آنزیم زایلاناز و کاربردهای آن

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

چکیده

امروزه با روند رو به  رشد سریع جمعیت، افزایش نیاز نسبت به وجود محصولات و تولیداتی که برای سلامتی جوامع و محیط‌ زیست مفید و بی ضرر هستند، حائز اهمیت می‌باشند که در صنایع مختلفی مانند غذا، پوشاک،کاغذ، دارو و... مورد بهره‌برداری  واقع می‌شوند. استفاده از آنزیم‌ها و بطور ویژه، زایلاناز به دلیل اختصاصیت و سرعت بخشیدن به عملیات، و محافظت از مواد خام اولیه و جلوگیری از آسیب به آنها نقش ویژه‌ای دراین مسیر و صنایع گوناگون بازی می‌کند(1). آنزیم زایلاناز از دسته گلیکوزید هیدرولازها است، که باعث شکسته‌ شدن پیوندهای گلیکوزیدی 4و1 ẞ درساختمان زایلان می‌گردد. زایلان یکی  از مهمترین  پلی‌ساکاریدهای شرکت کننده در  دیواره سلولی گیاهان می‌باشد. درطبیعت انواع مختلفی از این آنزیم وجود دارد که هر کدام عملکرد ویژه‌ای برای سوبستراهای اختصاصی خود دارند. همچنین آنها براساس فعالیت در دماهای مختلف به انواع مزوفیل، سایکروفیل، ترموفیل تقسیم بندی می‌شوند و این تنوع باعث شده که که در صنایع گوناگون کاربردهای فراوانی داشته باشند.  امروزه بررسی‌های دانشمندان، بیشتر روی نوعی از زایلانازها که جزء خانواده گلیکوزید هیدرولازهای 11 طبقه بندی می‌شوند، صورت گرفته است

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Xylanase and its applications

چکیده [English]

Today, with the rapid growth of the population, there is an increasing need to produce productions that are useful and harmless for the health of communities and the environment, which are important in various industries such as food, clothing, paper, medicine, etc. The use of enzymes and especially xylanase plays a special role in various industries due to the specificity and speeding up of the operation, and the protection of the primary raw materials and preventing damage to them (1). Xylanase is a glycoside hydrolase, which breaks the ẞ1and 4 glycosidic bonds in the structure of xylan. Xylan is one of the most important polysaccharides involved in plant cell walls. In nature, there are different types of this enzyme, each of which has a special function for its specific substrates. Also, they are divided into mesophilic, psychrophilic, and thermophilic based on their activity at different temperatures, and this diversity has made them widely used in various industries (2).
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • beta 1 and 4 xylanase
  • xylanase
  • xylan
  • xylose

آنزیم زایلاناز و کاربردهای آن

مریم صادقی اردبیلی1 و سعید امین زاده2*

1 گروه بیوشیمی، دانشکده علوم پایه، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی

2 گروه مهندسی زیست فرایند، پزوهشکده زیست فناوری صنعت و محیط زیست، پزوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری

* مترجم مسئول، پست الکترونیکی: aminzade@nigeb.ac.ir

چکیده

امروزه با روند رو به رشد سریع جمعیت، افزایش نیاز نسبت به وجود محصولات و تولیداتی که برای سلامتی جوامع و محیط‌ زیست مفید و بی ضرر هستند، حائز اهمیت اند که در صنایع مختلفی مانند غذا، پوشاک،کاغذ، دارو و... مورد بهره‌برداری  واقع می‌شوند. استفاده از آنزیم‌ها و به طور ویژه، زایلاناز به دلیل اختصاصیت و سرعت بخشیدن به عملیات، و محافظت از مواد خام اولیه و جلوگیری از آسیب به آنها نقش ویژه‌ای دراین مسیر و صنایع گوناگون بازی می‌کند(1). آنزیم زایلاناز از دسته گلیکوزید هیدرولازها است، که باعث شکسته‌ شدن پیوندهای گلیکوزیدی 4و1 ẞ درساختمان زایلان می‌شود. زایلان یکی  از مهمترین پلی‌ساکاریدهای شرکت کننده در دیواره سلولی گیاهان است. درطبیعت انواع مختلفی از این آنزیم وجود دارد که هر کدام عملکرد ویژه‌ای برای سوبستراهای اختصاصی خود دارند. همچنین آنها براساس فعالیت در دماهای مختلف به انواع مزوفیل، سایکروفیل، ترموفیل تقسیم بندی می‌شوند و این تنوع باعث شده که که در صنایع گوناگون کاربردهای فراوانی داشته باشند.  امروزه بررسی‌های دانشمندان، بیشتر روی نوعی از زایلانازها که جزء خانواده گلیکوزید هیدرولازهای 11 طبقه بندی می‌شوند، صورت گرفته است(2).

کلیدواژگان: بتا1و4 زایلاناز، زایلاناز،  زایلان، زایلوز

 

 

کلیات

زایلانازها دسته وسیعی از آنزیم‌ها هستند که به دلیل کاربردهای وسیعی که در صنایع مختلف دارند امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند.

زایلاناز EC: 3.2.1.8 جزء خانواده گلیکوزید هیدرولازهای خانواده 11(GH11) است (3).

که به نام های زیر نیز شناخته می‌شود:

  • Xylanase
  • Endoxylanase
  • 1,4-ẞ-D-xylan-xylanohydrolase
  • Endo -1,4-ẞ-D-xylanase
  • ẞ-1,4-xylanase
  • ẞ-xylanase

به دلیل تغییرات ژنتیکی و یا تغییرات پس از ترجمه، انواع ایزوآنزیم‌های مختلف از آن شناسایی شده است. دارای انواع  مزوفیل، سایکروفیل، ترموفیل و هایپرترموفیل می باشد، این دسته آخر بسیار مقاوم به حرارت است و  نه تنها در دماهای بالا پایدارند، بلکه فعالیت بالایی نیز درآن دما  دارند (2). این گروه از آنزیم ها عملکرد همی سلولازی دارند.ساختار آنزیم   

زایلاناز  مولکولی تک‌رشته ای با وزن مولکولی 22 کیلودالتون می‌باشد. در ساختار آن نواحی به نام های پالم[1]و تامب[2] و فینگر[3] دیده می‌شود که به دلیل شباهت با شکل دست راست و انگشت شست اینگونه نامگذاری شده است (1).

 

شکل- دیاگرام توپوگرافی از زایلاناز خانواده گلیکوزید هیدرولاز11 (1).

که با خصوصیات زیر از دیگر آنزیم های این گروه متمایز می‌شود:

  • منحصرا روی سوبسترای D- زایلوز اثر می‌کنند.
  • قدرت کاتالیتیکی بالایی دارند.
  • قدرت بالای در انتخاب سوبسترای اختصاصی دارند.
  • تنوع پذیری در دمای اپتیمم و pH دارند.

سوبسترای اصلی آن زایلان، نوعی هتروپلی‌ساکارید متشکل از واحدهای منومریک گلوکز که در حد‌‌‌فاصل بین لیگنین و سلولز و در ساختار همی‌سلولز موجود در دیواره سلولی گیاهی، یافت می‌شود و در استحکام و یکپارچگی بخشیدن به دیواره سلولی گیاهان نقش ایفا می‌کند.

مکانیسم عمل آنزیم

زایلاناز پیوند های 4و1ẞEndo  در ساختار خطی زایلان، را هیدرولیز کرده، در نهایت  قند احیاکننده و پنج کربنه  D-زایلوز را ایجاد می‌کند(4). زایلوز یک قند کریستالی و سفید رنگ  با فرمول C5H10O5  است که از چوب بدست می‌آید.

کاربرد های آنزیم زایلاناز در صنعت

1- در صنایع غذای دام وطیور

این آنزیم در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی دام و طیور، کاربرد دارد. در غذای حیوانات تک معده‌ای و ماکیان با شکستن همی‌سلولز، باعث استفاده  بهینه از انرژی ترکیبات غیرنشاسته‌ای موجود در مواد غذایی می‌شود. بعلاوه در کاهش ویسکوزیته غذای مصرفی در معده آنها کمک کننده است. بنابراین بازده استفاده از پروتئین و نشاسته را در آنها بالا می‌برد. از طرفی دیگر استفاده از آن در غذای مصرفی آنها باعث کاهش میزان آمونیاک و گروه‌های سولفیدریل در فضولات می‌شود و درنتیجه از بوی نامطبوع فضای نگهداری آنها می‌کاهد. حضور‌ ترکیبات حاوی زایلاناز در غذای گاوهای شیرده، باعث افزایش میزان تولید شیر آنها است.

2- در صنعت آبمیوه

در صنایع آب میوه‌گیری، باعث برطرف کردن کدورت حاصل از زایلان می‌شود و به دنبال آن دیگر نیازی به فیلتراسیون و یا روش‌های صاف کردن فیزیکی آب‌میوه نخواهد بود که افزایش بازده آب‌میوه‌گیری را در پی خواهد داشت و آب‌میوه‌ای کاملا همگن به دست می‌آید.

استفاده از این این آنزیم همراه با آنزیم‌های آمیلاز و پکتیناز و سلولاز در بهبود کیفیت و افزایش بازده آبگیری از میوه و سبزیجات موثر است، همچنین باعث پایداری پالپ‌های میوه، افزایش بازیابی مواد معطر و ویتامین‌های ضروری، روغن‌ها و نمک‌های معدنی، رنگدانه‌ها و رنگ‌های خوراکی می‌گردد.

3-درصنایع‌خوراکی، بهداشتی و دارویی

زایلاناز با تبدیل زایلان به محصولات دیگری همچون زایلیتول در صنایع تولیدی آدامس، آبنبات،  بستنی و نوشیدنی‌های الکلی و غیرالکلی مثل لیموناد و بعنوان شیرین کننده طبیعی در خمیر دندان و انواع محصولات دارویی مصرف می‌شود.

4- در صنعت نان

در صنایع نانوایی، زایلاناز می‌تواند با شکستن اجزاء همی‌سلولزی آرد گندم در بهبود کیفیت نان و مرغوبیت آن کمک‌کننده باشد، با افزایش میزان بازجذب آب در خمیر به نان لطافت و نرمی بیشتری می‌بخشد و باعث بیشتر شدن استحکام و کشسانی خمیر می‌شود. این آنزیم به‌همراه آرابینوگلوکاناز در هیدرولیز آرابینوزایلان و نشاسته و همینطور در صنعت جداسازی نشاسته از گلوتن و اصلاح تراکم گلوتن همین طور در کاهش ویسکوزیته خمیر نقش دارد.

- در صنایع کاغذ

در صنایع تولید کاغذ در نقش جداکننده بیولوژیک لیگنین از کاغذ و  سفیدکننده کاغذ مصرف می شود و در مقایسه با روش‌های شیمیایی سفید‌کردن مثل استفاده از موادی همچون کلر و هیپوکلریت به دلیل عدم ایجاد آلودگی در محیط‌زیست، اولویت دارد. از دیگر نقش‌های آن در این صنعت به موارد زیر میتوان اشاره کرد:

  • پیشرفت در رشته سازی خمیر و بهبود زمان احتباس آب
  • کاهش زمان خالص‌سازی فیبر
  • افزایش بازسازی فیبرها و تشکیل پیوندها
  • کاهش لیگنین در کاغذ و افزایش درخشندگی
  • سفید کردن خمیر گرافت قهوه ای رنگ کارتن‌ها و پاکت‌ها

منابع استحصال زایلاناز

آنزیم زایلاناز از طیف وسیعی از  میکروارگانیسم‌ها در طبیعت جداسازی شده است که شامل انواع گوناگونی از باکتری‌ها، قارچ‌ها و جلبک‌ها و آلک‌ها و پروتوزوآ می باشند همچنین توسط دسته ای از نرم‌تنان رسته شکم پایان و بندپایان نیز تولید می‌شود. قارچ ها از دسته میکروارگانیسم‌هایی هستند که به میزان وسیعی برای تولید این آنزیم نقش ایفا می‌کنند که گونه‌های مهمتر آنها عبارت اند از: Aspergillus،Penicillium ،Trichoderma ، Neurospora، Fusarium.

از باکتری‌ها نیز به گونه های Bacilli, Streptomycet, Chlostridia می‌‍‌توان اشاره کرد.

نوعی باسیلوس‌سوبتیلیس در درختان صمغی استرالیا و گونه‌ای از استرپتومایسس از فیبرهای در حال فساد نارگیل جداسازی شده‌اند که از آنها می‌توانند این آنزیم را خالص‌سازی کنند.

همچنین این آنزیم از چوب‌های درحال فساد، کودهای درحال تجزیه و خاک‌های غنی از لیگنوسلولز و ضایعات باقی مانده از صنایع کاغذسازی نیز حاصل می‌شود.

نحوه  اندازه‌گیری فعالیت آنزیم

روش اندازه‌گیری فعالیت آن مبتنی بر روش رنگ سنجی و از نوع Endpoint  یا Stopped  می‌باشد. در این روش با استفاده از ماده قلیایی و رنگی دی نیترو سالسیلیک اسید ، شدت رنگ حاصله یا همان جذب واکنش در طول موج 540 نانومتر سنجش می‌شود که همانا متناسب با غلظت قند احیاء کننده (زایلوز) بعنوان محصول در محیط واکنش می‌باشد که بیانگر میزان فعالیت آنزیم خواهد بود (5).

 

[1] palm

[2] Thumb

[3] Finger

  1. Kumar D, Kumar SS, Kumar J, Kumar O, Mishra SV, MALYAN S, et al.Xylanases and their industrial applications :Areview.Biochemical and cellular archives. 2017;17(1):353-60.
  2. Collins T, Gerday C, Feller G. Xylanases, xylanase families and extremophilic xylanases. FEMS microbiology reviews. 2005;29(1):3-23.
  3. Cheng Y-S, Chen C-C, Huang C-H, Ko T-P, Luo W, Huang J-W, et al. Structural analysis of a glycoside hydrolase family 11 xylanase from Neocallimastix patriciarum: insights into the molecular basis of a thermophilic enzyme. Journal of Biological Chemistry. 2014:jbc. M114. 550905.
  4. Selvarajan E, Veena R. Recent advances and future perspectives of thermostable xylanase. Biomedical and Pharmacology Journal. 2017;10(1):261-79.
  5. Gusakov AV, Kondratyeva EG, Sinitsyn AP. Comparison of two methods for assaying reducing sugars in the determination of carbohydrase activities. International journal of analytical chemistry. 2011;2011.
  • تاریخ دریافت: 11 اسفند 1397
  • تاریخ پذیرش: 21 مهر 1398
  • تاریخ اولین انتشار: 01 شهریور 1401