全 文 ：·综述与专论· 2012年第1期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
低温木聚糖酶的研究进展
马莉 迟乃玉 张庆芳
（ 1大连大学生物工程学院，大连 116622 ；2辽宁省海洋微生物工程研究中心，大连 116622）
摘 要： 低温木聚糖酶在低温下仍具有较高酶活力及催化效率，在应用中能减少工艺流程，节省加热或冷却费用，降低耗能，
有着中高温木聚糖酶无法比拟的优势。针对低温木聚糖酶的研究现状，包括来源、分子结构与适冷机制、基因工程及应用等方面
进行综述。
关键词： 低温木聚糖酶 结构 机制 基因工程
Research Progress of Cold-adapted Cellulase
Ma Li Chi Naiyu Zhang Qingfang
（1College of Bioengineering,Dalian University,Dalian 116622 ；2Liaoning Marine Microbiological Engineering Research Center, Dalian 116622）
Abstract: Cold-adapted xylanase can reserve high activity and higher catalytic efficiency even at low temperature. It can reduce the
treatment process and costs for heating or cooling in the application process with the advantage of high temperature xylanase can not compare. In
this paper, the research on microbial cold-adapted xylanase was summarized, including the sources of enzymes, structure and mechanism of cold-
adapted and genetic engineering.
Key words: Cold-adapted xylanase Structure Mechanism Genetic engineering
木聚糖酶的底物木聚糖是自然界中继纤维素
之后含量第二丰富的可再生资源——半纤维素的
主要组成部分，因此木聚糖酶在纸浆、造纸工业
以及食品和饲料等各行业中都有广泛应用［1］。广
义的木聚糖酶是指能够降解半纤维素木聚糖的一
组酶的总称［2］，包括内切 β-1,4-D-木聚糖酶（endo-
β-1,4-D-xylanase）［EC 3.2.1.8］，β-D-木糖苷酶（β-D-
xylosidases）［EC 3.2.1.37］，α-L-呋喃阿拉伯糖苷酶
（α-L-arabinofuranosidases），α-D-葡 萄 糖 醛 酸 苷 酶
（α-D-glucuronidases）［EC 3.2.239］。 但 通 常 所 说 的
木聚糖酶仅限于内切 β-1,4-D-木聚糖酶（xylanase，
EC3.21.8），其作用是降解木聚糖主链骨架［3］，是木
聚糖降解酶系中较为关键的酶［4］。
与中、高温木聚糖酶相比，低温木聚糖酶具有
更松散、柔顺的分子结构［5］，使其在自然条件下具
有更低的活化能、Km 值及催化反应温度。这些特点
可以加强其对底物的亲和力，提高底物利用率，从
而降低能耗，缩短处理过程的时间；另外，利用低
温木聚糖酶在高温条件下对热敏感的特点，可以通
过温和的热处理使其变性失活，从而控制酶水解程
度，使产品品质不受影响［6］。这些优势都是中、高
温木聚糖酶所无法比拟的。
因此，鉴于低温木聚糖酶在降低生产成本及降
低能耗方面的巨大优势，近年来对于低温木聚糖酶
的研究正逐步深入。
1 低温木聚糖酶的来源
目前发现的大多数低温木聚糖酶都是由低温生
物产生的。因为这些生物体不需要温度调节，其内
部温度与周围环境接近。尽管生化反应在低温下的
负效应强烈，但是这些生物与常温环境中物种一样
繁殖、生长和迁移［7］。它们主要分布于两极区域（土
壤、海水和海泥）、冰川、海底盆地，以及纬度较高
的冻土区或特殊的低温环境等。
收稿日期 : 2011-07-26
基金项目 : 国家“863”子课题计划项目（2007AA021306）
作者简介 : 马莉 , 女 , 硕士研究生 , 研究方向 : 微生物与发酵工程 ; E-mail:supermaryfly@126.com
通讯作者 : 张庆芳 , 女 , 博士 , 副教授 , 研究方向 : 微生物与发酵工程 ; E-mail:zqf7566@126.com
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第1期20
尽管在地球上低温环境丰富而普遍，但是到
目前为止，经过鉴定的能够产生低温木聚糖酶的生
物种类却较有限，对低温木聚糖酶的研究更少。目
前，已经发现的产低温木聚糖酶的生物均来自寒冷
的南极环境，经过形态观察、生理生化试验及 16S
rDNA 或 18S rDNA 序列分析，这些生物包括 3 株革
兰氏阴性细菌（P.haloplanktis TAH3a, Flavobacterium
frigidarium sp.nov 和 Flavobacterium sp）［8，9］、一株革
兰氏阳性细菌（Clostridium strain PXYL1）［10］、一株酵
母菌（Cryptococcus adeliae）［11］、磷虾（Euphausia su-
perba）榨取液［12］、一些真菌（Penicillium sp., Alte-
rnaria alternata 和 Phoma sp.2） ［13］和担子菌类（Copr-
inus psychromorbidus）［14］等。
2 低温木聚糖酶的分子结构及适冷机制
2.1 分子结构研究
虽然能够产生低温木聚糖酶的生物类群比较广
泛，但到目前为止，人们只研究了 6 个低温木聚糖
酶的性质，它们分别是来自 P.haloplanktis TAH3a 的
第 8 家族木聚糖酶 pXyl［9］；来自 C.adeliae 的第 10
家族木聚糖酶 XB［15］；来自南极磷虾榨取液的木聚
糖 酶 A 和 B［12］；来 自 Flavobacterium.sp.MSY2 的 木
聚糖酶 Xyn10［16］，以及从环境基因组文库中筛选得
到并进行异源表达的第 8 家族木聚糖酶 Xyn8［16］。
关于这 6 个适冷木聚糖酶的来源、类别和基本性质
（最适酶活温度和 pH）的总结，如表 1 所示。
水解酶类，如内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维
二糖酶。字母分类中的 F 家族和 G 家族相当于数字
分类中水解酶 10 和 11 家族，分别包含高分子量和
低分子量木聚糖酶［17］。总之，第 10 家族的木聚糖
酶的结构、理化性质较相似，但第 11 家族木聚糖酶
在 pI、pH、热稳定性及酶分子的结构等方面相差较
大。此外，还有一些木聚糖酶属于 5、7、8 和 43 家
族［17］。而目前已研究的低温木聚糖酶主要集中在 8
和 10 家族。
第 10 家族木聚糖酶分子量较大，结构较复杂，
整个三级结构外形似一个色拉碗，其催化区域为一
个圆柱状（α/β） 8 结构，催化部位位于碗底近 C 端
的狭窄部位的浅沟中。该家族的木聚糖酶可作用于
对硝基苯和对硝基苯纤维二糖，需较少数量底物结
合位点，底物降解后的主要产物为低聚木糖。从山
羊瘤胃内容物的环境 DNA 中克隆的木聚糖酶基因
xynGR40 编码的一种胞外低温木聚糖酶。这段全长
1 446 bp 编码 481 个氨基酸残基的多肽，包含一个
催化结构域，属第 10 家族。该 xynGR40 蛋白除具
有第 10 家族糖苷水解酶的典型结构外，还具有更
少的氢键和盐桥，且在催化结构域有延长的环状
物，从而使该酶在常温下有较好的稳定性，并且比
第 10 家族里其他的低温木聚糖酶具有更高的催化
效率［18］。
目前发现属于第 8 家族的木聚糖酶较少，其典
型的结构还有待进一步研究。来自南极细菌——交
替假单胞菌的低温木聚糖酶就属于第 8 家族。其褶
层不同于其他已知的木聚糖酶，通过考核各种可能
解释适冷特性的参数，显示该蛋白具有较少的盐桥
和较多裸露的非极性残基［19］。
2.2 适冷机制的研究
低温木聚糖酶较中高温木聚糖，具有两个显著
的特征 ：一是在低温下具有较高的催化效率 ；二是
对热很敏感。这两个特征与低温木聚糖酶的分子结
构有密切的关系［20］。
木聚糖酶分子由催化区（catalytic domain，CD）、
纤维素结合区（cellulose-binding domain，CBD）、木
聚糖结合区（Xynl）、连接序列（linker sequence）和
其他未知功能的非催化区组成［21］。与中高温木聚糖
来源 家族 最适温度（℃） 最适 pH
E. superba A 10 35 5.5
E. superba B 10 37 6.0
C. adeliae 10 25 8.0
P. haloplanktis TAH3a 8 25 5.0-8.0
Flavobacterium. sp. MSY2 10 30 7.0
Environmental 8 20 7.0
genomic DNA library
表 1 低温木聚糖酶特征
一般来说，酶的结构决定了酶的性质，对于不
同来源、不同结构的酶，其具有的酶学性质也是不
同的。近年来，随着基因技术和计算机比对技术的
发展，根据疏水性聚类分析方法将木聚糖酶分为两
个家族 ：F 家族和 G 家族。其中也包括其他多聚糖
2012年第1期 21马莉等 ：低温木聚糖酶的研究进展
酶相比，目前已研究的低温木聚糖酶分子结构并未
发生很大的构象改变，其总的折叠方式较接近于中
高温木聚糖酶，这表明低温木聚糖酶总催化机理和
反应方式没有改变。它主要是通过其 CD 的变化以
及氢键和盐桥的修饰，从而使其在低温环境下亦具
有较高的酶活和更高的分子柔性。
从低温下的高催化效率方面来讲，低温木聚糖
酶通过多种途径使其催化腔变大，包括催化部位边
缘变小或删除，用具有短侧链氨基酸残基取代在催
化腔入口处具有长侧链氨基酸残基等。催化腔变大
可以使低温木聚糖酶在结合底物时消耗更少的能量
完成构象变化，从而降低酶与底物形成复合物时所
需的活化能；同时，较大的催化腔也易于产物的释放。
另外，通过改变 CD 的结构使酶在低温下 Km 值降低，
从而提高低温下的催化效率，也是其适应低温的一
条途径。
低温木聚糖酶的稳定性及柔性与中高温木聚糖
酶相比，其分子中氢键和盐桥的数量大大减少，或
其表面有更多的非极性残基暴露在溶液中。这些结
构因素的改变减弱了该酶分子的刚性，提高了其柔
性，降低了其稳定性，使酶对热较敏感。
3 基因克隆与表达
对于常温木聚糖酶的基因克隆和表达的研究较
多。到目前为止，已有多种微生物的木聚糖酶基因
得到了分离克隆。而对低温木聚糖酶的基因研究尚
在起步中，主要是利用基因克隆和表达技术实现低
温木聚糖酶在常用微生物宿主的表达。利用此技术
进行菌种选育，可直接得到酶基因，避免了繁琐的
菌种筛选工作，大大减少了工作量，缩短了从探索
研究到应用的时间，克服了传统育种方法的盲目性；
同时，低温木聚糖酶基因在常规微生物宿主中的表
达，便于得到较高产量的目的酶蛋白，而且能够改
变酶的性质，使多种有利特性集中到一株菌种上，
从而更利于其工业化的应用。
Lee 等［22］舍弃传统的育种方法，直接从环境
DNA 文库中克隆得到低温木聚糖酶基因 xyn8，以纯
化的噬菌体质粒为载体，将得到的 xyn8 基因片段整
合入质粒载体中，并将载体导入大肠杆菌 BL21 中，
实现 xyn8 基因的表达。成功表达的目的酶蛋白由
399 个氨基酸残基构成，分子量为 45.9 kD，且属于
糖苷水解酶第 8 家族。对纯化的酶进行酶学性质研
究，该低温木聚糖酶最适反应温度为 20℃，并在更
低的温度下保持着较为可观的酶活性。
Guo 等［23］从海洋细菌 Glaciecola mesophila KMM
241 中克隆得到基因 xynA，该基因长 1 271 bp，编
码 423 个氨基酸残基组成的低温木聚糖酶。重组子
XynA 在大肠杆菌 BL21 中得到表达，表达产物分子
量为 43 kD。对纯化的表达产物进行酶学性质研究，
该低温木聚糖酶最适反应温度为 30℃，最适反应
pH 为 7.0，在 4℃下仍具有 23% 的酶活性和 27% 的
催化效率，其 Tm 为 44.5℃。
4 低温木聚糖酶的应用
木聚糖酶的工业化应用始于 20 世纪 80 年代，
最初应用于饲料，而后扩展到食品、纺织和造纸工业。
近年来，木聚糖酶在制浆造纸、食品及饲料等行业
都有广泛的应用。低温木聚糖酶由于在中低温下具
有较高的催化效率，且热稳定性较低，使其在某些
工业应用中具有优势。主要体现在两个方面，一是
在某些需要中低温条件下低温木聚糖酶可以发挥其
高活性的特点 ；二是可以通过升高温度使低温木聚
糖酶快速失去活性，从而可以比较容易控制反应过
程，保证产品的风味和质量。
目前对于低温木聚糖酶的应用较少，主要集中
于食品工业，尤其是在果汁榨取和面包烤制等方面。
在面包烤制过程中，生面团制备过程通常在低于
35℃的条件下进行。最近也有研究表明来自南极的交
替假单胞菌（Pseudoalteromonas haloplanktis TSH3a）
的第 8 家族低温木聚糖酶 pXyl 在面包烤制上比一种
普遍应用的商业化中温木聚糖酶更有效［16］。
5 展望
目前对低温木聚糖酶的研究面临的最大问题是
产量较低，酶活性不高。现在采用菌种筛选和基因
工程手段来提高酶活和产量，使问题得到了缓解。
但要有关键性突破还要做很多工作。可从如下方面
进一步研究 ：（1）低温木聚糖酶的来源。目前，菌
种的自然选育仍是得到酶产物的主要途径，但因筛
选工作具有一定的概率性，使得整个工作周期延长，
工作量加大。为此，可采用直接从环境 DNA 文库中
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第1期22
克隆酶基因的方法，再通过常规的宿主菌进行表达，
不仅减少了工作量，而且还能在较短时间内得到大
量低温木聚糖酶产品。（2）工程菌的构建。随着各
种分子生物学技术的发展和应用，低温木聚糖酶基
因克隆和工程菌的构建将成为低温木聚糖酶研究的
热点。（3）多菌株混合发酵。混合发酵有多种微生
物分泌的酶系参与、水解和发酵混合进行，其中多
菌共生酶系可以互补，从而促进酶产量的提高。
总之，虽然目前低温木聚糖酶在工业中的应用
并不广泛，但由于其具有工艺流程简化、节约成本
和耗能低等巨大优势，相信随着对其研究地逐步深
入，必将在工业上有着广阔的应用前景。
参 考 文 献
［1］ Li L, Tian HM, Cheng YQ,et al. Purification and characterization
of a thermostable cellulase-free xylanase from the newly isolated
Paecilomyces themophila. Enzyme Microb Technol, 2006,38:780-787.
［2］ Lee CC， Smith M， Kibblewhite-Accinelli RE，et al. Isolation
and characterization of a cold-active xylanase enzyme from
Flavobacterium sp.. Current Microbiology，2006，52 ：112-116.
［3］ Isil S， Nilufer A. Investigation of factors affecting xylanase activity
from Trichoderma harzianum 1073 D3.Brazilian Archives of Biology
and Technology，2005，48（2）：187-193.
［4］ 朱会芳，周鹏，闫巧娟，等 . 耐冷皮壳正青霉一种木聚糖酶的
纯化与性质研究 . 菌物学报，2010，29（4）：536-541.
［5］ 佘元莉，李秀婷，宋焕禄，等 . 产高活性木聚糖酶放线菌的筛
选 . 江苏农业科学，2009，3:398-400.
［6］ 国春艳，刁其玉，乔宇，等 . 酸性木聚糖酶产生菌株的筛选和
酶学性质分析 . 中国农业科学，2010, 43（7）：1524-1530.
［7］ Cavicchioli R, Siddiquiks KS, Andrews D. Low-temperature extremo
philes and their applications. Curr Opin Biotl, 2002, 13（3）:253-261.
［8］ Humphry DR, George A, Black GW, et al. Flavobacterium frigidarium
sp.nov., an aerobic, psychrophilic, xylanolytic and laminarino lytic
bacterium from Antarctica.Int J Syst Evol Microbiol, 2001,51:
1235-1243.
［9］ Collins T,Meuwis MA,Stals I,et al. A novel family 8 xylanase:
functional and physicochemical characterization.J Biol Chem, 2002,
277:35133-35139.
［10］ Akila G,Chandra TS. A novel cold-tolerant Clostridium strain PXYL1
isolated from a psychrophilic cattle manure digester that
secretes thermolabile xylanase and cellulase.FEMS Microbiol
Lett,2003,219:63-67.
［11］ Petrescu J, Lamotte-Brasseur J, Chessa JP,et al. Xylanase from the
psychrophilic yeast Cryptococcus adeliae.Extremophiles, 2000,
4:137-144.
［12］ Turkiewiz M,Kalinowska H,Zielinska M,et al. Purification and
characterization of two endo-1,4-xylanases from Antarctic krill, Eup
hasia superba Dana.Comp Biol Physiol Part B,2000,127:325-335.
［13］ Bradner JR,Sidhu RK,Gillings M,et al. Hemicellulase activity of
antarctic microfungi.J Appl Microbiol,1999,87:366-370.
［14］ Inglis GD,Popp AP,Selinger LB,et al. Production of cellulases and
xylanases by low-temperature basidiomycetes.Can J Microbiol, 2000,
46:860-865.
［15］ Petrescu I,Lamotte-Brasseur J,Chessa JP,et al.Xylanase from the
psychrophilic yeast Cryptococcus adeliae.Extremophiles, 2000,
4:137-144.
［16］ Collins T,Hoyoux A,Dutron A,et al.Use of glycoside hydrolase family
8 xylanases in baking.J Cereal Sci,2006,43:79-84.
［17］ Collins T,Gerday C,Feller G.Xylanases,xylanase families and
extremophilic xylanases.FEMS Microbiol Rev,2005,29:3-23.
［18］ Wang GZ, Luo HY, Wang YR,et al. A novel cold-active xylanase
gene from the environmental DNA of goat rumen contents:Direct
cloning,expression and enzyme characterization.Bioresource
Technology,2011,102（3）:3330-3336.
［19］ Petegem FV, Collins T, Meuwis MA,et al.The structure of a cold-
adapted family 8 xylanase at 1.3Å resolution.The Journal of
Biological Chemistry,2003,287（9）:7531-7539.
［20］ 陈秀兰，张玉忠 . 适冷酶结构与功能的关系 . 中国农业科技导
报，2007，9（3）：57-60.
［21］ 刘瑞田，曲音波 . 木聚糖酶分子的结构区域 . 生物工程进展，
1998,18（6）：26-28.
［22］ Lee CC, Kibblewhite-Accinelli RE, Wagschal K,et al. Cloning
and characterization of a cold-active xylanase enzyme from an
environmental DNA library.Extremophiles,2006,10（4）:295-300.
［23］ Guo B, Chen XL, Sun CY,et al. Gene cloning,expression and
characterization of a new cold-active and salt-tolerant endo-β-
1,4-xylanase from marine Glaciecola mesophila KMM241.Appl
Microbiol Biotechnol,2009,84 ：1107-1115.
（责任编辑 狄艳红）