CGTase合成γ－環糊精的酶促反應條件優化

曹新志劉 芳明紅梅金征宇

（1.四川理工學院食品與生物技術應用研究所，四川 自貢 643000；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214036）

CGTase合成γ－環糊精的酶促反應條件優化

曹新志1劉 芳1明紅梅1金征宇2

（1.四川理工學院食品與生物技術應用研究所，四川 自貢 643000；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214036）

采用篩選到的一株嗜堿芽孢桿菌，研究它所產生的環糊精糖基轉移酶生產環糊精的工藝條件，重點探討酶促反應條件對環糊精糖基轉移酶生產γ－環糊精的影響。結果表明：環糊精糖基轉移酶生產γ－環糊精的最佳工藝為反應體系的pH 8.0，溫度60℃，環糊精糖基轉移酶的酶量500U/g·淀粉，甘草酸濃度2%，淀粉的DE值6～11，在該條件下制備的產品得率最高；蕉藕淀粉和木薯淀粉在生產γ－環糊精時是環糊精糖基轉移酶比較合適的底物；普魯藍酶對γ－環糊精的產量增加作用有限。

嗜堿芽孢桿菌；環糊精糖基轉移酶；γ－環糊精

γ－環糊精（γ－cyclomaltodextrin，γ－CD），是淀粉等碳水化合物通過環糊精糖基轉移酶催化水解等作用而生成的，它是由8個1，4－α－D－糖 苷 鍵 連 接 的 吡 喃 葡 萄 糖 殘 基［1－3］，具 有“內疏水，外親水”的特殊立體空腔結構。因此，環糊精這種特殊的立體結構可以使其與許多化合物形成絡合物。水溶性較差的物質或其基團都能包絡在環糊精的空穴里，因此環糊精可廣泛應用于醫藥、保健食品和日用化學品等領域［4－6］。

目前已有采用菌株來生產γ－CD的報道［7－9］，但是其得率不高，生產成本較高，無法工業化生產。本試驗采用一株嗜堿芽孢桿菌1177菌株經誘變處理后，經特定的方法篩選得到突變株12－7［10］，其酶活力顯著提高。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

α－CD、β－CD、γ－CD標樣：美國Sigma公司；

環糊精糖基轉移酶液：本實驗自制；

α－淀粉酶、普魯藍酶（Pullulanase）：美國杰能科（無錫）公司；

馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、甘薯淀粉、蕉藕淀粉和甘草：市售。

1.2 主要儀器

高效液相色譜儀：1100型，美國Agilent公司；

酸度計：868型，熱電（上海）儀器有限公司；

加熱循環槽：MP－13H，上海一恒科技有限公司

1.3 方法

1.3.1 環糊精糖基轉移酶液的制備 將一株嗜堿芽孢桿菌Bacillus alkalophilus12－7斜面菌種接種到30mL的三角瓶（培養基為1%可溶性淀粉，5%玉米漿，0.1%K2HPO4，0.02%MgSO4·7H2O，pH 10.3）中，在30 ℃，250r/min搖瓶培養72h，然后離心（5 000r/min）得上清液，即為粗酶液。

1.3.2 甘草酸的提取 參照文獻［11］。將一定量的甘草酸加3倍的水，于冰箱中靜置2d后，用紗布過濾，濾液用旋轉蒸發器在50℃下蒸發濃縮，再將濃縮液置于80℃干燥箱中烘烤48h后備用。

1.3.3 淀粉的水解 參照文獻［12］。將蕉藕淀粉用一定量α－淀粉酶在95℃進行水解，在不同水解時間測定DE值。

1.3.4 測定項目及方法

（1）CGTase活性的測定：參照文獻［13］。

（2）環糊精測定分析：參照文獻［14］。

（3）還原糖的測定：采用3，5－二硝基水楊酸（DNS）法［15］。

（4）DE值的計算：參照文獻［16］，按式（1）計算：

式中：

A——直接還原糖，%；

B—— 總固形物，%。

2 結果與分析

2.1 溫度對γ－環糊精產量的影響

在pH 8.0，淀粉濃度5%，加酶量500U/g·淀粉，甘草酸2%的條件下，分別于45，50，55，60，65，70，75 ℃反應12h，以γ－環糊精產量為評價指標，確定最佳反應溫度。由圖1可知，隨反應溫度的升高，γ－環糊精產量先增加，反應溫度在60℃時γ－環糊精產量最高，隨反應溫度的進一步升高，γ－環糊精產量又逐步降低。因此，最佳反應溫度為60℃。

圖1 溫度對γ－環糊精產量的影響Figure 1 Effect of temperature on the output ofγ－CD

2.2 pH對γ－環糊精產量的影響

在反應溫度60℃，加酶量500U/g·淀粉，淀粉濃度5%，甘草酸2%，反應12h的條件下，分別考察不同pH（5.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0）對γ－環糊精產量的影響。由圖2可知，隨pH的升高，γ－環糊精產量先增加，pH在8時γ－環糊精產量最高，隨pH的進一步升高，γ－環糊精產量又逐步降低。因此，最佳反應pH為8。

2.3 環糊精糖基轉移酶的酶量對γ－環糊精產量的影響

為了確定最適酶的添加量，每克蕉藕淀粉分別用200，300，400，500，600，700，800U的酶進行反應。反應條件為溫度60℃，pH 8.0，淀粉濃度5%，甘草酸2%，反應12h后進行測定。由圖3可知，當酶的添加量逐步增加時，γ－環糊精產量也隨之增加，但加酶量大于500U/g·淀粉后，γ－環糊精產量增加不多，因此，加酶量以500U/g·淀粉為宜。

圖2 pH對γ－環糊精產量的影響Figure 2 Effect of pH on the yield ofγ－CD

圖3 酶添加量對γ－環糊精產量的影響Figure 3 Effect of enzyme amound on the output ofγ－CD

2.4 淀粉種類對γ－環糊精產量的影響

分別以玉米、木薯、馬鈴薯、蕉藕和甘薯淀粉為底物，在85℃烘干后配制成5%的淀粉液，在70℃充分糊化后，冷卻，加入甘草酸2%，在pH 8.0加入適量酶液，于60℃反應12h。由圖4可知，馬鈴薯淀粉、甘薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和蕉藕淀粉生產γ－環糊精的產量逐步升高，蕉藕淀粉和木薯淀粉的生產γ－環糊精的效果較佳，因此，蕉藕淀粉和木薯淀粉在生產γ－環糊精時是CGTase比較合適的底物。

圖4 淀粉種類對γ－環糊精產量的影響Figure 4 Effect of various starch on the yield ofγ－CD

2.5 甘草酸對γ－環糊精產量的影響

據Sato等報道［17］，甘草酸用來有選擇的提高γ－環糊精的產量，只有用在Bacillus ohbensis來源的CGTase反應中，而用在Bacillus macerans和Bacillus circulans來源的CGTase中沒有效果，不能增加γ－環糊精的產量。說明γ－環糊精與甘草酸形成的包合物抑制反向反應取決于酶的來源。

為了確定甘草酸的作用，以加2%甘草酸和不加甘草酸為對照，在加酶量500U/g·淀粉、溫度60℃、pH 8.0、淀粉濃度5%、甘草酸2%，反應從開始1h后分別取點進行測定。由圖5可知，加了甘草酸的比不加甘草酸的對照組，γ－環糊精的產量明顯增加，這說明甘草酸對來源于Bacillus alkalophilic的酶可以用來有選擇的提高γ－環糊精的產量，當隨著反應時間的增加，γ－環糊精的產量的也隨之增加，當達到12h時，γ－環糊精的產量達到最大值，然后隨著時間的增加，γ－環糊精的產量又隨之降低。

圖5 反應時間對γ－環糊精產量的影響Figure 5 Effect of time on the yield ofγ－CD

為了確定甘草酸的最佳添加量，以1%，1.5%，2%，2.5%，3%甘草酸進行試驗，在加酶量500U/g·淀粉、溫度60℃、pH 8.0、淀粉濃度5%，反應12h后進行測定。由圖6可知，隨著甘草酸的增加，γ－環糊精產量也隨之增加，當甘草酸的添加量達到2%后，即使甘草酸的增加到3%，γ－環糊精產量也不再增加，因此，甘草酸的最佳添加量為2%。

2.6 淀粉水解度DE值對γ－環糊精產量的影響

將5%蕉藕淀粉用一定量的α－淀粉酶在95℃進行水解，分別得到淀粉的 DE 值為 2.06，5.15，6.14，11.37，14.63，17.38，20.01，再在pH 8.0，溫度60℃，加酶量500U/g·淀粉，甘草酸2%的條件下，分別反應12h后進行測定。由圖7可知，DE值在6～11時，γ－環糊精和β－CD的產量較高。當DE值大于11，γ－環糊精的產量開始下降。

圖6 甘草酸對γ－環糊精產量的影響Figure 6 Effect of glycyrrhizin on the yield ofγ－CD

2.7 普魯藍酶對γ－環糊精產量的影響

普魯藍酶是一種脫支酶，它作用于淀粉，能切斷支鏈淀粉分子中的a－1，6－葡萄糖苷鍵，提高淀粉分子中直鏈淀粉的比例［18］。因此，為了分析普魯藍酶對γ－環糊精產量有多大影響，選擇10，20，40，80U/40mL 4種劑量的普魯藍酶進行反應，反應條件為淀粉濃度5%，pH 8.0、糊化后加入普魯藍酶和CGTase在60℃反應12h后進行測定。由圖8可知，γ－CD的產量增加為5.3%，并且普魯藍酶超過40U時，γ－CD的產量都有所下降。說明普魯藍酶對γ－CD的產量增加作用有限。

圖7 DE對γ－環糊精產量值的影響Figure 7 Effect of glycyrrhizin on the yield ofγ－CD

圖8 普魯藍酶對γ－環糊精的影響Figure 8 Effect of Pullulanase on the yield ofγ－CD

3 結論

本試驗采用來源于嗜堿芽孢桿菌Bacillus alkalophilus12－7的CGTases合成的環糊精主要是β－環糊精，通過對其酶促反應條件和相關因素進行研究，獲得了CGTases生產γ－環糊精的最佳制備工藝條件：反應體系的pH 8.0，溫度60℃，酶量500U/g·蕉藕淀粉，甘草酸濃度2%，淀粉的DE值6～11時，在此條件下能獲得較高產量的γ－環糊精；蕉藕淀粉和木薯淀粉在生產γ－環糊精時是CGTase比較合適的底物；普魯藍酶對γ－環糊精的產量有一定作用，但增加量有限。本試驗的不足之處是對γ－環糊精從反應液中的分離提取沒有做進一步的工作，這對γ－環糊精的推廣應用有較大的限制作用。以后有待加強這方面的研究工作。

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Optimization on enzymatic reaction conditions ofγ－cyclomaltodextrin by CGTase

CAO Xin－zhi1LIU Fang1MING Hong－mei1JIN Zheng－yu2

（1.Applied Institute of Food and Biotechnology，Sichuan Science and Technology College，Zigong，Sichuan643000，China；2.Food School，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214036，China）

A strain ofBacillus alkalophilus12－7which could produce glucanotransferase （CGTase）forming γ－cyclomaltodextrin was screened.Cyclodextrins production technology conditions were studied，and we mainly discussed the influence of enzymatic reaction conditions onγ－cyclodextrins production by glucanotransferase.The results showed that：the enzymatic reaction conditions were pH 8.0，temperature 60℃，enzyme amount 500U/g starch，glycyrrhizic acid concentration 2%，DE 6～11，yield of CGTase was good，edible Canna Starch and tapioca starch were suitable substrate of CGTase in production ofγ－CD，Promozyme in increased the yield ofγ－CD was limited.

Bacillus alkalophilus；cyclomaltodextrin glucanotransferase；γ－cyclomaltodextrin

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.052

曹新志（1965－），男，四川理工學院教授，博士。E－mail：caoxinzhi＠163.com

2011－12－01