CN109679934A - 一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及酶技术领域，尤其涉及一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物。该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a、木聚糖b、α‑L‑阿拉伯呋喃糖苷酶和/或阿魏酸酯酶。该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物能专门针对玉米木聚糖进行有效降解，降解效率高，饲料利用率高。

Description

一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物
技术领域
本发明涉及酶技术领域，尤其涉及一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物。
背景技术
随着我国畜牧业的快速发展，饲料原料的需求也随之增加，玉米是我国饲料原料中用量最大的原料。根据中国产业信息网，2017-2018年度我国玉米产量在2.1亿吨，进口量为150万吨，其中饲用消费1.4亿吨(木聚糖含量约560万吨)，饲用玉米中的木聚糖含量是玉米进口量的3.7倍。在大部分饲料原料的抗营养因子中，木聚糖含量最高；虽然在不同饲料原料中玉米的木聚糖含量基本是最低的，但玉米的用量却是最大的。在单胃动物体内没有降解木聚糖的酶，所以这部分木聚糖及其所包含的养分是不能被动物利用的。
阿拉伯木聚糖是一种多聚五碳糖，由木糖、阿拉伯糖及其支链组成的多糖，是植物细胞中半纤维素的主要成分。由于畜禽体内缺乏木聚糖降解酶，所以饲料中的木聚糖进入畜禽肠道后不会被降解，还会使食糜黏性增加，导致食糜流动变慢，局部形成厌氧环境，致病菌增值，引发肠道健康问题，从而导致饲料利用率降低，畜禽生产性能下降。因此，寻找有效的酶制剂降解饲料中抗营养因子显得尤为重要。
由于玉米木聚糖支链含量高、结构复杂，且支链结构对常规GH10和GH11的木聚糖单酶具有空间位阻现象，所以玉米木聚糖的降解必须是主链木聚糖酶与支链酶协同作用，才能将其解开，释放出其中的营养物质。中国专利公开号CN101166830A公开了一种涉及酶促水解阿拉伯木聚糖的方法和适合于在这种方法中使用的酶组合物，该方法是将含有阿拉伯木聚糖的底物与以下酶接触，包括GH43、GH51、GH54或GH62的α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、GH3的β-木糖苷酶、和/或GH10或GH11的内切-1,4-β-木聚糖酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶、α-淀粉酶、CGTase、葡糖淀粉酶、肌醇六磷酸酶、蛋白酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、纤维二糖水解酶和β-糖苷酶，一种酶组合物包括以上所述的酶，含有阿拉伯木聚糖的底物包括小麦、黑麦、大麦、玉米、水稻、高粱和黍加工生产农产品的副产品，同时还包括草本和禾本的能源作物，农业食品和饲料作物，动物饲料产品等农产品的副产品及农业废弃物。该发明的方法、酶组合物以及底物的描述过于模糊，并不是上述任一组合在任何条件下都对玉米木聚糖降解有效果的。中国专利申请号2016100151867公布了一种小麦日粮特异性木聚糖降解复合酶制剂，其活性成分包括木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶和/或阿魏酸酯酶，该发明虽然考虑了木聚糖支链降解酶，但其针对的底物为小麦日粮特异性木聚糖，而相比玉米木聚糖，小麦木聚糖结构简单，常规GH11和GH10的木聚糖酶亦可将其降解。上述两申请并非针对玉米木聚糖降解的组合酶，且用于玉米木聚糖的降解，降解效率低，难以实现玉米中木聚糖有效、充分降解。
发明内容
本发明提供了一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，能专门针对玉米木聚糖进行有效降解，降解效率高，饲料利用率高，解决了现有技术中存在的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其活性成分包括木聚糖酶a、木聚糖酶b、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和/或阿魏酸酯酶；所述木聚糖酶a为β-1,4-内切木聚糖酶，木聚糖酶b为β-1,4-外切木聚糖酶。
所述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a2000-5000U/g、木聚糖酶b20000-60000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶200-1500U/g和/或阿魏酸酯酶50-200U/g；优选，木聚糖酶a2500-4500U/g、木聚糖b27500-55000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶300-1000U/g和/或阿魏酸酯酶75-175U/g；更优选，木聚糖酶a3000-4100U/g、木聚糖b30900-50000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶350-850U/g和/或阿魏酸酯酶85-150U/g；再优选，木聚糖酶a3580U/g、木聚糖酶b40100、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g和/或阿魏酸酯酶132U/g。
所述木聚糖酶a来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462；木聚糖酶b来源于毕赤酵母(Pichia pastoris)，菌株编号GS115；所述α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶均来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462。
所述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物还包括载体，所述载体为淀粉或糊精。按如下重量份数的原料制成：木聚糖酶a 2.00-5.00份、木聚糖酶b 13.75-27.50份、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶2.22-16.67份和/或阿魏酸酯酶1.67-6.67份、载体80.36-44.16份。
所述木聚糖酶a、木聚糖酶b、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶的酶活力单位分别为100000U/g、200000U/g、9000U/g、3000U/g。
所述的复合酶组合物在降解玉米木聚糖中的应用。
所述的复合酶组合物在降解玉米木聚糖制备寡糖中的应用，添加量为200-500g/吨玉米木聚糖，酶解温度47-52℃；酶解周期4h。
所述的复合酶组合物制备玉米饲料中的应用，添加量为100-200g/吨玉米；酶解温度38-44℃，酶解时间19h。
所述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物用于玉米类动物饲料的降解，干物质消化率达2.08％。
所述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物用于玉米木聚糖的降解，酶解产物主要为木糖、木二糖、木三糖。
本发明的有益效果：
1、本发明高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物针对玉米木聚糖支链结构多且复杂设计，能够消除常规木聚糖具有的空间阻碍作用；主链酶与支链酶联合作用，降低了侧链对主链酶的阻碍，提高了玉米木聚糖的降解效率，释放更多被包埋的营养物质。玉米木聚糖被降解后可降低食糜粘度，提高了玉米消化率，改善养殖过程中的过料(料便)现象，节约了饲料成本。
2、本发明高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物将玉米饲料中的玉米木聚糖降解为木糖、木二糖、木三糖，与传统木聚糖酶及现有木聚糖酶组合酶降解效果相比，酶解产物产量更高，酶解效果显著。
3、本发明高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的木聚糖酶通过组合β-1,4-内切木聚糖酶、β-1,4-外切木聚糖酶，与α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和/或阿魏酸酯酶共同作用，较现有β-1,4-内切木聚糖酶与α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶的组合，对木聚糖降解效果更加显著，实现了对玉米木聚糖这一特殊、复杂结构底物的有效降解，提高了饲料利用率，提升了养殖效益。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本发明进行详细阐述。
实施例1
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3580U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶40100U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g和阿魏酸酯酶132U/g。
实施例2
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶2000U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶20000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶200U/g和阿魏酸酯酶50U/g。
实施例3
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶5000U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶50000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶1500U/g和阿魏酸酯酶200U/g。
实施例4
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3500U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶36000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶1000U/g和阿魏酸酯酶100U/g。
实施例5
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3580U/g、木聚糖b：β-1,4-外切木聚糖酶40100U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g。
实施例6
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3500U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶40100U/g、阿魏酸酯酶132U/g。
实施例7
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶2000U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶20000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶200U/g。
实施例8
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶2000U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶20000U/g、阿魏酸酯酶50U/g。
实施例9
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶5000U/g、木聚糖b：β-1,4-外切木聚糖酶50000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶1500U/g。
实施例10
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶5000U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶50000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶200U/g。
实施例11
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3500U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶36000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶1000U/g。
实施例12
该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的活性成分包括木聚糖酶a：β-1,4-内切木聚糖酶3500U/g、木聚糖酶b：β-1,4-外切木聚糖酶36000U/g、阿魏酸酯酶100U/g。
上述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物加入载体成分，按常规方法制备用于玉米类饲料的降解。
上述木聚糖酶a来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462；木聚糖酶b来源于毕赤酵母(Pichia pastoris)，菌株编号GS115；所述α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶均来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462。
上述木聚糖酶a、木聚糖酶b、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶的酶活力单位分别为100000U/g、200000U/g、9000U/g、3000U/g。
体外酶解玉米的效果试验：
一、评价方法
以玉米为酶解底物，在相同酶解条件下，通过体外酶解效果实验，验证不添加酶，添加了传统木聚糖酶、现有小麦木聚糖降解复合酶及本发明高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的酶解效果。
干物质消化率的计算方法
干物质消化率＝(反应前干物质加酶组-反应后干物质加酶组)/反应前干物质加酶组
*100％-(反应前干物质不加酶组-反应后干物质不加酶组)/反应前干物质不加酶组*100％
实验组包括：
①传统木聚糖酶为市售常规β-1，4-木聚糖单酶，内切β-1，4-木聚糖单酶或外切β-1，4-木聚糖单酶，添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃；酶解时间19h；
②小麦木聚糖降解复合酶组成1为：β-1，4-内切木聚糖单酶12500U/g、阿拉伯呋喃糖苷酶2600U/g和/或阿魏酸酯酶200U/g；添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃；酶解时间19h；
③小麦木聚糖降解复合酶组成2为：β-1，4-内切木聚糖单酶3580U/g、阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g和/或阿魏酸酯酶132U/g，酶解温度38-44℃；酶解时间19h；添加量为100-200g/吨玉米；
④小麦木聚糖降解复合酶组成3为：β-1，4-内切木聚糖单酶43680U/g、阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g和/或阿魏酸酯酶132U/g，酶解温度38-44℃；酶解时间19h；添加量为100-200g/吨玉米；
⑤木聚糖酶组合：选取本发明的内、外切β-1，4-木聚糖单酶组合使用，组合1配方组成为：木聚糖酶a2000U/g、木聚糖酶b20000U/g，组合2：木聚糖酶a5000U/g、木聚糖酶b60000U/g；酶解温度38-44℃；酶解时间19h；添加量为100-200g/吨玉米；
⑥本发明高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物为实施例1-12的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物；添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃；酶解时间19h。
1、以干物质消化率为评价指标，相比传统木聚糖酶以及现有小麦木聚糖降解复合酶，酶解效果更优，远优于现有技术的酶或酶组合产品，结果如下表1。
表1中，Xa：内切β-1，4-木聚糖酶；Xb：外切β-1，4-木聚糖酶；A:阿拉伯呋喃糖苷酶；F：阿魏酸酯酶。
表1对玉米酶解效果的对比
结论：与传统木聚糖酶以及现有小麦木聚糖降解复合酶相比，该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物对玉米中木聚糖的降解具有更高的专一性，降解效果更好。同时可以看出，本发明不同菌种来源的木聚糖酶组合效果要优于传统单一菌种来源木聚糖酶。
2、以酶解产物种类和含量为评价指标，相比传统木聚糖酶以及现有小麦木聚糖降解复合酶，酶解产物种类更多，酶解产物含量更高，结果如下表2。
表2对玉米体外酶解产物及含量对比
结论：与传统木聚糖酶相比，该高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物对玉米进行降解的主要酶解产物种类及含量更高，实施例1-4酶解更彻底，能够提升饲料酶解效率，提升饲料利用率和消化率。同时，不同菌种来源的木聚糖酶组合效果要优于单一来源木聚糖酶。
上述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物用于玉米日粮饲料时，按如下重量配制：取木聚糖酶a(100000U/g)2.00kg-5.00kg，取木聚糖酶b(200000U/g)13.75kg-27.50kg，取α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶(9000U/g)2.22kg-6.67kg和/或取阿魏酸酯酶(3000U/g)1.67kg-6.67kg，取淀粉或糊精80.36kg-44.16kg，按常规技术方法混合均匀即可。添加量为200g/吨玉米。
二、不同菌种来源的木聚糖酶组合效果比较
①以本发明实施例1的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物为例；复合酶组合物添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃；酶解时间19h。
②对比例：按本发明实施例1配方，选取其他的不同菌种来源，木聚糖酶a、b选择菌种来源分别为里氏木霉和米曲霉的木聚糖酶，阿拉伯呋喃糖苷酶和阿魏酸酯酶选择来源于里氏木霉的相应酶；添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃；酶解时间19h。
上述来源于里氏木霉和米曲霉的木聚糖酶a、木聚糖酶b，来源于里氏木霉的阿拉伯呋喃糖苷酶和阿魏酸酯酶均为相应菌来源的市售酶产品。
以干物质消化率及酶解产物为评价指标，相比上述其他不同菌种来源的配方，如下表3，本发明配方酶解效果更优。
表3其他不同菌种来源的配方对玉米的酶解效果
实验组 配方组成 干物质消化率，％
实施例1 XaXbAF 2.08
对比例 XaXbAF 1.09
表4其他不同菌种来源的配方对玉米的酶解效果(％)
实验组 配方组成 木糖 木二糖 木三糖 木四糖 木五糖
实施例1 XaXbAF 0.9196 0.6607 0.4377 0.1999 0.0315
对比例 XaXbAF 0.7561 0.2813 0.1751 0.1649 0.0687
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其特征在于，其活性成分包括木聚糖酶a、木聚糖b、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和/或阿魏酸酯酶；
所述木聚糖酶a为β-1,4-内切木聚糖酶，木聚糖酶b为β-1,4-外切木聚糖酶。
2.根据权利要求1所述的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其特征在于，其活性成分包括木聚糖酶a2000-5000U/g、木聚糖b20000-60000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶200-1500U/g和/或阿魏酸酯酶50-200U/g；优选，木聚糖酶a2500-4500U/g、木聚糖b27500-55000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶300-1000U/g和/或阿魏酸酯酶75-175U/g；更优选，木聚糖酶a3000-4100U/g、木聚糖b30900-50000U/g、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶350-850U/g和/或阿魏酸酯酶85-150U/g；再优选，木聚糖酶a3580U/g、木聚糖酶b40100、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶485U/g和/或阿魏酸酯酶132U/g。
3.根据权利要求1-2任一项所述的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其特征在于，所述木聚糖酶a来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462；木聚糖酶b来源于毕赤酵母(Pichia pastoris)，菌株编号GS115；所述α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶均来源于黑曲霉(Aspergillus niger)，菌株编号CICC2462。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其特征在于，还包括载体，所述载体为淀粉或糊精。
5.根据权利要求4所述的高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物，其特征在于，按如下重量份数的原料制成：木聚糖酶a2.00-5.00份、木聚糖酶b13.75-27.50份、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶2.22-16.67份和/或阿魏酸酯酶1.67-6.67份、载体80.36-44.16份。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合酶组合物在降解玉米木聚糖中的应用。
7.权利要求6所述的应用，其特征在于，所述高效降解玉米木聚糖的复合酶组合物的添加量为200-500g/吨玉米木聚糖，酶解温度47-52℃，酶解周期4h。
8.根据权利要求1-5任一项所述的复合酶组合物在制备玉米饲料中的应用，其特征在于，所述复合酶组合物的添加量为100-200g/吨玉米，酶解温度38-44℃，酶解时间19h。
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