纖維二糖2-差向異構酶的酶學性質(zhì)及在乳制品中的應用

方 正 ， 肖雅琴 ， 陳秋銘 ， 張 濤 ， 江 波 ， 沐萬孟 *

（1.食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 食品安全國際合作聯(lián)合實驗室，江蘇 無錫 214122）

糖類廣泛存在于自然界中，具有廣譜化學結構和生物功能。它不僅是營養(yǎng)物質(zhì)，而且某些還具有特殊的生理活性。它們之間可以通過各種類型的酶促反應相互轉化或合成，如氧化、還原、乙?；?、異構化和差向異構化等反應。異構化反應是指在相對分子質(zhì)量不變的情況下改變化合物的結構。在此基礎上，差向異構化則要求化合物含有兩個或兩個以上手性中心，差向異構酶可以將某手性中心的構型轉換成其相反構型，形成的兩種非對映異構體，稱為差向異構體。

隨著生活水平的提高，全球肥胖人口在過去40年中急速增長。主要原因之一就是飲食中高攝入量的蔗糖和果糖等高熱量的糖類。在這種社會條件下，不可消化的糖類則具有特別顯著的優(yōu)勢。在食品工業(yè)中，它們可以作為甜味劑，在滿足人們對甜味需求的同時，降低熱量的攝入以及減少齲齒的發(fā)生。有的還表現(xiàn)出對人體有益的生物活性，如具有益生元、抗腫瘤以及免疫抑制劑的效果[1]。還有一類甜味劑如阿斯巴甜、安賽蜜等，雖然熱量低，甜味強烈，但是對人體無益，甚至有害人體健康。而大多數(shù)這類非營養(yǎng)型的甜味劑只能通過化學合成得到，而化學合成過程還可能因為化學試劑引發(fā)重大安全問題。有營養(yǎng)的功能性糖則可以通過微生物轉化得到，更安全、方便、節(jié)約能源且對環(huán)境的污染更小。在這一過程中，差向異構酶則發(fā)揮著非常重要的作用，參與著糖類的代謝和轉化。

日本香川大學教授Izumori[2]提出了一種名為“Izumoring”系統(tǒng)的生物制備策略，認為理論上所有單糖或糖醇都可以從某種單糖通過生物合成或轉化得到。通過這種策略，可以將豐富廉價的自然資源合成罕見且昂貴的稀有糖。與單糖相比，天然存在的來源豐富的二糖也可以發(fā)生類似的酶促反應而得到具有特殊功能的稀有二糖。由于一些具有生物活性的二糖在食品工業(yè)中作為功能性甜味劑有著廣闊的應用前景，一種被稱為纖維二糖2-差向異構酶（CE，EC 5.1.3.11）的二糖差向異構酶引起科研工作者們的關注[3]。大量的研究表明纖維二糖2-差向異構酶可以將某些由β-1，4糖苷鍵的寡糖經(jīng)差向異構化反應轉化為依匹乳糖，部分則可催化異構化反應生成乳果糖，而這兩種乳糖衍生物都是符合當今時代的健康飲食觀念，具有很大的市場發(fā)展前景的功能性稀有糖。本文著重從工業(yè)應用角度總結纖維二糖2-差向異構酶酶促反應的最新進展。

1 纖維二糖2-差向異構酶的酶學性質(zhì)

1.1 纖維二糖2-差向異構酶的生物分布及特性

1967年，Tyler和Leatherwood[4]在一種厭氧瘤胃細菌白色瘤胃球菌中發(fā)現(xiàn)纖維二糖2-差向異構酶，因其能催化纖維二糖生成 4-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-甘露糖而得名。但是其真正進入人們的視野，開始對纖維二糖2-差向異構酶進行深入的研究是在40年后，Ito等測得來源于R.albus NE1的纖維二糖2-差向異構酶基因序列[5]，并首次發(fā)現(xiàn)該酶能夠催化乳糖生成依匹乳糖[6]。此后大量不同微生物來源的被證明具有纖維二糖2-差向異構酶活性的纖維二糖2-差向異構酶相繼被克隆表達。2012年，Kim等發(fā)現(xiàn)來自Dictyoglomus turgidum的纖維二糖2-差向異構酶還可以將乳糖轉化為乳果糖[7]。

纖維二糖2-差向異構酶屬于N-乙酰-D-葡糖胺-2-差向異構酶（EC 5.1.3.8，AGEs）超家族，大多數(shù)纖維二糖2-差向異構酶與N-乙酰-D-葡糖胺2-差向異構酶氨基酸序列的同源性很低，且在已報道的纖維二糖2-差向異構酶中沒有一個顯示出有N-乙酰-D-葡糖胺-2-差向異構酶的活性。迄今為止，來自厚壁菌、網(wǎng)團菌、螺旋體、綠彎菌、變形菌和硬壁菌門，6個門的19個細菌的CE已經(jīng)被異源表達和表征。為了適應工業(yè)化生產(chǎn)需求，研究每個酶的酶學性質(zhì)，以面對不同底物，不同生產(chǎn)環(huán)境來選擇最合適的酶是具有重要意義的，除了對基本的最適pH值、溫度等的探究，纖維二糖2-差向異構酶的動力學參數(shù)也是依匹乳糖轉化的重要參數(shù)?，F(xiàn)將已報道的19種纖維二糖2-差向異構酶的研究結果整理如表1所示。其中只有來源于R.marinus和P.heparinus的纖維二糖2-差向異構酶的最適pH為弱酸性6.3。在食品工業(yè)中，弱酸性的條件更適用于工業(yè)生產(chǎn)。而不同纖維二糖2-差向異構酶的最適溫度范圍（35～80℃）則較廣。

表1 已報道的纖維二糖差向異構酶的酶學性質(zhì)比較Table 1 Comparison of enzyme properties of various Cellobiose 2-epimerase

1.2 纖維二糖2-差向異構酶的結構-催化活性關系

解析晶體結構對于預測催化機理是必需的，Rual-CE，Rhma-CE和Casa-CE的晶體結構已被解開，其基本支架是呈（α/α）6的桶狀結構，該結構內(nèi)外側均為6個α螺旋組成的環(huán)狀結構，且纖維二糖2-差向異構酶的結合口袋也位于這6個內(nèi)部螺旋。在蛋白質(zhì)結構分類數(shù)據(jù)庫（SCOP）中，這是六發(fā)夾酶超家族和N-乙酰-D-葡糖胺-2-差向異構酶的特征，猜測該結構適用于催化含甘露糖殘基的碳水化合物的差向異構化或異構化反應。

2013年，F(xiàn)ujiwara等[17]基于Rual-CE晶體結構，針對纖維二糖2-差向異構酶的差向異構化機制提出了涉及廣義酸/堿催化劑和烯醇化中間產(chǎn)物的理論。一年后，該科研團隊對Rhma-CE及其反應產(chǎn)物 4-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-甘露糖、依匹乳糖結合態(tài)的晶體結構進行了解析[18]，并對催化機理進行了進一步分析，如圖2所示。被廣泛接受的是，催化反應可以被總結為以下3步：開環(huán)、差向異構化、閉環(huán)。在開環(huán)中，廣義酸性催化劑向質(zhì)子內(nèi)環(huán)氧原子提供質(zhì)子，而廣義堿性催化劑從氧原子上奪取質(zhì)子。在差向異構化過程中產(chǎn)生順式烯二醇中間體，閉環(huán)過程可認為是開環(huán)的逆反應。

1.3 纖維二糖2-差向異構酶產(chǎn)物的測定

由于乳果糖和依匹乳糖難以分離。因此產(chǎn)物測定方法的提升對研究纖維二糖2-差向異構酶工作有重要意義。以前，科研工作者們主要通過離子交換色譜方法來完全分離和定量乳糖衍生物，通過改變洗脫液來改善分離效率，提高靈敏度。但依舊操作復雜，耗時久。近年來，對纖維二糖2-差向異構酶產(chǎn)物的定量測定主要由裝備有折射率（RI）或蒸發(fā)光散射檢測器的高效液相色譜法來檢測，其優(yōu)勢在于檢測速度快且靈敏度高，并且可用于分析復雜食品系統(tǒng)[19]及其酶促反應產(chǎn)物[10，20-21]。 2016年，Rentschler等[22]采用雙重高效液相色譜法分析，使用兩種色譜分離技術的組合，配置在兩個并行系統(tǒng)中。柱前衍生后，可以在復雜的食物基質(zhì)如牛奶中準確地分離乳糖，乳果糖和依匹乳糖。乳樣中檢測限依匹乳糖為3.3 mg/L，乳糖為4.7 mg/L，乳果糖為1.3 mg/L。此外，薄層色譜法也被廣泛用作粗略的定性方法，以快速確定是否通過酶促或微生物反應產(chǎn)生了依匹乳糖。

2 纖維二糖2-差向異構酶生產(chǎn)功能性寡糖的應用

隨著現(xiàn)代生物技術的發(fā)展，酶在食品和制藥工業(yè)中的應用越來越廣泛。目的性的酶促反應不僅可以增加食品的附加營養(yǎng)值，還可以減少資源浪費。乳糖的生物轉化則是一個非常成功的案例。在乳制品工業(yè)中，全世界每年會產(chǎn)生上百萬噸的乳糖無法利用。若不經(jīng)處理就丟棄，不僅伴隨著資源的浪費還會造成大量的環(huán)境問題。但是以乳糖為原料可以生產(chǎn)多種衍生物，用纖維二糖2-差向異構酶便可將乳糖經(jīng)差向異構化或異構化反應轉化為非常有營養(yǎng)價值的依匹乳糖和乳果糖，結構式如圖1所示。最初人們在加熱的牛奶和經(jīng)堿性處理的乳糖溶液中發(fā)現(xiàn)了微量的依匹乳糖，由于難以制備，其生理功能一直不清楚。直到2004年，Miyasato等[23]報道了由β-半乳糖苷酶催化轉糖基作用生產(chǎn)小于10 g規(guī)模的依匹乳糖。乳果糖最初也是在加熱后的牛奶中找到的，不同的是，乳果糖在20世紀60年代，就已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)并且應用于制藥行業(yè)。下文將對CE的這兩種主要產(chǎn)物，以及CE在乳產(chǎn)品中的應用分別進行論述。

圖1 乳糖、依匹乳糖、乳果糖結構式Fig.1 Molecular structure of lactose,lactose and lactulose

圖2 Rhma-CE的蛋白分子結構和其與底物（依匹乳糖）結合情況示意圖Fig.2 Molecular structure of protein Rhma-CE and its interaction with substrate(galactose)

2.1 依匹乳糖

2.1.1 依匹乳糖的生理功能 依匹乳糖（Epilactose：C12H22O11；4-O-β-D-吡喃半乳糖基-D-甘露糖）是乳糖的C2位的差向異構體，具有還原性。依匹乳糖不易被人體消化吸收[24]，它在腸道消化酶中非常穩(wěn)定，可以到達宿主的下胃腸道刺激雙歧桿菌的生長[25]，所以服用依匹乳糖后血漿內(nèi)的血糖濃度不會升高。由于攝入依匹乳糖后礦物質(zhì)吸收增強，可能是通過增殖的腸道細菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸降低pH值而引起。Suzuki等[26]研究發(fā)現(xiàn)依匹乳糖通過誘導肌球蛋白輕鏈的磷酸化反應促進鈣運輸?shù)募毎緩絹碓鰪娾}吸收。使大鼠實驗中胃切除術后骨量流失的癥狀以及貧血癥得到改善[27]，這表明依匹乳糖可能成為預防骨質(zhì)疏松和貧血的優(yōu)質(zhì)功能食品。小鼠口服還能夠抑制初級膽汁酸向次級膽汁酸的轉化，降低患結腸癌的風險。依匹乳糖的攝入還能增加盲腸壁的重量，提升短鏈脂肪酸和其他有機酸的含量，降低血漿中總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇含量，從而降低動脈硬化的發(fā)病率[28]。依匹乳糖還可以有效地預防高脂飲食誘導的小鼠肥胖[29]，口服依匹乳糖可以增加解偶聯(lián)蛋白1的表達，解偶聯(lián)蛋白1在骨骼肌和棕色脂肪組織中參與能量耗散的表達，從而導致全身能量消耗增加，減少小鼠肥胖及代謝障礙的危險。綜上，依匹乳糖具有預防結腸癌、動脈硬化、肥胖及其相關疾病的潛力，而這些慢性病被認為是中發(fā)達國家的主要健康問題。

2.1.2 依匹乳糖的合成 有報道采用化學方法通過乳糖差向異構化產(chǎn)生依匹乳糖，或者經(jīng)D-甘露糖和D-半乳糖合成依匹乳糖[30]。但這些化學方法步驟繁多且復雜，反應涉及的有機試劑還可能會引發(fā)重大人身及食品安全問題。有機化學反應副產(chǎn)物較多，純化較困難、工作量大。而酶法催化生成依匹乳糖，因其操作簡單、安全高效、方便環(huán)保受到了學者們的廣泛關注。

使用單一催化劑纖維二糖2-差向異構酶，不需要其他底物就可從乳糖一步轉化為依匹乳糖。當反應中酶濃度較低，反應時間較短時，反應體系中基本檢測不到副產(chǎn)物[16]。Saburi等使用固定在陰離子交換樹脂上的Rhma-CE連續(xù)反應[31]，有效地減少了反應所需酶量。在該反應中，大約30%的乳糖被轉化為依匹乳糖，通過乳糖結晶，水解剩余乳糖，消化單糖以及陽離子交換層析純化依匹乳糖至純度為91.1%，回收率為42.5%。2016年，Kuschel團隊研發(fā)了一種半制備型高效液相色譜方法[32]，由fljo-CE催化乳糖大量生產(chǎn)依匹乳糖，經(jīng)結晶和色析法分離后，獲得高純度（99%）產(chǎn)品，總產(chǎn)量為51%。2018年，Chen等[33]報道了一條食品級的從乳糖酶法生產(chǎn)并純化依匹乳糖的路線。利用不使用抗生素對轉化子進行篩選的枯草芽孢桿菌表達CE，排除了抗生素基因的不安全因素的情況下生產(chǎn)依匹乳糖，并分3步將產(chǎn)物純化至純度大于98%。

2.2 乳果糖

2.2.1 乳果糖的生理功能 乳果糖（lactulose：C12H22O11；4-O-β-D-吡喃半乳糖基-D-果糖）是半乳糖和果糖通過β-1，4糖苷鍵結合得到具有還原性的雙糖，也是乳糖的酮糖異構體。乳果糖穩(wěn)定性好、熱值低，為6.28 kJ/g。

與依匹乳糖相類似，乳果糖不會被人體的腸道消化，留存在腸道中的乳果糖能刺激腸道的蠕動，并為腸道中的乳桿菌和雙歧桿菌提供能量[34-35]，有助于維持或恢復人體小腸中菌群的自然平衡[36]?？诜楣沁€可以刺激機體免疫系統(tǒng)分泌免疫球蛋白A[37]，增加腸道局部免疫力，同時乳果糖被發(fā)酵分解為乳酸、甲酸等小分子有機酸，使腸道的pH降低，抑制有害菌的生長代謝，保持水分，有防止便秘的功能。相對于其他功能性低聚糖主要應用于保健食品，乳果糖被大量應用于醫(yī)藥方面的研究。肝性腦病是與嚴重發(fā)病率和死亡率相關的急性和慢性肝病的嚴重并發(fā)癥，國內(nèi)外許多科研工作者通過隨機試驗分析表明乳果糖對肝性腦病表現(xiàn)和預防肝性腦病發(fā)作具有有益作用[38-39]。

2.2.2 乳果糖的合成 目前，用于商業(yè)利用的乳果糖主要通過化學方法生產(chǎn)[40]。由于化學方法生產(chǎn)過程包括復雜的純化和脫鹽步驟，而使用生物催化劑的環(huán)境友好型合成方法優(yōu)于常規(guī)的化學反應。所以科研工作者們一直在積極探索，想要通過酶促生物轉化的方式大量生產(chǎn)乳果糖，同時降低生產(chǎn)成本。

據(jù)報道，糖基水解酶和纖維二糖2-差向異構酶是目前所知能夠催化合成乳果糖的兩類酶。纖維二糖2-差向異構酶可直接將乳糖還原性末端的葡萄糖基異構化為果糖基，實現(xiàn)乳糖向乳果糖的直接轉化。2012年，Kim等將來自嗜糖假單胞菌的纖維二糖2-差向異構酶的異構化活性用于高效酶促生產(chǎn)乳果糖[41]。一年后，該團隊在硼酸鹽存在下的乳糖溶液中使用Casa-CE產(chǎn)生乳果糖[42]，轉化率提升至88%，是通過化學或生物合成所實現(xiàn)的最高水平。然而，從反應產(chǎn)物中除去硼酸鹽是困難且昂貴的。加入硼酸鹽還會導致環(huán)境污染和安全問題，這就失去了生物法的優(yōu)點。而在沒有硼酸的條件下，2016年，Shen等經(jīng)過四輪隨機誘變和篩選[43]，獲得最佳突變體G4-C5，乳果糖產(chǎn)量增加至約76%。由于生產(chǎn)乳果糖溫度較高，以前認為來自于嗜熱微生物的纖維二糖2-差向異構酶才能應用于乳果糖的生產(chǎn)，2017年，Kuschel等發(fā)現(xiàn)來自于嗜溫微生物的纖維二糖2-差向異構酶也可以發(fā)生異構化反應生成乳果糖[44]，這可能意味著所有的纖維二糖2-差向異構酶都有異構化活性，只是活力的高低有區(qū)別而已。

2.3 纖維二糖2-差向異構酶在乳制品中的應用

隨著對乳糖衍生物中功能性稀有糖的研究與開發(fā)，近年來，研究工作集中于在工業(yè)相關溫度下直接在原料乳中生產(chǎn)所需要的乳糖衍生物，為特定的乳制品引入附加價值。與乳糖相比，其功能性衍生物具有更高的價值，不僅可以避免部分人群對乳糖的不耐受，還可以在食用乳制品的同時攝取到具有功能性的乳糖衍生物，同時也減少了從原乳中提取乳糖的步驟。此舉不僅可以產(chǎn)生具有益生元特性的富含功能性乳糖衍生物的乳制品或益生元產(chǎn)品制劑，還可以擴大功能性食品范圍，提供了將乳清或乳清滲透物等副產(chǎn)物轉化為有價值的益生元產(chǎn)品的機會，提高副產(chǎn)品乳清的價值。根據(jù)制作工藝的不同，獲得含有不同乳糖衍生物的乳制品，從而讓有不同需求的人們有選擇性地購買。

將纖維二糖2-差向異構酶運用到乳制品的生產(chǎn)工業(yè)中有兩個關鍵問題需要解決，首先是安全問題，使用食品級菌生產(chǎn)的CE能消除致病菌所產(chǎn)生的安全隱患，且使用過程中不需要添加抗生素，能避免抗生素的濫用，作者利用營養(yǎng)缺陷型枯草芽孢桿菌宿主構建了生產(chǎn)CE的食品級工程菌，能夠安全進行CE的生產(chǎn)，使其能夠直接應用于乳制品的乳糖轉化[33，45]。

第二個關鍵問題在于乳品的保質(zhì)期較短，并且成分復雜，想要快速，便捷，減少副產(chǎn)物的生成來獲得目的乳糖衍生物，就需要尋找在低溫下有高效酶活的纖維二糖2-差向異構酶。乳制品的工業(yè)生產(chǎn)一般在8℃低溫下進行以避免其他微生物污染或化學副反應的發(fā)生。而在此低溫下大多數(shù)酶的活性一般較低，直接導致生產(chǎn)效率低下。2014年，Krewinkel等[46]發(fā)現(xiàn)來自2種嗜溫微生物，約氏黃桿菌和肝素桿菌的纖維二糖2-差向異構酶，這兩種酶在低溫下都具有相當?shù)幕钚?，能夠在復雜的牛奶系統(tǒng)中將乳糖轉化成依匹乳糖，且沒有檢測到其他副產(chǎn)物的生成。該團隊在2015年[47]將來自無色單胞菌的CE在12 L的攪拌罐反應器中生產(chǎn)并使用自動系統(tǒng)對酶進行純化。以此規(guī)模的酶的生產(chǎn)和純化來表明，纖維二糖2-差向異構酶生產(chǎn)的升級，及其在食品工業(yè)中應用的可能性。酶促反應在原料乳中的應用可能導致其被整合到乳制品的加工中，而在該過程結束后，通過超高溫短時滅菌的處理使纖維二糖2-差向異構酶失活，同時這也是工業(yè)上乳制品滅菌必須要經(jīng)過的步驟。同樣在2015年，Rentschler等人[15]從一種嗜熱纖維素分解菌中分離得到的纖維二糖2-差向異構酶首次在工業(yè)相關溫度下直接在牛奶中產(chǎn)生乳果糖。每升牛奶中最多可產(chǎn)生28.0 g的乳果糖。通常酶的穩(wěn)定性與其在低溫下的酶活成反相關，酶的穩(wěn)定性越好，柔韌性就更弱，在低溫下與底物結合能力也越弱。因此為了提升纖維二糖2-差向異構酶在低溫下的酶活，就應當結合蛋白結構的信息，對酶的某些氨基酸殘基進行分子改造，以提升蛋白質(zhì)的柔韌性。這種分子改造策略與尋找耐高溫酶的策略相反，目前還沒有人進行此類的報道，需要未來進行更多的嘗試。

3 展望

功能性糖的興起將減少高熱值的甜味化合物如蔗糖的使用，減少了患糖尿病等疾病的風險。也符合現(xiàn)在低卡路里和低糖的生活觀念。對纖維二糖2-差向異構酶催化反應的研究為合成乳糖衍生物提供了新的方向。酶促反應沒有額外的底物，也沒有冗長的步驟，純化簡單，高效環(huán)保。酶促反應生產(chǎn)將成為未來功能性食品原料生產(chǎn)的主要趨勢。酶工程技術是發(fā)現(xiàn)新酶及提高酶學性質(zhì)最有力的工具。當前纖維二糖2-差向異構酶的結構和突變實驗還比較少，隨著未來通過進一步的實驗，全面了解纖維二糖2-差向異構酶的結構-功能關系和酶促催化機理，相信乳糖衍生物行業(yè)面貌將煥然一新。