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[科研交流] 4-α-糖基转移酶引领的产品品质升级

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发表于 2021-8-20 15:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
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4-α-糖基转移酶引领的产品品质升级

一﹒什么是4-α-糖基转移酶?
4-α-糖基转移酶是自然界广泛存在的一大类酶,同时它是一种多功能酶,属于淀粉酶超级家族,与α-淀粉酶超级家族的13家族和70家族有着最为相似的催化机制。
4-α-糖基转移酶是生物的体内淀粉代谢过程中所需的酶里面最重要的酶之一。4-α-糖基转移酶最早是由和在马铃薯的块莲中发现的。后来的研究陆续发现,在许多微生物中也发现该种酶的存在,许多细菌可生产该种酶,如浸麻芽孢杆菌,嗜热 脂肪芽孢杆菌,环状芽孢杆菌,肺炎克雷伯菌。
这些酶都可作用于直链淀粉生成环糊精,然而不同菌体所生产的糖基转移酶之间这一环化能力又有所差别,通常通过鉴定反应底物中(CDn,聚合度为n的环糊精)的含量来衡量酶的环化能力。

二﹒4-α-糖基转移酶与淀粉
淀粉经酶解的过程为生物转化过程。目前常用淀粉酶对淀粉进行生物转化,较为常见的有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脱枝酶、糖基转移酶等。
例如将α-淀粉酶应用于食品及发酵工业中,用来生产淀粉糖浆,如果葡糖浆、麦芽糊精等;β-淀粉酶由于其终产物主要是麦芽糖,所以可以用来制备高麦芽糖浆及其产品;脱枝酶处理蜡质大米淀粉可以生产慢消化淀粉,脱枝酶处理淀粉可以显著提高淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉的含量;糖基转移酶对淀粉α-1,4 键有 4 种作用方式,并且不同来源的糖基转移酶这4种活性差异很大,但其在淀粉上的应用仍处于研究阶段。
以4-α-糖基转移酶为例,它具有作用于淀粉生产大环糊精的特性。而大环糊精具有复杂的空腔结构,并且其疏水内腔具有一定的柔性,可以随着客体分子的形状发生相应的变化,对不同大小的客体分子具有不同的包埋能力。同时,在4-α-糖基转移酶对淀粉的作用中,环化、偶合、水解等作用同时发生,可以得到复杂的产物,如中低分子量支链淀粉,中间物质,环糊精,低聚糖等,这是α-淀粉酶、脱枝酶等无法实现的。
三﹒4-α-糖基转移酶的催化作用原理
4-α-糖基转移酶简单来讲主要催化α-1,4-糖苷键的断裂,催化α-葡聚糖残基在分子内或者分子间的转移,完成转糖基反应。α-催化α-1,4-糖苷键,新生成的还原端转移到本分子的非还原端,则发生环化反应,逆反应则为偶合反应。新生成的还原端如果转移到其他分子的非还原端,则发生歧化反应,其逆反应生成的还原端一定程度上不转移到另外的糖受体上,而是与水结合,则发生水解反应。4-α-糖基转移酶催化的反应大致可以概括为上述四种,因此可以被看成是一种多功能酶。

四﹒4-α-糖基转移酶的全球开发激情
由于4-α-糖基转移酶在原有的微生物和植物的体内的含量均很低,直接提取很难满足研究及应用需求,所以其制备方法主要是通过将该酶的基因克隆到大肠杆菌等宿主的细胞中,并经过宿主细胞的过量表达来实现的。
自从上个世纪末,由日本人最先通过生物技术获得高效表达的4-α-糖基转移酶的菌株开始,到现在为止,研究者已经从多种微生物和植物中提取到该酶的基因并成功转化到宿主细胞中,并实现表达,获得了催化的功能稍有差异的不同来源的糖基转移酶。在欧美和韩国等发达国家,在克隆表达糖基转移酶,特别是耐热的,高转移酶活性的酶高效制备等领域的应用研究己经取得一定成果。

五﹒4-α-糖基转移酶的应用
4-α-糖基转移酶可以用于催化直链淀粉制备大元环糊精(CA),关于这方面的报道相对较少,这是因为该酶研究工作较少,其重组表达量有待提高。
此外,CA的制备底物直链淀粉价格昂贵,天然淀粉底物制备CA转化率低,有研究者使用天然玉米淀粉制备CA,转化率只有12.7%,这些因素导致CA的工业化受到限制。但如果使用4-α-糖基转移酶和淀粉蔗糖酶共同作用,催化蔗糖制备CA。该方法先采用淀粉蔗糖酶作用蔗糖,生成不同聚合度的直链糊精,再通过4-α-糖基转移酶催化直链糊精生产CA。这种双酶共同作用法只需一步反应,减少了CA的制备步骤,缩短了其制备周期,但CA 转化率只有 9.6%。

六﹒4-α-糖基转移酶的法规
根据《食品安全法》规定,卫健委审评机构组织专家对4-α-糖基转移酶食品添加剂新品种的安全性评估材料进行审查并通过,于2021年7月15日进行了公布(卫健委2021年第6号公告)。

七﹒4-α-糖基转移酶的应用
1.抗坏血酸的糖基化改性:抗坏血酸的性质很不稳寇,容易被热和或氧化剂破坏,其贮存和应用都受到很大限制 利用4-a-转糖基作用,可以将淀粉、麦芽糊精或环糊精供体中的葡糖基团接入 抗坏血酸的 C2 位,经葡萄糖淀粉酶的水解后形成 2-0-a-D 葡萄糖 抗坏血酸,转化产率达到60%。
2.改善淀粉基食品品质:米糕加工中遇到的最主要问题,就是贮存期间发生老化导致的食用品质的下降,在米糕加工过程中加入适量高转移活性4-a-糖基转移酶处理,发现米糕中直链淀粉含量从16. 6%下降至12.7%,支链淀粉分子量显著下降,侧链长度分布范围变宽,低聚麦芽糖含量增加。通过对米糕进行质构分析显示,酶处理对米糕的硬度、胶着性和咀嚼性均有一定程度改善。
3.功能成分的改姓:4-a-糖基转移酶具有切断并重新生成4-a-糖昔键的能力,从而实现糖基的转移而且该酶表现为对于4-a-糖昔键的专一性,而对于受体专一性不受体不仅可以是单糖、双糖或低聚麦芽糖,还可以是糖醇、异黄酣或抗坏血酸等许多具有生理功能的分子可以通过4-a-糖基转移酶的转糖基反应进行改性,使理化性质得到进一步提高。
4.糖元的制备:4-a-糖基转移酶的开发利用可以为糖原的制备提供了第3条途径。其过程是以淀粉为原料,先使用异淀粉酶将淀粉去分支为短链直链淀粉,然后利用4-a-糖基转移酶的转糖基作用将直链淀粉的短链适当延长,再利用淀粉分支酶的4-a-糖昔键的生成功能将适当长度的直链淀粉合成糖原。研究表明,该途径是目前最有效的糖原制备方法,而且通过调整种酶的作用条件,还可以将所得糖原的分子量控制在3.0×106 -3.0 ×107。
5.改善淀粉理化特性:4-a-糖基转移酶具有歧化、环化和低水解活性的多功能催化机制,可以对天然淀粉分子结构进行改造从而优化淀粉的理化性质,通过离子色谱对酶处理前后的淀粉进行分析对比,结果已表明,4-a-糖基转移酶可以使支链淀粉侧链长度分布范围变宽,低聚合度(DPl-8)的较短分支和高聚合度(DP>19)的较长分支数量增加,同时轻度水解连接支链淀粉丛的主链,使淀粉分子下降,并伴有少不同聚合度环状葡聚糖的生成。4-a-糖基转移酶对淀粉分子结构的这种改变,会导致淀粉糊化温度降低、糊透明度提高,淀粉凝胶质构指标得到改善且不易发生老化。
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