キシラナーゼ

キシラナーゼ

キシランは植物細胞壁に存在する異種多糖類で、植物細胞の乾燥重量の約15%から35%を占め、植物ヘミセルロース（ヘミセルロース）の主要成分です。ほとんどのキシランは、さまざまな置換基を含む複雑で高度に分岐した異種多糖類です。したがって、キシランの生分解には、さまざまな成分の相乗効果を通じてキシランを分解するための複雑な酵素系が必要です。したがって、キシラナーゼは酵素のグループであり、単一の酵素ではありません。

キシラナーゼの供給源

キシラナーゼは自然界に広く分布しており、動物、植物、微生物から得ることができます。たとえば、キシラナーゼは海洋および陸上の細菌、海藻、真菌、酵母、反芻動物のルーメンおよび反芻細菌、カタツムリ、甲殻類、陸上植物組織、さまざまな無脊椎動物に存在します。微生物由来のキシラナーゼは自然界に普遍的に存在し、さまざまな分野で幅広い応用があります。したがって、微生物キシラナーゼの研究に関する報告が多数あります。最近、最も研究され、応用されているキシラナーゼは細菌由来のものです。その中で、細菌はアルカリ性および酸性キシラナーゼを生成できますが、真菌はアルカリ性キシラナーゼしか生成できません。糸状菌は最も高い細胞外酵素を分泌します。現在、キシラナーゼは主に真菌や細菌などの微生物を使用して発酵生産されています。

図1. キシラナーゼのタンパク質構造。

キシラナーゼの成分

キシラン分解酵素系（xylanolyticenzymesystems）は、β-1,4-エンドキシラナーゼ、β-キシロシダーゼ、α-L-アラビノシダーゼ、α-D-グルクロン酸エステラーゼ、アセチルキシラナーゼおよびフェノールエステラーゼを含むキシラン分解酵素系の一種であり、自然界に存在する大量のキシランヘミセルロースを分解できます。キシラン加水分解酵素系では、β-1,4-エンドキシラナーゼが最も重要な加水分解酵素であり、キシラン分子のβ-1,4-グリコシド結合を加水分解することによって、オリゴ糖やキシロオリゴ糖などの小さなオリゴ糖、および少量のキシロースやアラビノースを生成します。ベータ-キシロシダーゼは、キシロオリゴ糖の末端を加水分解することによってキシロース残基の放出を触媒します。さらに、α-L-アラビノフラノシダーゼ、α-グルクロン酸エステラーゼ、アセチルキシランエステラーゼ、アラキシラン側鎖残基およびフェノールがあり、キシランを完全に分解できます。フェノールエステラーゼなどの側鎖加水分解酵素は、酸（フェルラ酸やクマル酸など）によって形成されたエステル結合に作用し、キシロースと側鎖置換基の間のグリコシド結合に作用し、主鎖加水分解酵素と協力して最終的にキシランをその構成単糖に変換します。

応用

• 焼き菓子におけるキシラナーゼの応用

キシラナーゼはグルテンネットワーク構造を変化させることによって生地の体積を増加させ、生地の弾力性と延展性を高め、乾燥、硬さ、水分保持を減少させ、噛みごたえと粘度を減少させ、生地の加工性と安定性を向上させます。

• 飲料におけるキシラナーゼの応用

ジュースの生産過程では、粘度が高すぎるとジュースの濾過に不利であり、濁度が高すぎるとジュースの品質が低下します。キシラナーゼで処理した後、ジュースの濾過性が向上します（キシラナーゼが粗ジュースに存在する炭水化物や多糖類を加水分解するため、ジュースの濁度が低下します）。さらに、複合酵素（セルラーゼなど）とキシラナーゼの併用もジュース抽出の効率を改善できます。

• 醸造業におけるキシラナーゼの応用

ビールの生産過程では、麦芽にヘミセルロースが含まれており、非常に親水性であるため、麦汁の濾過が困難になり、麦汁の収率が低下します。ビールの醸造過程にキシラナーゼを添加することは、麦汁の粘度を低下させ、麦汁の収率と生産量を改善し、麦汁の濾過速度を加速するのに役立ちます。

• 健康製品におけるキシラナーゼの応用

キシロオリゴ糖を含む機能性オリゴ糖は、対応する消化酵素が不足しているため、哺乳類の小腸では消化が困難ですが、ラクトバチルスやビフィズス菌などの大腸のプロバイオティクス微生物によって容易に同化され、代謝されるため、プレバイオティクスとして使用され、注目されています。キシラナーゼ加水分解を用いてキシロオリゴ糖を製造することは、産業におけるキシロオリゴ糖の主要な生産方法となっています。

結論

キシラナーゼは食品産業でバイオ触媒として広く使用されていますが、食品産業の複雑さと急速な発展は、キシラナーゼに効率的で多様性があり、特異的な促進を要求します。過去数十年にわたり、単一または包括的な方法（高スループットスクリーニング、タンパク質工学など）を使用することによって、高い熱安定性、酸およびアルカリ耐性、非金属イオン依存性、迅速な反応速度、基質利用率の高い高品質のキシラナーゼの開発が行われ、食品産業の実際の生産ニーズに応えています。しかし、酵素の低い変換効率、高価格、低再利用率、安定性の低さ、基質作用範囲の狭さなど、依然として緊急に解決すべき多くの問題があります。したがって、基本的な構造設計と基本的な生化学の知識をガイドとして使用し、遺伝子工学、タンパク質工学、バイオコンピュータシミュレーションおよび高スループット法を使用して、キシラナーゼの触媒特性をさらにターゲットにして、食品の品質を向上させ、生産コストを削減し、持続可能な発展を達成する必要があります。

参考文献