糖酶可以水解面粉中的不溶性阿拉伯木聚糖使得其吸收的水分得以释放并重新分布。

3 展 望