多糖酶法改性研究進展

王 迪 代 蕾 高彥祥

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083)

多糖酶法改性研究進展

王 迪 代 蕾 高彥祥

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083)

多糖是一種在自然界分布極廣的天然生物大分子，具有生物相容性、可接受性和可降解性，被廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品以及化工行業(yè)產(chǎn)品中。然而，由于某些多糖水溶性差或天然多糖不具備一些功能特性，其應(yīng)用受到了限制。利用物理、化學(xué)或酶改性方法對多糖結(jié)構(gòu)進行修飾，改善了其功能特性，擴大了其應(yīng)用范圍。酶具有高效性、特異性和選擇性，酶法改性多糖安全性高、條件溫和且環(huán)境友好，是一種極具潛力的多糖改性方法。酶法對多糖進行改性主要包括對多糖的水解和共價接枝。主要以多酚氧化酶、過氧化物酶、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶和脂肪氧化酶等為例，介紹了近年來多糖酶法改性的研究進展，主要綜述了酶法改性酶的種類、多糖改性方法和反應(yīng)類型，討論了改性多糖的功能特性，并對其應(yīng)用前景進行展望。

多糖 酶法改性 功能特性

多糖(Polysaccharide)是由多個單糖分子縮合、失水而成的高分子碳水化合物，可用通式(C6H10O5)n表示。多糖在自然界廣泛分布于動植物和微生物中，其種類眾多。多糖作為一種可再生資源，具有成本低廉、生物可降解、無毒環(huán)保、功能豐富等優(yōu)點。在生物學(xué)意義上，多糖一般作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)或儲能物質(zhì)。少數(shù)多糖具有抗氧化、抗病毒、抑制腫瘤細胞增殖以及免疫調(diào)節(jié)活性。多糖的理化性質(zhì)和功能特性是由其結(jié)構(gòu)決定的，大多數(shù)天然多糖需要經(jīng)過結(jié)構(gòu)修飾才能表現(xiàn)出理想的生理活性。

多糖還具有許多反應(yīng)活性位點，如乙酰氨基、氨基、羧基和一些活性羥基,可以通過多種化學(xué)反應(yīng)對其進行修飾。此外，多羥基結(jié)構(gòu)使其具有親水性[1]。近年來，主要通過物理、化學(xué)和酶催化方法對多糖進行改性。物理改性方式主要有超聲、射線輻照、高速剪切、動態(tài)高壓微射流等，物理改性主要針對多糖的分子量或流變學(xué)特性進行修飾，一般不涉及化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變?；瘜W(xué)改性主要包括的反應(yīng)方式有氧化、硫化、酯化、酰胺化，利用化學(xué)反應(yīng)能得到高產(chǎn)率多糖衍生物，但這種改性方式需要添加化學(xué)試劑，且反應(yīng)不具有選擇性，反應(yīng)進程也難以控制。比較而言，酶催化改性安全無毒、條件溫和、環(huán)境友好，操作簡單，酶催化改性多糖反應(yīng)更便于控制[2-3]。

隨著酶制劑產(chǎn)業(yè)和生物工程技術(shù)的發(fā)展，酶的種類越來越多，其品質(zhì)也明顯提高，酶催化改性多糖的研究也更加深入。酶法改性主要包括對多糖進行水解和共價接枝。從酶的種類來看，主要有殼聚糖酶、溶菌酶、纖維素酶和脂肪酶等專一性和非專一性水解酶，還有轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、多酚氧化酶、過氧化物酶等催化多糖共價接枝的酶；從多糖分子水平上看，主要包括多糖分子中糖苷鍵的斷裂和重排、分子內(nèi)或分子間交聯(lián)或?qū)Χ嗵欠肿觽?cè)鏈基團進行修飾。

1 多糖酶法水解

多糖可以通過化學(xué)、物理或生物的方法進行水解，產(chǎn)生一系列中間產(chǎn)物，包括單糖和低聚糖等?；瘜W(xué)法水解多糖一般通過加入化學(xué)試劑使多糖分子中糖苷鍵發(fā)生斷裂或重排，主要包括酸法、氧化法和亞硝酸鹽法[4-6]。化學(xué)法水解多糖操作簡單、反應(yīng)迅速，水解效率較高，但化學(xué)試劑的引入帶來嚴重污染，且產(chǎn)物分子量分布較寬，不易控制。物理方法主要包括利用超聲波、輻射和微波輔助法對對多糖的糖苷鍵進行斷裂。物理法水解多糖在不引入化學(xué)試劑的情況下對多糖進行水解，操作簡單且污染小，但水解效率低，成本高。生物降解法主要是酶法水解，酶法水解多糖具有特異性，產(chǎn)物均一性高，反應(yīng)高效、溫和、可控，是一種理想的多糖降解方法。

酶法水解多糖的酶主要分為專一性水解酶(殼聚糖酶、纖維素酶等)和非專一性水解酶(蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等)。殼聚糖酶主要存在于細菌、真菌和某些植物當中。殼聚糖酶專一性催化殼聚糖的β-1，4-糖苷鍵斷裂，生成殼寡糖[7]。纖維素酶是起協(xié)同作用的多組分酶系，是一種復(fù)合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、內(nèi)切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成，是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱[8]。Mora?s等[9]利用纖維酶和木聚糖酶水解纖維素，評價了纖維素酶和木聚糖酶水解纖維素的協(xié)同作用。Wu等[10]利用α-淀粉酶對殼聚糖進行水解，優(yōu)化了酶催化反應(yīng)條件，得到低分子量的水溶性殼聚糖。Muzzarelli等[11]利用小麥胚芽脂肪酶水解殼聚糖，發(fā)現(xiàn)水解速率與酶的濃度呈對數(shù)關(guān)系，水解產(chǎn)物分子量降至13 ku，與原殼聚糖相比，產(chǎn)物黏度下降。

近年來，人們對酶水解多糖進行了廣泛研究，但主要局限在實驗室研究，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還存在一定的困難。另外，研究主要集中在酶法水解多糖的影響因素上，而對其水解機理研究較少。要實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，一方面對反應(yīng)過程進行優(yōu)化，提高反應(yīng)效率；還要對降解機理進行詳細的研究，為控制和優(yōu)化反應(yīng)條件從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

2 多糖酶法共價接枝

利用酶法通過共價接枝對多糖進行改性，常用酶的種類包括氧化還原酶、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶等。氧化還原酶主要催化氧化還原反應(yīng)，催化底物的氧化或還原時需要電子供體或受體，這類反應(yīng)主要機理是電子的轉(zhuǎn)移。催化這類反應(yīng)的氧化還原酶主要包括多酚氧化酶、過氧化酶和脂肪氧化酶等。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化酰胺基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。根據(jù)不同類型的酶對多糖共價接枝改性方法、反應(yīng)類型及機理進行介紹，并討論多糖衍生物的特性及其應(yīng)用。

2.1 多酚氧化酶

多酚氧化酶是一類含銅的氧化還原酶，主要包括漆酶(對苯二酚氧化酶)、單酚氧化酶(酪氨酸酶)和雙酚氧化酶(兒茶酚氧化酶，Catechol oxidase, EC.1.10.3.2)。這類酶在氧存在條件下酚類氧化成鄰苯醌或?qū)Ρ锦?，在多糖共價交聯(lián)中，主要應(yīng)用漆酶和酪氨酸酶催化其共價修飾反應(yīng)。

2.1.1 漆酶

漆酶(Laccase, EC.1.10.3.1)是單電子氧化還原酶，其作用機理主要是在底物自由基的形成及與漆酶中的銅離子協(xié)同作用。漆酶可氧化多種單酚、鄰位或?qū)ξ环?、甲氧基酚、芳香族胺或脂肪族胺等底物。漆酶對多糖進行改性修飾，可以改善其物理化學(xué)性質(zhì)，提高其生物功能特性。殼聚糖大分子中有活潑的羥基和氨基，在均相與非均相條件下均可以利用多種酶催化其改。研究證明殼聚糖-阿魏酸/阿魏酸衍生物水溶性較好，抗氧化活性、抗菌性提高，其流變學(xué)特性也有所改變；利用該反應(yīng)產(chǎn)物制備抗氧化性殼聚糖膜或直接誘導(dǎo)交聯(lián)形成殼聚糖凝膠[12-15]。此外，沒食子酸、咖啡酸、兒茶素、二羥基苯甲酸等也通過漆酶的催化接枝到殼聚糖上，沒食子酸或咖啡酸的殼聚糖衍生物具有抗菌抗氧化活性，兒茶素或二羥基苯甲酸的衍生物具有螯合金屬離子能力[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，將漆酶作為催化劑誘導(dǎo)阿魏酸和甜菜果膠可以形成凝膠，阿魏?；黄崦秆趸笮纬甚?，進行親核加成形成交聯(lián)的共價鍵，該共價反應(yīng)提高了果膠的黏度和乳化性[18-19]。近年來，多有研究利用酶誘導(dǎo)生物大分子接枝共聚，形成具有多層結(jié)構(gòu)的乳液或凝膠穩(wěn)定的納米顆粒，再將這類傳遞系統(tǒng)用于功能因子的包埋與傳遞中。

蛋白質(zhì)與多糖的接枝反應(yīng)多通過美拉德反應(yīng)進行，但該反應(yīng)具體機理尚未完全解釋清楚，且副產(chǎn)物多，研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)可能帶來一定的安全性問題[20]。酶法催化蛋白質(zhì)和多糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)，利用多酚氧化酶將蛋白質(zhì)酪氨酸殘基氧化為醌，醌再與殼聚糖進行非酶反應(yīng)。通過氧化明膠中蛋白質(zhì)酪氨酸殘基形成醌，再與殼聚糖交聯(lián)，該反應(yīng)主要用于制備生物活性水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)通過漆酶誘導(dǎo)的殼聚糖-明膠水凝膠具有一定的抗菌性和抵抗細胞壁溶解酶的能力[21]。另有較為新穎的技術(shù)是利用殼聚糖對漆酶進行包埋制備成納米顆粒，這種漆酶納米膠囊具有抗菌能力，且在天然環(huán)境下半衰期長[22]。利用酶誘導(dǎo)接枝蛋白質(zhì)和果膠主要提高其水溶性和熱穩(wěn)定性。Jung等[23-24]利用漆酶誘導(dǎo)β-乳球蛋白和甜菜果膠制備共價接枝產(chǎn)物，通過加熱β-乳球蛋白將酪氨酸基團暴露并與甜菜果膠的阿魏酰基氧化交聯(lián)得到更高的共價接枝產(chǎn)物得率，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物有良好的乳化穩(wěn)定性，且蛋白質(zhì)的等電點發(fā)生改變，改善其在原等電點附近的水溶性。Soltani等[25]制備了包埋魚油的玉米醇溶蛋白納米顆粒，將該納米顆粒注入到甜菜果膠溶液中，再利用漆酶誘導(dǎo)果膠形成凝膠，體系流體類型從牛頓流體變?yōu)閮缏闪黧w，形成了穩(wěn)定的魚油傳遞體系。

天然纖維素不溶于水、柔順性差且分子體積較大，限制了其應(yīng)用。Patel等[26]利用漆酶催化四甲基呱啶氮氧化物和纖維素，向纖維素中引入羧基或醛基，將其氧化，主要是利用漆酶將四甲基呱啶氮氧化物誘導(dǎo)形成自由基，發(fā)生氧化后作為介質(zhì)將纖維素伯羥基和所在的亞甲基氧化為羧基或醛基，研究發(fā)現(xiàn)氧化后的纖維素應(yīng)用在造紙中，表現(xiàn)出更好的持水性和抗拉強度。為了提高纖維素的抗氧化活性、抗菌活性或持水性，有研究將咖啡酸、異丁子香酚、沒食子酸十二烷醇酯通過漆酶誘導(dǎo)氧化形成醌后與纖維素伯羥基反應(yīng)，形成多酚-木質(zhì)纖維素共價復(fù)合物[27-28]。另有研究利用漆酶將丁香醛、香豆酸、阿魏酸、芥子酸等小分子多酚接枝到纖維素上，由于多酚的接枝，改性纖維素抗菌能力明顯提高[29]。

2.1.2 酪氨酸酶

酪氨酸酶(Tyrosinase, EC.1.14.18.1)將單酚或雙酚結(jié)構(gòu)氧化為醌，醌與多糖的氨基、其他酚羥基、氨基酸或多聚物發(fā)生邁克爾加成或席夫堿加成。但利用酪氨酸酶催化該反應(yīng)可能導(dǎo)致一些多酚二聚體或其他低聚物等副反應(yīng)物的生成[30]。

研究表明在均相體系中，可以通過蘑菇酪氨酸酶誘導(dǎo)殼聚糖與熊果苷或咖啡酸形成凝膠，凝膠強度與多酚濃度有關(guān)[31-32]。另有報道在均相反應(yīng)中合成殼聚糖-多酚共價復(fù)合物，該殼聚糖衍生物流變學(xué)特性發(fā)生變化或抗氧化活性提高，其溶解性也明顯改善，可溶于酸性或堿性溶液中[33-34]。在非均相體系中，蘑菇酪氨酸酶將對己氧基苯酚氧化為醌，醌與殼聚糖氨基反應(yīng)，形成共價鍵，從而對己氧基苯酚對己氧基苯酚在非均相條件下被接枝到殼聚糖膜上，形成疏水性膜表面；蘑菇酪氨酸酶也可以作用于咖啡酸的酚羥基，將咖啡酸氧化為醌，接枝到殼聚糖膜表面，調(diào)節(jié)膜的機械強度，增加了其彈性，并賦予其抗氧化活性[32-33]。Vartiainen等[35]利用里氏木霉真菌酪氨酸酶催化疏水性多酚(沒食子酸辛酯或沒食子酸十二烷醇酯)接枝到殼聚糖上，該殼聚糖衍生物可用于抗菌性食品包裝材料。

酪氨酸酶催化殼聚糖和蛋白質(zhì)共價結(jié)合，可以增強其理化性質(zhì)和生物活性。應(yīng)用較多的是催化形成絲素蛋白與殼聚糖共價產(chǎn)物，研究表明，該共價產(chǎn)物主要通過邁克爾加成和席夫堿加成機理生成，紅外光譜表明了殼聚糖氨基的變化，另外絲素蛋白的酪氨酸殘基被氧化。酪氨酸酶催化絲素蛋白酪氨酸殘基氧化為醌，醌與殼聚糖氨基發(fā)生非酶作用生成共價鍵[36]。Sampaio等[37]研究了反應(yīng)pH對共價產(chǎn)物得率的影響，發(fā)現(xiàn)在pH 7.0得率最高，而該溶液中殼聚糖幾乎不溶，說明酶活性對反應(yīng)得率的影響大于殼聚糖的溶解度。通過催化殼聚糖與絲素蛋白共價，絲素蛋白的熱穩(wěn)定性有所提高，另外吸水性、抗皺性、抗菌性以及著色性有所改善[38]。

2.2 過氧化物酶

過氧化物酶(Peroxidase, POD)是由單一肽鏈與一個鐵卟輔基結(jié)構(gòu)形成的血紅蛋白酶，是以過氧化氫為電子受體催化底物氧化的氧化還原酶，可催化過氧化氫、氧化酚類、胺類化合物、雜環(huán)化合物和一些無機離子。辣根過氧化酶(Horseradish, HRP)是一種重要的過氧化物酶，在過氧化氫存在時催化底物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

多項研究辣根過氧化物酶誘導(dǎo)殼聚糖與沒食子酸或沒食子酸酯發(fā)生共價交聯(lián)，表明共價產(chǎn)物具有抗氧化活性、抗菌活性且產(chǎn)物水溶性得到改善[39-41]。另有研究將辣根過氧化酶應(yīng)用到雙層乳液的構(gòu)建中，利用辣根過氧化酶誘導(dǎo)乳清分離蛋白和甜菜果膠在油滴外形成牢固的雙層，相比于以往僅利用靜電吸附構(gòu)建的雙層乳液，該乳液穩(wěn)定性更強[42]。由于淀粉具有冷水不溶性，高濃度時黏度高、流動性差，在酸、熱、剪切等外力作用下不穩(wěn)定等缺陷，使其應(yīng)用受到極大的限制，因此，對淀粉進行改性具有重要意義。有研究利用辣根過氧化酶和過氧化氫誘導(dǎo)丙烯酰胺接枝到淀粉上，發(fā)現(xiàn)在酶的誘導(dǎo)下乙酰丙酮被氧化生成自由基，然后從淀粉的羰基上奪取質(zhì)子，形成羰基自由基，自由基作為引發(fā)劑發(fā)生一系列共聚反應(yīng)；結(jié)果表明形成的共聚產(chǎn)物具有良好的吸水性，可以用于造紙或紡織工業(yè)[43-44]。Shogren等[45]利用漆酶誘導(dǎo)木質(zhì)素磺酸鈉和玉米淀粉接枝共聚，產(chǎn)物具有良好的抗氧化活性，且淀粉硫酸酯中的硫酸基團增加了聚合物陽離子結(jié)合的能力。

2.3 脂肪氧化酶

脂肪氧化酶(Lipoxidase, LOX)由單一的多肽鏈組成，是一種含非血紅素鐵、不含硫的蛋白質(zhì)，專一催化具有順、順-1,4-戊二烯結(jié)構(gòu)的多元不飽和脂肪酸加氧反應(yīng)，氧化生成具有共軛雙鍵的過氧化衍生物。利用脂肪氧化酶催化殼聚糖共聚反應(yīng)，酶具有一定的區(qū)域選擇性和對映選擇性，可以用于化學(xué)-酶誘導(dǎo)共聚反應(yīng)中[46]。

2.4 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(Transglutaminase，簡稱TGase或TG)針對蛋白質(zhì)的酰胺基，催化親核反應(yīng)，從而引發(fā)蛋白質(zhì)或多肽之間的共價交聯(lián)，催化反應(yīng)時主要利用蛋白質(zhì)谷氨酰胺殘基上的-甲酰胺基作供體，可利用分子內(nèi)或其他分子肽鏈中的賴氨酸殘基中的?-氨基作為受體，也可利用伯氨基或者水作為受體進行共價交聯(lián)反應(yīng)[47]。

Jiang等[48]利用乳清蛋白和殼聚糖制備可食膜，通過轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶誘導(dǎo)后可食膜隔離水和抵抗機械壓力的能力都有所提升。Porta等[49]針對轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶誘導(dǎo)殼聚糖形成可食膜進行了綜述。另有研究利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶誘導(dǎo)蛋白質(zhì)和殼聚糖形成凝膠。通過對轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶和酪氨酸酶誘導(dǎo)明膠與殼聚糖形成凝膠進行對比發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶誘導(dǎo)的凝膠強度比酪氨酸酶誘導(dǎo)的凝膠強度強，這可能是由于前者通過N-?-(-谷氨酰)賴氨酸交聯(lián)而成，而后者是通過蛋白質(zhì)酪氨酸氧化成醌后攻擊殼聚糖共價而成，二者的連接方式完全不同[50-52]。Villalonga等[53]利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶合成了牛胰蛋白酶與環(huán)糊精的共價接枝產(chǎn)物，研究發(fā)現(xiàn)接枝后的胰蛋白酶活性提高，且其在堿性條件和熱環(huán)境下的抵抗能力增強。

2.5 其他

多糖可以作為利用酶法誘導(dǎo)共聚反應(yīng)的引發(fā)物，通過接枝共聚可以控制其親水親油平衡值。在微波輻射下利用豬胰脂肪酶催化L-乳酸和殼聚糖得到高接枝率的共聚產(chǎn)物，該產(chǎn)物與殼聚糖相比，雖然熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性有所下降，但卻是一種良好的細胞吸附和增殖基質(zhì)物質(zhì)，可以作為生物支架材料使用[54]。另有研究利用脂肪酶將脂肪酸和高甲氧基果膠合成脂肪酸酯兩性化合物，經(jīng)過長鏈脂肪酸的修飾，擴展了果膠的應(yīng)用范圍；另外該研究表明脂肪酶可以特定的將脂肪酸接枝到果膠的6—OH上，具有選擇性[55]。Gremos等[56-57]研究了酶催化丙酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯和硬脂酸乙烯酯與纖維素發(fā)生酰化反應(yīng)，先利用離子液體或超臨界二氧化碳對纖維素進行預(yù)處理，使多糖結(jié)構(gòu)舒展，再采用四種固定化脂肪酶催化該酰化反應(yīng)，合成多種纖維素酯，纖維素酯的酰化程度決定了其吸濕性。在另一項研究中，利用脂肪酶催化硬脂酸與羥丙基纖維素進行發(fā)生酯化反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)通過減壓除去副產(chǎn)物可以在一定程度上提高反應(yīng)產(chǎn)率[58]。另外有研究利用磷酸化酶合成直鏈淀粉-殼聚糖共聚物、麥芽糖-殼聚糖共聚物，利用酶催化法得到的新型高分子聚合物得率較高[59-60]。

3 結(jié)論與展望

酶法改性多糖改善了天然多糖的理化性質(zhì)、功能特性和生物活性，例如將抗氧化性多酚接枝到多糖上，賦予其抗氧化、抗菌、抗癌等優(yōu)良的生物活性；也可以氨基酸或蛋白接枝到多糖上，將2種高分子的優(yōu)良功能特性進行整合；或?qū)Χ嗵沁M行疏水性修飾，制備兩親型分子，應(yīng)用到藥物或功能活性成分的傳遞系統(tǒng)中；通過聚合反應(yīng)可以制備新型功能材料，應(yīng)用于醫(yī)藥、日化等行業(yè)。然而，酶改性多糖主要集中在對多糖理化或功能特性上的研究，而多糖作為一種結(jié)構(gòu)或儲能物質(zhì)，其營養(yǎng)價值也需要考慮，很少從多糖營養(yǎng)價值的改善層面進行研究。另外，諸多酶改性研究中只有一部分能轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，為了能使科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，還需要加強科學(xué)研究與生產(chǎn)實踐的結(jié)合，促進酶改性多糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]Liu Z, Jiao Y, Wang Y, et al. Polysaccharides-based nanoparticles as drug delivery systems [J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 2008, 60(15): 1650-1662

[2]Cunha A G, Gandini A. Turning polysaccharides into hydrophobic materials: a critical review. part 1. cellulose [J]. Cellulose, 2010, 17(5): 875-889

[3]Cunha A G, Gandini A. Turning polysaccharides into hydrophobic materials: a critical review. part 2. hemicelluloses, chitin/chitosan, starch, pectin and alginates [J]. Cellulose, 2010, 17(6): 1045-1065

[4]Jia Z S, Shen D F. Effect of reaction temperature and reaction time on the preparation of low-molecular-weight chitosan using phosphoric acid [J]. Carbohydrate Polymers, 2002, 49(4): 393-396

[5]Zhang Z S, Wang X M, Mo X F, et al. Degradation and the antioxidant activity of polysaccharide from Enteromorpha linza [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 92(2): 2084-2087

[6]Rinaudo M. Properties and degradation of selected polysaccharides: hyaluronan and chitosan [J]. Corrosion Engineering Science and Technology, 2007, 42(4): 324-334

[7]Thadathil N, Velappan S P. Recent developments in chitosanase research and its biotechnological applications: a review [J]. Food Chemistry, 2014, 150(1): 392-399

[8]Dashtban M, Maki M, Leung K T, et al. Cellulase activities in biomass conversion: measurement methods and comparison [J]. Critical Reviews in Biotechnology, 2010, 30(4):302-309

[9]Morais S, Barak Y, Caspi J, et al. Cellulase-xylanase synergy in designer cellulosomes for enhanced degradation of a complex cellulosic substrate [J]. Mbio, 2010, 1(5): 1-8

[10]Wu S J. Preparation of water soluble chitosan by hydrolysis with commercial alpha-amylase containing chitosanase activity [J]. Food Chemistry, 2011, 128(3): 769-772

[11]Muzzarelli R A A, Xia W S, Tomasetti M, et al. Depolymerization of chitosan and substituted chitosans with the aid of a wheat-germ lipase preparation [J]. Enzyme and Microbial Technology, 1995, 17(6): 541-545

[12]Aljawish A, Chevalot I, Piffaut B, et al. Functionalization of chitosan by laccase-catalyzed oxidation of ferulic acid and ethyl ferulate under heterogeneous reaction conditions [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 87(1): 537-544

[13]Woranuch S, Yoksan R. Preparation, characterization and antioxidant property of water-soluble ferulic acid grafted chitosan [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 96(2):495-502

[14]Aljawish A, Chevalot I, Jasniewski J, et al. Laccase-catalysed functionalisation of chitosan by ferulic acid and ethyl ferulate: evaluation of physicochemical and biofunctional properties [J]. Food Chemistry, 2014, 161(11): 279-287

[15]Huber D, Tegl G, Baumann M, et al. Chitosan hydrogel formation using laccase activated phenolics as cross-linkers [J]. Carbohydrate Polymers, 2017, 157: 814-822

[16]Brzonova I, Steiner W, Zankel A, et al. Enzymatic synthesis of catechol and hydroxyl-carboxic acid functionalized chitosan microspheres for iron overload therapy [J]. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2011, 79(2): 294-303

[17]Bozic M, Gorgieva S, Kokol V. Laccase-mediated functionalization of chitosan by caffeic and gallic acids for modulating antioxidant and antimicrobial properties [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 87(4): 2388-2398

[18]Abang Zaidel D N, Meyer Anne S. Oxidative enzymatic gelation of sugar beet pectin for emulsion stabilization [J]. Research Journal of Biotechnology, 2013, 8(7): 81-86

[19]Jung J Y, Wicker L. Laccase mediated conjugation of sugar beet pectin and the effect on emulsion stability [J]. Food Hydrocolloids, 2012, 28(1): 168-173

[20]Cheng K, Zhang X, Wang M. Chemistry and safety of maillard reaction products iii: heterocyclic amines and amino acid derivatives [J]. Food Safety Chemistry: Toxicant Occurrence, Analysis and Mitigation, 2015, 63(2):1351-1353

[21]Rocasalbas G, Francesko A, Tourino S, et al. Laccase-assisted formation of bioactive chitosan/gelatin hydrogel stabilized with plant polyphenols [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 92(2): 989-996

[22]Koyani R D, Vazquez-Duhalt R. Laccase encapsulation in chitosan nanoparticles enhances the protein stability against microbial degradation [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(18): 18850-18857

[23]Jung J, Wicker L. β-Lactoglobulin conformation and mixed sugar beet pectin gel matrix is changed by laccase [J]. LWT-Food Science and Technology, 2014, 55(1): 9-15

[24]Jung J, Wicker L. Laccase mediated conjugation of heat treated β-lactoglobulin and sugar beet pectin [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 89(4): 1244-1249

[25]Soltani S, Madadlou A. Gelation characteristics of the sugar beet pectin solution charged with fish oil-loaded zein nanoparticles [J]. Food Hydrocolloids, 2015, 43: 664-669

[26]Patel I, Ludwig R, Haltrich D, et al. Studies of the chemoenzymatic modification of cellulosic pulps by the laccase-TEMPO system [J]. Holzforschung, 2011, 65(4):475-481

[27]Elegir G, Kindl A, Sadocco P, et al. Development of antimicrobial cellulose packaging through laccase-mediated grafting of phenolic compounds [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2008, 43(2): 84-92

[28]Cusola O, Valls C, Vidal T, et al. Application of surface enzyme treatments using laccase and a hydrophobic compound to paper-based media [J]. Bioresource Technology, 2013, 131: 521-526

[29]Fillat A, Gallardo O, Vidal T, et al. Enzymatic grafting of natural phenols to flax fibres: development of antimicrobial properties [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 87(1): 146-152

[30]Kumar G, Bristow J, Smith P, et al. Enzymatic gelation of the natural polymer chitosan [J]. Polymer, 2000, 41(6): 2157-2168

[31]Aberg C M, Chen T H, Payne G F. Renewable resources and enzymatic processes to create functional polymers: Adapting materials and reactions from food processing [J]. Journal of Polymers and the Environment, 2002, 10(3): 77-84

[32]Liu Y, Zhang B C, Javvaji V, et al. Tyrosinase-mediated grafting and crosslinking of natural phenols confers functional properties to chitosan [J]. Biochemical Engineering Journal, 2014, 89(16): 21-27

[33]Chen T H, Kumar G, Harris M T, et al. Enzymatic grafting of hexyloxyphenol onto chitosan to alter surface and rheological properties [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2000, 70(5): 564-573

[34]Kumar G, Smith P J, Payne G F. Enzymatic grafting of a natural product onto chitosan to confer water solubility under basic conditions [J]. Biotechnology and Bioengineering, 1999, 63(2): 154-165

[35]Vartiainen J, Ratto M, Lantto R, et al. Tyrosinase-catalysed grafting of food-grade gallates to chitosan: Surface properties of novel functional coatings [J]. Packaging Technology and Science, 2008, 21(6): 317-328

[36]Altman G H, Diaz F, Jakuba C, et al. Silk-based biomaterials [J]. Biomaterials, 2003, 24(3): 401-416

[37]Sampaio S, Taddei P, Monti P, et al. Enzymatic grafting of chitosan onto Bombyx mori silk fibroin: kinetic and IR vibrational studies [J]. Journal of Biotechnology, 2005, 116(1): 21-33

[38]Wang P, Yu M L, Cui L, et al. Modification of Bombyx mori silk fabrics by tyrosinase-catalyzed grafting of chitosan [J]. Engineering in Life Sciences, 2014, 14(2): 211-217

[39]Pasanphan W, Buettner G R, Chirachanchai S. Chitosan gallate as a novel potential polysaccharide antioxidant: an EPR study [J]. Carbohydrate Research, 2010, 345(1): 132-140

[40]Itzincab-Mejia L, Lopez-Luna A, Gimeno M, et al. Enzymatic grafting of gallate ester onto chitosan: evaluation of antioxidant and antibacterial activities [J]. International Journal of Food Science and Technology, 2013, 48(10): 2034-2041

[41]Zavaleta-Avejar L, Bosquez-Molina E, Gimeno M, et al. Rheological and antioxidant power studies of enzymatically grafted chitosan with a hydrophobic alkyl side chain [J]. Food Hydrocolloids, 2014, 39(2): 113-119

[42]Li J L, Cheng Y Q, Wang P, et al. A novel improvement in whey protein isolate emulsion stability: Generation of an enzymatically cross-linked beet pectin layer using horseradish peroxidase[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 26(2): 448-455

[43]Shogren R L, Willett J L, Biswas A. HRP-mediated synthesis of starch-polyacrylamide graft copolymers [J]. Carbohydrate Polymers, 2009, 75(1): 189-191

[44]Hollmann F, Arends I W C E. Enzyme Initiated Radical Polymerizations [J]. Polymers, 2012, 4(1): 759-793

[45]Shogren R L, Biswas A. Preparation of starch-sodium lignosulfonate graft copolymers via laccase catalysis and characterization of antioxidant activity [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 91(2): 581-585

[46]Yamaguchi S, Tanha M, Hult A, et al. Green polymer chemistry: lipase-catalyzed synthesis of bio-based reactive polyesters employing itaconic anhydride as a renewable monomer [J]. Polymer Journal, 2014, 46(1): 2-13

[47]Folk J. Transglutaminases [J]. Annual Review of Biochemistry, 1980, 49(1): 517-531

[48]Jiang S J, Zhang X, Ma Y, et al. Characterization of whey protein-carboxymethylated chitosan composite films with and without transglutaminase treatment [J]. Carbohydrate Polymers, 2016, 153: 153-159

[49]Porta R, Mariniello L, Di Pierro P, et al. Transglutaminase crosslinked pectin-and chitosan-based edible films: a review [J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2011, 51(3): 223-238

[50]Chen T, Embree H D, Wu L Q, et al. In vitro protein-polysaccharide conjugation: Tyrosinase‐catalyzed conjugation of gelatin and chitosan [J]. Biopolymers, 2002, 64(6): 292-302

[51]Chen T H, Embree H D, Brown E M, et al. Enzyme-catalyzed gel formation of gelatin and chitosan: potential for in situ applications [J]. Biomaterials, 2003, 24(17):2831-2841

[52]Porta R, Mariniello L, Di Pierro P, et al. Transglutaminase crosslinked pectin-and chitosan-based edible films: a review [J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2011, 51(3): 223-238

[53]Villalonga R, Fern Ndez M, Fragoso A, et al. Transglutaminase‐catalyzed synthesis of trypsin-cyclodextrin conjugates: kinetics and stability properties [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2003, 81(6): 732-737

[54]Zeng Q H, Tian Y, Zhou C R, et al. Enzymatic synthisis of chitosan-graft-poly (l-lactide) copolymers under single-mode microwave irradiation [J]. Acta Polymerica Sinica, 2012, 12(6):593-598

[55]Van Den Broek L A M, Boeriu C G. Enzymatic synthesis of oligo-and polysaccharide fatty acid esters [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 93(1): 65-72

[56]Gremos S, Zarafeta D, Kekos D, et al. Direct enzymatic acylation of cellulose pretreated in BMIMCl ionic liquid [J]. Bioresource Technology, 2011, 102(2): 1378-1382

[57]Gremos S, Kekos D, Kolisis F. Supercritical carbon dioxide biocatalysis as a novel and green methodology for the enzymatic acylation of fibrous cellulose in one step [J]. Bioresource Technology, 2012, 115(4): 96-101

[58]Gu Q M, Cheng H. Enzyme-catalyzed esterification of cellulosics, guar, and polyethers [J]. ACS Polym Prepr, 2005, 46: 30-31

[59]Kaneko Y, Matsuda S, Kadokawa J. Chemoenzymatic syntheses of amylose-grafted chitin and chitosan [J]. Biomacromolecules, 2007, 8(12): 3959-3964

[60]Kadokawa J I. Architecture of amylose supramolecules in form of inclusion complexes by phosphorylase-catalyzed enzymatic polymerization [J]. Biomolecules, 2013, 3(3): 369-385.

Research Progress on Enzymatic Modification of Polysaccharides

Wang Di Dai Lei Gao Yanxiang
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083)

Polysaccharides were biocompatible, adaptable and biodegradable natural biopolymers which can be found in almost all living organisms. They were used extensively in various industries, such as food, pharmaceuticals, cosmetics and chemical products. However, their practical application was limited, as certain polysaccharides had poor water solubility and need to be endowed with novel functions. Physical, chemical or enzymatic modification of their structure appears as an available method, to improve their functional properties, and thus to expanded the field of applications. Enzymes were provided with high efficiency, specificity and selectivity properties. Enzymatic modification of polysaccharide was considered the most potential method, because of the advantages of high safety, mild reaction conditions, eco-efficiency and green chemistry. The present article comprehensively reviews the enzymatic modification (hydrolysis and covalent grafting) of polysaccharides using several well-known enzymes, including polyphenol oxidase, peroxidase transglutaminase, lipoxygenase and so on. Particular emphasis was presented about the sorts of enzyme, the grafting methods and the reaction types. The impact of modification on the functional properties and the applications of polysaccharide derivatives were discussed.

polysaccharides, enzymatic modification, functional properties

TS201.2

A

1003-0174(2017)12-0134-07

國家自然科學(xué)基金(31371835)

2016-11-28

王迪，女，1992年出生，碩士，功能配料與食品添加劑

高彥祥，男，1961年出生，教授，博士生導(dǎo)師，功能配料與食品添加劑

勘誤

《中國糧油學(xué)報》2017年第32卷第11期《山茶籽油研究應(yīng)用進展》第191頁左下角的作者信息有誤，應(yīng)為作者簡介：李雪，女，1991年出生，碩士，營養(yǎng)與功能食品。通訊作者：白新鵬，男，1963年出生，教授，糧食、油脂及植物蛋白工程；譚運壽，男，1963年出生，糧食、油脂及植物蛋白工程。