β-葡萄糖苷酶的研究進展

孫 智

（1.湖北三峽職業技術學院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學，湖北宜昌 443002）

β-葡萄糖苷酶也稱為β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，其可以水解釋放出β-D-葡萄糖及相關配基。1837年研究人員在苦杏仁中發現了β-葡萄糖苷酶，隨后研究調查得出β-葡萄糖苷酶在植物和昆蟲及細菌體內廣泛存在，β-葡萄糖苷酶參與了生物體內的糖代謝過程，對維持生物正常的生理功能有重要作用。β-葡萄糖苷酶參與EMP糖酵解的途徑屬于參與雙歧桿菌糖代謝的有關酶系。哺乳動物和人體內的乳糖酶/根皮苷（LPH）水解酶也包含著芳基-β-葡萄糖苷酶，乳糖酶/根皮苷由于涉及成人型乳糖酶缺乏病得到廣泛實驗研究，同時β-葡萄糖苷酶可以使得水果和蔬菜及茶葉中的風味前體物質水解為有濃郁天然風味的香氣物質，可以協助纖維素酶降解纖維素[1]。

1 β-葡萄糖苷酶簡介

β-葡萄糖苷酶分布比較廣泛，普遍存在于植物的種子和微生物中，動物中也存在著大量的β-葡萄糖苷酶，根據酶對底物水解所具有的專一性特點，β-葡萄糖苷酶主要有芳香基-β-葡萄糖苷酶和烴基-β-葡萄糖苷酶及多底物特異性β-葡萄糖苷酶三種類型。根據酶的結構和催化結構域的氨基酸序列等特點對其分類時，糖苷水解酶的GH1和GH3家族中所包含著的β-葡萄糖苷酶最多[2]。β-葡萄糖苷酶是纖維素酶當中不可缺少的重要方面，隨著時代的進步發展，像目前我國的醫療、食品乃至其他行業領域內，都有β-葡萄糖苷酶的應用身影。最為關鍵的是，在我國經濟等方面迅速發展的基礎上，所帶來了環境污染問題，鑒于嚴重的環境能源危機下，社會各界人士對β-葡萄糖苷酶提出了極高的關注程度。通過實際調查發現，在對β-葡萄糖苷酶實施水解過程中，還存在的很大的困難就是纖維素徹底降解為單糖。站在基因工程與蛋白質工程視角下進行分析，已經獲取到了良好的β-葡萄糖苷酶。行業內的相關學者已經加緊開展了β-葡萄糖苷酶分子生物學的研究分析工作，從基礎領域研究酶的催化機制及表達調控機制，以期更好地改善纖維素酶的催化效率。在不斷優化調整的表達系統當中，β葡萄糖苷酶已經在大腸桿菌和酵母菌中得到高效表達。近年來在芽孢桿菌、絲狀真菌以及植物中都有β-葡萄糖苷酶重組表達的報道。為了能夠發揮出β-葡萄糖苷酶的應用價值，進行了深入的分析。

2 β-葡萄糖苷酶的酶學性質

2.1 β-葡萄糖苷酶的底物特異性

多數β-葡萄糖苷酶都能夠同時水解多種糖苷鍵，β-葡萄糖苷酶在眾多的底物中對纖維二糖或對硝基苯-β-D-葡萄糖苷（pNPG）都有著最好的水解能力。王后福等[3]研究對β-葡萄糖苷酶基因克隆，在構建高效表達的載體實現基因表達的情況下，有效測定分析所得表達產物的酶學性質，為飼用纖維素酶的開發利用提供相關依據。侯孟蘭等[42]研究β-葡萄糖苷酶在甜菊糖苷降解代謝中所具有的功效，為之后通過抑制甜菊糖苷的降解，提高其含量的育種工作等提供相關理論依據，對β-葡萄糖苷酶的提取及酶活性測定方法優化，進一步對該酶性質初步分析。Jantaporn[5]研究認為，β-葡萄糖苷酶與潛在水解非揮發性糖苷的葡萄酒香氣前體關系密切。

2.2 β-葡萄糖苷酶的最適pH和pH穩定性

β-葡萄糖苷酶具有比較廣泛的pH適應性和穩定性特點，多數β-葡萄糖苷酶最適pH都呈現出偏酸性的特點，而僅僅少數β-葡萄糖苷酶的最適pH為中性或偏堿性。趙喜華等[6]研究認為，木質纖維素酶在生物質轉化及輕工業生成過程中存在著顯著的商業價值，而木質纖維素酶對pH的低耐受性和低比活性，應用成本高。β-葡萄糖苷酶（BGL）屬于木質纖維素酶酶解過程中的限速酶，在對其研究的基礎上有效增強β-葡萄糖苷酶的耐酸性能。

2.3 β-葡萄糖苷酶的最適溫度及溫度穩定性

β-葡萄糖苷酶的最適反應溫度為30～110℃，在這些來源不一的β-葡萄糖苷酶中，古細菌來源的β-葡萄糖苷酶的最適反應溫度和熱穩定性方面明顯比其他微生物高。閆丹丹[7]研究認為，溫度屬于土壤酶活性的關鍵非生物影響因子，在土壤物質周轉過程調控的時候，可以得到溫度變化對有機質周轉及其關鍵胞外酶活性的影響比較顯著。周璞等[8]研究認為，固定化β-葡萄糖苷酶穩定性方面優于游離β-葡萄糖苷酶。

3 β-葡萄糖苷酶的應用

3.1 β-葡萄糖苷酶在改良果汁風味中的應用

β-葡萄糖苷酶在果汁處理之后，使用GC-MS分析酶處理前后果汁風味成分變化情況時，能夠得出果汁風味成分都明顯提高，這就使得經β-葡萄糖苷酶處理過的果汁香氣組成更為飽滿。彭邦遠等[9]研究認為，刺梨汁中檢測得到的游離態風味物質共有43種，而在杏仁β-葡萄糖苷酶酶解之后可以檢出33種鍵合態風味物質，主要是以酮類和醛類為主且在鍵合態中也釋放出新的風味物質。高倩[10]研究認為，經過β-葡萄糖苷酶的作用，紅橙果汁中風味的種類和含量都顯著增加，對紅橙果汁的風味改善效果顯著，具有增香的作用。劉芳舒[11]研究認為，杏仁β-葡萄糖苷酶可以更大程度上增強刺梨果汁風味品質，而刺梨果汁的最佳酶解工藝實施之后，果汁香氣物質的成分及含量增加明顯，酶解后呈現香味的物質提高約1.5倍，且增加了多種呈香成分，對刺梨汁香氣增強和自然增香的作用都具有推動作用。

3.2 β-葡萄糖苷酶在果酒增香中的應用

用β-葡萄糖苷酶處理果酒后，使用GC-MS分析香氣成分變化情況可以得到果酒苯甲醇和芳香醇等都顯著提高，且經β-葡萄糖苷酶處理的果酒香氣更濃郁，風味顯著提高。劉曉柱等[12]研究認為，近年來我國在產β-葡萄糖苷酶釀酒微生物選育和β-葡萄糖苷酶應用到酒類釀造領域中研究逐漸深入，進一步擴大β-葡萄糖苷酶菌種的選擇和應用提供相關理論支撐。張陽等[13]研究認為，對通過β-葡萄糖苷酶產生菌的篩選和酶固定化技術等不同策略提高β-葡萄糖苷酶在葡萄酒活性及穩定性方面，能夠得到利用β-葡萄糖苷酶提高葡萄酒香氣的重要作用。王興吉等[14]研究認為，毛桃果酒釀造過程中加入β-葡萄糖苷酶處理，使得果酒品質和風味都得到增強。王鳳梅等[15]研究認為，不同菌株中β-葡萄糖苷酶本身也存在著相同的理化性質，葡萄糖能夠抑制該酶的活性，乙醇添加量對該酶活性無明顯影響。

3.3 β-葡萄糖苷酶在纖維素降解中的應用

在纖維轉化為葡萄糖的作用機理研究的時候，其主要包含著3種酶的作用，其中纖維素酶系中β-葡萄糖苷酶含量較少，且活力低，屬于纖維素酶解的瓶頸，而如果β-葡萄糖苷酶可以在植物纖維的分解發酵中得到更好地利用，也能夠更大程度上緩解資源緊缺的現象。詹雪娟[16]研究認為，β-葡萄糖苷酶具有強化酶解的作用，可以高效纖維素酶制劑的改造和構建提供更多思路。

4 結束語

隨著基因組學技術的實際應用和全基因組序列測序技術的不斷發展和逐漸成熟，更多微生物的全基因組序列也能夠得以共享，科研工作者在有效結合序列篩查和定位分析等技術的情況下，獲取的新型β-葡萄糖苷酶得以增加，以往國內對β-葡萄糖苷酶相關領域的研究通常是注重研究β-葡萄糖苷酶菌株的篩選，酶的純化及酶的固定化等方面，在之后的研究中可以關注β-葡萄糖苷酶在各個領域實踐應用中的效率和酶的催化機理等內容，充分激發出β-葡萄糖苷酶所具有的功效。