果糖基轉(zhuǎn)移酶及低聚果糖生產(chǎn)研究進(jìn)展

王永波

合成果糖低果糖的酶稱為果糖基轉(zhuǎn)移酶，也有人認(rèn)為合成果糖低果糖的酶是水解酶，故又稱-呋喃糖苷酶。它是一種具有可轉(zhuǎn)移活性和廣泛受體活性的水解酶。以蔗糖和乳糖為原料合成果糖、乳糖等低聚糖，對(duì)人體健康有益。因此，果糖基轉(zhuǎn)移酶和低果糖的生產(chǎn)越來(lái)越受到人們的重視。

果糖基轉(zhuǎn)移酶的來(lái)源、性質(zhì)以及果糖基轉(zhuǎn)移酶和低果糖的生產(chǎn)同工酶和低果糖生產(chǎn)中存在問題。

果糖基轉(zhuǎn)移酶和低聚果糖生產(chǎn)中存在問題

果糖基轉(zhuǎn)移酶合成低聚果糖遇到一個(gè)突出問題是該酶活性受到反應(yīng)副產(chǎn)物葡萄糖抑制，絕大多數(shù)商品低聚果糖含有大量蔗糖和葡萄糖，是一種含多種糖的混合物。在反應(yīng)體系中加入葡萄糖異構(gòu)酶或葡萄糖氧化酶以降低葡萄糖含量，可提高低聚果糖產(chǎn)量，并以葡萄糖氧化酶效果較好。在果糖基轉(zhuǎn)移酶和葡萄糖氧化酶復(fù)合體系中，低聚果糖產(chǎn)量最高達(dá)98%；但在果糖基轉(zhuǎn)移酶和葡萄糖異構(gòu)酶復(fù)合酶體系中，葡萄糖異構(gòu)酶主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)發(fā)生變化，以致不能有效降低體系中葡萄糖含量。此外，其它方法，如利用離子交換柱進(jìn)行色譜分離以提高純度嘗試在生產(chǎn)上均難以奏效。出于生產(chǎn)高純度低聚果糖考慮，可另辟途徑，以富含多聚果糖植物材料為原料、利用微生物產(chǎn)多聚果糖降解酶―菊粉內(nèi)切酶（EC3.2.1.7）―水解菊粉生產(chǎn)低聚果糖。與由蔗糖經(jīng)果糖基轉(zhuǎn)移酶作用合成工藝相比，由菊粉內(nèi)切酶水解菊芋生產(chǎn)低聚果糖優(yōu)勢(shì)明顯。至今，國(guó)內(nèi)外還沒實(shí)現(xiàn)內(nèi)切菊粉酶產(chǎn)業(yè)化；但這方面成果及其思路已顯示，其比果糖基轉(zhuǎn)移酶酶法合成低聚果糖技術(shù)具有更重要意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值，是更先進(jìn)低聚果糖生產(chǎn)替代技術(shù)。

低聚果糖生產(chǎn)

果糖基轉(zhuǎn)移酶催化生成低聚果糖，分子間果糖轉(zhuǎn)移反應(yīng)分兩步進(jìn)行。第一步生成果糖基―酶復(fù)合體，釋放出葡萄糖；第二步再由此復(fù)合物將果糖基轉(zhuǎn)移給水或蔗糖，生成果糖或三糖。在生成反應(yīng)中蔗糖作為供給體和接受體，在果糖轉(zhuǎn)移酶或呋喃果糖苷酶作用下分解成果糖基或葡萄糖，果糖基水解成果糖，產(chǎn)物為蔗果三糖，蔗果四糖和蔗果五糖混合物。在低聚果糖生物生成反應(yīng)中，在生成低聚果糖同時(shí)也生成一些葡萄糖副產(chǎn)物，由于副產(chǎn)物生成，阻礙蔗糖轉(zhuǎn)化，使產(chǎn)物中含有大量葡萄糖或蔗糖，可用葡萄糖氧化酶將葡萄糖氧化成葡萄糖酸或用葡萄糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化葡萄糖為果糖，通過對(duì)蔗糖轉(zhuǎn)移反應(yīng)協(xié)同效應(yīng)以達(dá)到生成低聚果糖目的。低聚果糖工業(yè)生產(chǎn)是利用微生物產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)果糖基活力的酶，以高濃度蔗糖作底物轉(zhuǎn)化而來(lái)，植物來(lái)源酶并不多見。1950年就已發(fā)現(xiàn)果糖轉(zhuǎn)移酶，但直至上世紀(jì)80年代，這種酶才被科學(xué)家關(guān)注并用于低聚果糖生產(chǎn)。目前工業(yè)上主要通過兩種途徑生產(chǎn)低聚果糖，一種是菊糖水解法，菊粉果糖基轉(zhuǎn)移酶主要是通過菊粉分子內(nèi)轉(zhuǎn)果糖作用從菊粉果糖一端釋放出二果糖酐，反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行直至菊粉完全水解為蔗果三糖、蔗果四糖和果糖基蔗果四糖和蔗糖；一種節(jié)桿菌菊粉果糖基轉(zhuǎn)移酶既能催化菊粉水解形成DFA–III（二–D–呋喃果糖–1，2∶2，3二酐）、蔗果三糖和蔗果四糖，又能水解蔗果三糖和蔗果四糖形成DFA–III。另一種是利用微生物產(chǎn)生果糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)化合成低聚果糖，低聚果糖利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)β–呋喃果糖苷酶或β–果糖基轉(zhuǎn)移酶作用于蔗糖，進(jìn)行分子間果糖及轉(zhuǎn)移反應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)。在發(fā)酵過程中，生產(chǎn)低聚糖有雙重作用，一方面，當(dāng)以蔗糖與果糖和葡萄糖混合物作為底物時(shí)，產(chǎn)物中葡萄糖積累到一定濃度，溶液中游離果糖就會(huì)逐漸消失，而果糖是抑制低聚糖合成物質(zhì)，因而低聚糖合成得到促進(jìn)；另一方面，被合成聚糖又起到儲(chǔ)備葡萄糖作用，當(dāng)自由葡萄糖消耗完后，以這種形式儲(chǔ)備葡萄糖就可得到利用。但與黑曲霉產(chǎn)生低聚果糖所不同的是，其主要成分是蔗果三糖。菊粉果糖基轉(zhuǎn)移酶將三糖分子末端果糖轉(zhuǎn)移到蔗糖上形成果糖供體分子，以菊粉為底物轉(zhuǎn)移合成不同的二果糖酐和部分低聚果糖；菊粉內(nèi)切酶可水解菊粉形成低聚果糖。研究表明，節(jié)桿菌10137產(chǎn)β–呋喃果糖苷酶最佳條件為：溫度30℃，pH 7.5，接種體積分?jǐn)?shù)為2%，裝液體積40 ml。該條件下β–呋喃果糖苷酶轉(zhuǎn)移酶活為177.78 U/ mL，酶作用最適pH值6.5，最適溫度30℃，在pH值為6.0- 8.0和45℃以下穩(wěn)定。在以蔗糖和乳糖為原料條件下，將蔗糖水解產(chǎn)生果糖基轉(zhuǎn)移至乳糖還原性末端C1位羥基上。

總之，通過底物性質(zhì)，選擇合適果糖基轉(zhuǎn)移酶，將催化水解反應(yīng)β–呋喃果糖苷酶除去，用純?chǔ)篓C果糖基轉(zhuǎn)移酶對(duì)提高轉(zhuǎn)化率和進(jìn)一步研究高濃度低聚果糖生產(chǎn)都具有重要意義。