Xylanase

Définition

La xylanase est une hydrolyase capable de décomposer l'hémicellulose, l'un des composants majeurs de la lignocellulose, en sucres fermentés cibles (principalement xylose et arabinose). La xylanase est largement utilisée dans l'industrie du papier et de la pâte à papier ainsi que dans la transformation des aliments.

Les enzymes avec xylanase :

Structure du xylane montrant des liaisons qui sont attaquées par une xylanase spécifique pour une hydrolyse complète du xylane en ses constituants.

Explications

Avant le processus de prétraitement à la xylanase, la pâte est présente à haute température (environ 60 °C) et à pH alcalin. Par conséquent, des xylanases qui sont actives et stables à température élevée et à pH alcalin sont souhaitables. Nous avons trouvé une xylanase dérivée de Streptomyces viridochromogenes marins qui atteignait l'activité enzymatique la plus élevée à 70 °C et conservait 80 % d'activité à 60 °C pendant 1 h. De plus, cette enzyme est stable en pH alcalin, démontrant son potentiel dans l'industrie des pâtes et papiers. Le processus industriel réalisé à température élevée présente de nombreux avantages, notamment une meilleure solubilité du substrat, une diminution de la viscosité du mélange réactionnel et un risque réduit de contaminations microbiennes. Il est d'un grand intérêt d'explorer davantage de xylanases thermostables.

La xylanase et le xylane sont peu utilisés dans l'industrie pharmaceutique. Les xylanases sont parfois ajoutées en association avec un complexe d'enzymes (hémicellulases, protéases, et autres) comme complément alimentaire ou pour traiter une mauvaise digestion, mais peu de médicaments se retrouvent avec cette formulation.

La xylanase, avec d'autres enzymes hydrolytiques, peut être utilisée pour la génération de carburants biologiques, tels que l'éthanol, à partir de la biomasse lignocellulosique. Le procédé de production d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique comprend la délignification de la biomasse végétale et l'hydrolyse de la cellulose et de l'hémicellulose en monosaccharides. Le processus d'hydrolyse peut être réalisé par traitement avec des acides à haute température ou par action enzymatique. L'hydrolyse acide nécessite une consommation d'énergie importante et des équipements résistants aux acides, ce qui rend le procédé plus coûteux. Cependant, l'hydrolyse enzymatique ne présente pas ces inconvénients.

En raison de la composition complexe de la biomasse lignocellulosique, l'action synergique de plusieurs enzymes vis-à-vis des endoglucanases, des β-glucosidases, des endo-1,4-β-xylanases et des β-xylosidases est nécessaire pour une hydrolyse complète. Dans certains cas, il a été rapporté que l'endo-1,4-ß-xylanase est une enzyme bifonctionnelle ayant une activité endo-1,4-ß-xylanase ainsi qu'une activité cellulase.

La bi-fonctionnalité de l'endo-1,4-β-xylanase pourrait entraîner un processus de saccharification plus efficace et moins cher des résidus agricoles et des déchets municipaux et industriels utilisés pour la production de bioéthanol, car elle peut dégrader à la fois les résidus de cellulose et de xylane. La saccharification de la cellulose et de l'hémicellulose dans la biomasse donne des flux liquides riches en sucre utiles pour la production d'une variété de produits à valeur ajoutée, notamment l'éthanol, le furfural et divers biopolymères fonctionnels. Une possibilité accrue de fermentation des sucres hexose et pentose présents dans les lignocelluloses en méthanol a également été rapportée. La saccharification et la fermentation simultanées sont un processus alternatif, dans lequel à la fois des enzymes hydrolytiques et des microorganismes fermentatifs sont présents dans la réaction. Cependant, l'hydrolyse enzymatique reste un facteur de coût majeur dans la conversion des matières premières lignocellulosiques en éthanol.

Xtreme Xylanase, l'enzyme xylanase la plus stable à la chaleur et aux acides d'Alicyclobacillus acidocaldarius, est capable de convertir efficacement les hémicelluloses et les composants cellulosiques de la biomasse en sucres riches en énergie. Ces sucres sont les éléments constitutifs utilisés à la place du pétrole pour fabriquer des carburants et des produits chimiques de grande valeur. De par son extrême acidité et sa thermostabilité, Xtreme Xylanase va révolutionner les bioraffineries de plusieurs manières :

• réduire ou éliminer les coûts de prétraitement;
• améliorer l'efficacité de la fermentation;
• améliorer l'économie en aval;
• rationaliser les schémas de traitement des bioraffineries;
• compléter les stratégies consolidées de bioprocédés.

La xylanase, en synergie avec plusieurs autres enzymes telles que la mannanase, la ligninase, la xylosidase, la glucanase et la glucosidase, peut être utilisée pour la production de xylitol, à partir de biomasse lignocellulosique. Le xylitol est un polyalcool au pouvoir sucrant comparable à celui du saccharose. C'est un édulcorant non cariogène, adapté aux personnes diabétiques et obèses et recommandé pour la prévention de l'ostéoporose et des infections respiratoires, des troubles du métabolisme des lipides et des lésions rénales et parentérales. Une variété de produits commerciaux contenant du xylitol, comme le chewing-gum, peuvent être trouvés sur le marché. Il a attiré beaucoup d'attention en raison de ses applications dans les aliments et la confiserie. La majeure partie du xylitol produit est consommée dans divers produits alimentaires tels que le chewing-gum, les bonbons, les boissons gazeuses et la crème glacée. Il donne une agréable sensation de fraîcheur et de fraîcheur en raison de sa chaleur négative élevée de dissolution. La récupération du xylitol à partir de la fraction de xylème est d'environ 50 à 60 % ou 8 à 15 % de la matière première utilisée. La valeur dépend de la teneur en xylème de la matière première.

Bien que l'hydrolyse enzymatique du xylane soit une méthode prometteuse d'obtention d'unités β-D-xylopyranosyle, le xylitol commercial est actuellement produit à grande échelle par catalyse chimique. Ceci est considéré comme un procédé coûteux, principalement parce que le xylose doit être purifié initialement en plusieurs étapes. De plus, les réactions chimiques produisent souvent des sous-produits toxiques pour la fermentation; en effet, lors de la décomposition de la matière lignocellulosique, outre la libération de sucres, il peut se former des produits dérivés de la dégradation du glucose (hydroxyméthylfurfural), du xylose (furfural) et de la lignine (composés aromatiques et phénoliques et aldéhydes). Substances libérées de la structure lignocellulosique, telles que l'acide acétique et les matières extraites (par exemple, les terpènes et leurs dérivés, les tropolones et les composés phénoliques tels que les flavonoïdes, les stilbènes, les quinones, les lignanes et les tanins), ou de l'équipement (fer, chrome, nickel et cuivre), peuvent être de puissants inhibiteurs de l'activité microbienne. Le développement d'une technologie plus appropriée pour la production de xylitol a suscité un grand espoir de son utilisation plus large dans les industries alimentaires, pharmaceutiques et odontologiques.

Une application récente et passionnante des xylanases est la production de xylo-oligosaccharides (XO). Ce sont des oligosaccharides fonctionnels nouvellement développés qui présentent de nombreux effets biomédicaux et sanitaires bénéfiques, tels que la stimulation de la croissance des bifidobactéries intestinales humaines. Actuellement, les XO sont produits principalement par hydrolyse enzymatique en raison d'une spécificité élevée, d'une perte de substrat négligeable et de la génération de produits secondaires. Une équipe de recherche d'une université belge a isolé une xylanase de la famille 8 active à froid. Cette enzyme offre des applications potentielles pour la préparation de xylo-oligosaccharides à utiliser comme prébiotiques dans des applications alimentaires ou non alimentaires. S'il est produit de manière rentable, XOS pourrait jouer un rôle important sur les marchés des prébiotiques en pleine expansion. D'autres applications sont : dans la préparation de produits enrichis en fibres solubles, ainsi que dans les industries des pâtes et papiers, du textile, de l'alimentation et des biocarburants. L'équipe de recherche recherche une collaboration avec des entreprises pour le développement, les tests et l'octroi de licences en commun. On estime que d'ici 2015, les marchés des prébiotiques totaliseront 880 M/aquabdd/pho/a en Europe et 170 M/aquabdd/pho/a aux États-Unis. Actuellement, les xylo-oligosaccharides sont vendus en Chine et au Japon à des fins prébiotiques en volumes commerciaux.

La dégradation du xylane nécessite l'interaction de plusieurs activités enzymatiques, notamment l'endo-1,4-β-xylanase, la xylosidase et l'arabinosidase. Les produits finaux de cette dégradation sont le xylose, l'arabinose et l'acide méthyl-glucuronique contenant des oligosaccharides. Les xylo-oligosaccharides sont des oligomères de sucre présentant un potentiel d'applications pratiques dans divers domaines, notamment les produits pharmaceutiques, les formulations d'aliments pour animaux, les applications agricoles et alimentaires. En tant qu'additifs pour aliments fonctionnels, les XO ont une action prébiotique, montrant des effets biologiques positifs, tels que l'amélioration de la fonction intestinale en augmentant le nombre de bifidobactéries saines. Ces xylo-oligosaccharides, s'ils sont utilisés comme compléments alimentaires, peuvent être bénéfiques pour la santé gastro-intestinale et réduire le risque de cancer du côlon. En tant qu'ingrédients alimentaires, les XO ont une odeur acceptable et sont non cancérigènes et ont une faible valeur calorique, permettant leur utilisation dans les régimes anti-obésité. Dans la transformation des aliments, les XO présentent des avantages par rapport à l'insuline en termes de résistance aux acides et à la chaleur, permettant leur utilisation dans les jus à faible pH et les boissons gazeuses.

En rapport avec "xylanase"

• arabinose

  

  Un arabinose est un aldopentose constitutif de nombreux polysaccharides végétaux.

• hémicellulose

  

  L'hémicellulose est intégrée dans une paroi de la cellule végétale du bois.

• xylane

  

  Le xylane est un polymère du xylose, un polyoside linéaire, composant principal de l'hémicellulose.

• xylose

  

  Un xylose est un sucre aldhéhydique (pentose) de formule CH2OH-(CHOH)3-CHO.