纖維二糖差向異構(gòu)酶的研究與應用概述

徐錚，諸亞鋒

(南京工業(yè)大學 食品與輕工學院，江蘇 南京，211816)

差向異構(gòu)體是指一對旋光異構(gòu)體中只有一個手性碳的構(gòu)型不同，如D-葡萄糖和D-甘露糖，而執(zhí)行差向異構(gòu)反應的酶即為差向異構(gòu)酶(epimerase)[1]。纖維二糖差向異構(gòu)酶(cellobiose 2-epimerase，CE酶，EC 5.1.3.11)可以有效催化多個底物，如催化纖維二糖產(chǎn)生4-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-甘露糖和4-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-果糖，或催化D-葡萄糖為D-甘露糖和D-果糖，或催化乳糖為乳果糖和依匹乳糖[2]。其中，產(chǎn)物乳果糖(lactulose)其濃縮液形式可作為治療便秘和肝性腦病的非處方藥物[3-7]，也可以作為腸道益生元促進結(jié)腸中的雙歧桿菌和乳酸菌生長，同時抑制沙門氏菌和梭菌等有害菌繁殖[8-11],具有實際應用價值。乳果糖的工業(yè)化生產(chǎn)長期以來依靠化學催化法，即通過強堿性的試劑如氫氧化物、硼酸、偏鋁酸鈉等催化乳糖來實現(xiàn)異構(gòu)化[12-15],其存在的問題包括轉(zhuǎn)化率低(如使用氫氧化物催化，轉(zhuǎn)化率一般不超過30%)、產(chǎn)生污染、色素和副產(chǎn)物多和產(chǎn)品下游分離困難(如使用硼酸和偏鋁酸鈉，除硼或除鋁則較為困難)等問題[16]。比較而言，生物法制備技術(shù)更具有優(yōu)勢。早期發(fā)現(xiàn),β-半乳糖苷酶通過轉(zhuǎn)糖苷作用可以催化乳糖和D-果糖產(chǎn)生乳果糖，但轉(zhuǎn)化率較低，不具備產(chǎn)業(yè)化前景[17]。近年來發(fā)現(xiàn)CE酶可作為生物法制備乳果糖的工業(yè)酶，具有高效、反應條件溫和、無污染等優(yōu)點，已得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

1 常溫型CE酶的研究

常溫型CE酶的催化溫度較低，一般在30～50 ℃，已報道的酶源包括Ruminococcusalbus、Bacteroidesfragilis、Cellulosilyticumlentocellum、Dyadobacterfermentans、Dysgonomonasgadei、Flavobacteriumjohnsoniae、Pedobacterheparinus、Eubacteriumcellulosolvens、Saccharophagusdegradans等[18-23]，這類CE酶催化乳糖的產(chǎn)物只有依匹乳糖(表1)。由于依匹乳糖尚沒有商業(yè)用途，因此針對這類酶的開發(fā)停留在實驗室階段。KREWINKEL等[22]嘗試使用常溫型CE酶(C.lentocellum和D.gadei來源)催化牛奶超濾液中的乳糖來產(chǎn)生依匹乳糖，催化形式為固定化酶膜反應器EMR，低溫(8 ℃)反應，催化28 h后轉(zhuǎn)化率達29.9%。SABURI等[24]利用R.albusNE1來源的CE酶催化乳糖獲得依匹乳糖，催化完成后經(jīng)過4個步驟成功純化獲得了純度91.1%的依匹乳糖，包括:(1)濃縮結(jié)晶法去除大部分乳糖；(2)β-半乳糖苷酶水解剩余乳糖；(3)酵母發(fā)酵去除水解產(chǎn)生的單糖；(4)Na-型陽離子交換樹脂純化出依匹乳糖，4個步驟獲得依匹乳糖的總收率為42.5%。以上研究表明，利用常溫型CE酶制備依匹乳糖的工藝路線已經(jīng)建立，而針對依匹乳糖性質(zhì)的研究又表明其具有一定的益生元功效[25-27]。因此，依匹乳糖在未來也可能被開發(fā)為一種腸道益生元而為人類健康做出貢獻。

表1 部分常溫型CE酶的性質(zhì)比較Table 1 Comparison of the properties of mesophilic CE enzymes

2 嗜熱型CE酶的研究

嗜熱型CE酶的催化溫度較高，一般在60～85 ℃；已報道的酶源有Caldicellulosiruptorsaccharolyticus、Caldicellulosiruptorobsidiansis、Dictyoglomusturgidum、Dictyoglomusthermophilum、Rhodothermusmarinus、Thermoanaerobacteriumsaccharolyticum等幾例[28-37]，主要來自于熱解纖維素果汁桿菌屬、網(wǎng)團菌屬、嗜熱厭氧桿菌屬等(表2)。C.saccharolyticusCE酶簡稱CSCE，該酶是最早被發(fā)現(xiàn)的嗜熱型CE酶。PARK等[28]首先發(fā)現(xiàn)CSCE可以催化單糖反應，如催化D-葡萄糖產(chǎn)生D-甘露糖以及D-果糖；KIM[29]研究發(fā)現(xiàn)CSCE對乳糖的催化效率較高，并且生成了醛酮糖異構(gòu)化產(chǎn)物乳果糖和差向異構(gòu)化產(chǎn)物依匹乳糖,這是首次發(fā)現(xiàn)β-半乳糖苷酶以外的酶源可以生成乳果糖，而且擁有較高的效率。純酶酶活力為30 U/mg，僅催化2 h對質(zhì)量濃度700 g/L乳糖的轉(zhuǎn)化率就達到58%；乳果糖質(zhì)量濃度為408 g/L，生產(chǎn)強度可達204 g/(L·h)，即4.9 kg/(L·d)。如此高的效率表明CE酶已具備商業(yè)化應用的潛力，然而該反應會同時產(chǎn)生一定量的副產(chǎn)物依匹乳糖，需要在產(chǎn)品下游分離過程中去除。例如CSCE可以產(chǎn)生15%的依匹乳糖，質(zhì)量為濃度107 g/L，生產(chǎn)強度54 g/(L·h)[29]。進一步研究發(fā)現(xiàn)在催化體系中加入硼酸可以降低依匹乳糖含量，原因是硼酸與乳果糖形成絡合物致其脫離反應體系，加速反應平衡向乳果糖生成方向移動，部分依匹乳糖也會轉(zhuǎn)化為乳果糖[33]。然而硼酸的加入量相對較大才能取得顯著效果，在下游分離步驟中去除硼的難度大，因此經(jīng)濟性仍有待考察。KIM等[31]挖掘了D.turgidum來源的CE酶(DTCE)，該酶最適催化溫度70 ℃，最適pH 7.0,催化乳糖產(chǎn)物中依匹乳糖占比12.8%，乳果糖占比54.3%。在70 ℃下的活性半衰期為55 h，kcat為89.4 min-1，Km為79.6 mmol/L，kcat/Km為1.12 L/(mmol·min)。CHEN等[32]研究了C.obsidiansis來源的CE酶(COCE)，該酶最適催化溫度70 ℃，最適pH 7.5，催化乳糖產(chǎn)物中依匹乳糖占比11%，乳果糖占比54%,其依匹乳糖含量在已報道文獻中較低，具有一定的優(yōu)勢。XIAO等[34]通過數(shù)據(jù)庫篩選和計算機模擬分析選擇了D.hermophilum來源CE酶(Dith-CE)并進行研究，結(jié)果表明Dith-CE的最適催化溫度85 ℃，最適pH 7.0，在70 ℃下的活性半衰期為99 h，體現(xiàn)了很強的熱穩(wěn)定性。對已挖掘的嗜熱型CE酶，研究者進行了催化工藝的開發(fā)，其中全細胞催化是一種較為便捷的方法。WANG等[38]利用乙醇透性化的重組大腸桿菌BL21(DE3)細胞催化生產(chǎn)乳果糖，細胞表達有CSCE基因。反應體系經(jīng)優(yōu)化后設為：催化溫度80 ℃，pH 7.5，酶用量12.5 U/mL，底物質(zhì)量濃度600 g/L。乳果糖最高轉(zhuǎn)化率為65.1%，產(chǎn)物質(zhì)量濃度390.59 g/L，研究還表明反應體系中加入磷酸鹽可以降低依匹乳糖的含量。

表2 部分嗜熱型CE酶的性質(zhì)比較Table 2 Comparison of properties of thermophilic CE enzymes

除以上產(chǎn)乳果糖為主的嗜熱型CE酶外，R.marinus、Spirochaetathermophila和T.saccharolyticum等來源CE酶也具有較高的催化溫度，但產(chǎn)物僅發(fā)現(xiàn)依匹乳糖[35-37]。因此，這類嗜熱酶催化乳糖后只發(fā)生了差向異構(gòu)化反應，而不具有醛酮糖異構(gòu)活性，其機理尚未可知。OJIMA等[36]研究了R.marinus來源CE酶(RMCE)，該酶最適反應溫度80 ℃，最適pH 6.3。該酶對底物乳糖的催化效率高于纖維二糖，分別為3.85和2.97 L/(mmol·s)。PARK等[37]表征了S.thermophila來源CE酶(STCE)，該酶最適反應溫度60 ℃，最適pH 7.0，在60 ℃的活性半衰期為124 h，催化乳糖后可產(chǎn)生依匹乳糖。CHEN等[35]報道了T.saccharolyticum來源CE酶(Thsa-CE)，該酶的最適反應溫度60 ℃，最適pH 7.0，純酶對乳糖的比酶活力為13.5 U/mg。催化200 mmol/L乳糖4 h可產(chǎn)生50 mmol/L依匹乳糖。有趣的是，嗜熱型CE酶還可以催化D-葡萄糖來獲取D-甘露糖，同時產(chǎn)生副產(chǎn)物D-果糖。顯然，這表明嗜熱型CE酶對單糖也同時具有差向異構(gòu)和醛酮糖異構(gòu)2種活性。PARK等[28]發(fā)現(xiàn)CSCE酶催化500 g/LD-葡萄糖后，可獲得75 g/L的D-甘露糖與47.5 g/L的D-果糖。近期研究表明D-甘露糖具有較高的抗癌活性[40]，因此其具備一定的商業(yè)價值，利用嗜熱型CE酶生產(chǎn)D-甘露糖的工藝還需要更多的基礎研究。

3 CE酶的結(jié)構(gòu)生物學研究

解析酶的結(jié)構(gòu)對于正確理解酶的催化機理，掌握其結(jié)構(gòu)改造規(guī)律至關(guān)重要。許多工業(yè)酶的晶體結(jié)構(gòu)獲得了解析，而具有相似性的不同來源酶結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)以分子模建為手段的計算機輔助分析。CE酶的首個晶體結(jié)構(gòu)由FUJIWARA等[40]完成解析(分辨率2.6 ?，圖1)，是來源于R.albus的CE酶(RACE)，該酶是單亞基酶，實測分子質(zhì)量43.1 kDa。其總體結(jié)構(gòu)為(α/α)6，即在內(nèi)部含有6個α螺旋，外部為6個與之反向平行排列的α螺旋，形狀接近正六邊形；酶的直徑55 ?，厚度40 ?，且其中的一側(cè)具有較多的loop狀結(jié)構(gòu)(圖1中綠色部分)，因此具有很大的柔性，活性中心口袋即位于此側(cè)。FUJIWARA等[41]也解析了嗜熱型CE酶的RMCE的晶體結(jié)構(gòu)，其中包含多個酶-小分子配體的復合物結(jié)構(gòu)，如依匹乳糖(產(chǎn)物)、纖維二糖醇(底物類似物)、葡萄糖基甘露糖(底物類似物)等。通過復合物晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)RMCE屬于烯二醇中間體催化機制，推測其催化纖維二糖的過程如下：在反應開始時，通過H390作為廣義酸或堿來打開葡萄糖基糖環(huán)(底物為乳糖時同樣打開葡萄糖基糖環(huán))；開環(huán)后再由H390殘基奪取糖鏈中C-2位的質(zhì)子形成烯二醇中間體(C1-C2間形成雙鍵)，然后再由H259提供質(zhì)子使得中間體發(fā)生轉(zhuǎn)化形成開環(huán)的產(chǎn)物，最終再經(jīng)過閉環(huán)反應成為終產(chǎn)物；H200也起到了穩(wěn)定反應中間體的作用[41]。相比較而言，RACE中組氨酸同樣是催化殘基：H243和H374扮演了廣義酸堿催化劑的角色，H184也被發(fā)現(xiàn)對催化起到關(guān)鍵作用。因此CE酶的底物催化過程主要是由3個組氨酸殘基配合完成的，組氨酸的不同質(zhì)子化狀態(tài)使得反應能夠以可逆的方式進行[40]。進一步對常溫型和嗜熱型CE酶在序列上進行了比較(圖2，包括RaCE、DgCE、FjCE、EcCE、CoCE、CsCE、DtCE、RmCE)，結(jié)果表明2種類型的CE酶在序列特征上并沒有顯著差異。FUJIWARA等[41]認為嗜熱型CE酶RMCE在高溫下較為穩(wěn)定是因為酶內(nèi)部具有較強的疏水相互作用，而且在表面具有較強的親水相互作用；這分別是因為RMCE具有很高比例的脯氨酸以及精氨酸所致。

圖1 RACE的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of RACE

圖2 常溫型和嗜熱型CE酶的一級序列比較Fig.2 Amino acid sequence analysis among mesophilic and thermophilic CE enzymes

4 CE酶的改造研究

蛋白質(zhì)工程改造是提升野生型酶性能的有效手段，可通過基于高通量篩選的定向進化或酶結(jié)構(gòu)分析的理性設計方法。已發(fā)表文獻針對CE酶的改造研究主要集中在提升酶活力、改善熱穩(wěn)定性和降低副產(chǎn)物比例等幾個方面，對酶活性中心的重要殘基功能進行了預測與驗證，結(jié)果如表3所示。SHEN等[42]對CSCE酶進行了定向進化改造，利用顯色法測定酶活力的步驟作為篩子，篩選到了突變體“G4-C5”。該突變體即五點突變體R5M/A12S/I52V/F231L/K328I，具有3倍于野生型酶的比酶活力(30 U/mg)，證明定向進化可以有效提升CE酶的活性。ITO等[43]分析了RACE(該酶以依匹乳糖為催化產(chǎn)物)的重要氨基酸殘基，結(jié)果表明無論底物是纖維二糖還是乳糖，R52、H243、E246、W249、W304、E308和H374殘基都是催化必需殘基，F(xiàn)114和W303也對催化有重要貢獻。PARK等[44]分析CSCE酶活性中心與甘露糖基團C-2位的作用情況，選擇Y114和N184兩個殘基位點進行飽和突變研究，結(jié)果表明在所得突變體中，Y114E催化200 g/L乳糖生產(chǎn)乳果糖的轉(zhuǎn)化率為43.5%(產(chǎn)物濃度質(zhì)量86.9 g/L)，盡管轉(zhuǎn)化率不高但依匹乳糖的質(zhì)量濃度僅為4.6 g/L(轉(zhuǎn)化率2.3%)，這可能是因為突變體喪失了大部分的差向異構(gòu)化能力。針對熱穩(wěn)定性的突變研究也有報道，SHEN等[45]發(fā)現(xiàn)雙位點突變E161D/N365P在高溫下的活性半衰期提高了4倍，最適反應溫度也從80 ℃提高到87.5 ℃，對底物乳糖的催化效率kcat/Km上升了29%。

表3 CE酶的分子改造研究結(jié)果Table 3 Results of protein engineering on CE enzymes

5 CE酶的固定化研究

固定化酶一般具有遠高于游離酶的活性半衰期，因此可以批次使用來實現(xiàn)成本的大幅下降；而且將固定化酶填充于反應器中可以方便操作，提升效率。固定化方法一般有吸附法、包埋法、交聯(lián)法和共價結(jié)合法等，常使用商業(yè)化樹脂、多孔玻璃珠、海藻酸鈉、卡拉膠和聚丙烯酰胺等材料作為固定化載體[46]。針對CE酶，已報道文獻主要通過商業(yè)化樹脂或非常規(guī)方法進行固定化。如WANG等[47]利用商業(yè)化的陶氏公司DuoliteTMA568樹脂固定化CSCE酶，這種樹脂屬于弱陰離子型，功能基團為-N-(R)2，顆粒大小為150～600 μm。由于CE酶的等電點一般偏酸性，因此在中性條件下帶負電可與陰離子樹脂結(jié)合，并進一步使用戊二醛進行交聯(lián)。該固定化酶在50 ℃下孵育12 h并未發(fā)現(xiàn)活性損失，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。重復使用15個批次以后，固定化酶保留了90%的活性。在催化過程中，固定化酶并未表現(xiàn)出低于游離酶的反應速率，在催化約4 h后反應進入化學平衡狀態(tài)，最終獲得58.3%的轉(zhuǎn)化率，乳果糖質(zhì)量濃度350 g/L。除常見載體外，微生物孢子也可以作為固定化CE酶的材料，GU等[48]將枯草芽孢桿菌孢子作為載體，利用孢子吸附CSCE酶，1011個孢子的吸附量可達1.47 mg。在4 h內(nèi)催化乳糖可以獲得395 g/L的乳果糖，該固定化酶體系使用8次后可以保留70%的酶活力。WU等[49]利用枯草芽孢桿菌表達系統(tǒng)分泌式表達CSCE酶，并將其固定化于EMR膜反應器，該固定化酶系統(tǒng)具有較好的催化效率及穩(wěn)定性，以乳清中的乳糖作為底物，經(jīng)過催化后轉(zhuǎn)化率達到58.5%，并能夠批次重復使用10次。以上結(jié)果表明CE酶的固定化可以獲得良好的效果，但使用批次與商業(yè)化的固定化酶相比還有差距，需要進一步的優(yōu)化研究。

6 不同宿主對CE酶的表達研究

由于大腸桿菌產(chǎn)內(nèi)毒素而且易感染噬菌體，因此用于生產(chǎn)醫(yī)藥產(chǎn)品或食品會帶來一系列問題；開發(fā)食品級表達宿主具有重要的學術(shù)和經(jīng)濟價值，常見的此類宿主包括枯草芽孢桿菌、畢赤酵母、釀酒酵母、解脂耶氏酵母和乳酸菌等。除了安全性問題以外，開發(fā)胞外分泌型表達系統(tǒng)對工業(yè)酶的應用極為重要；這是因為胞內(nèi)酶需要破胞過程才能夠更好的實現(xiàn)催化，而破胞后胞內(nèi)可溶性物質(zhì)(蛋白質(zhì)、核酸、脂類等)逸出會污染催化產(chǎn)物，其去除過程費時費力。逸出的蛋白質(zhì)會加重反應過程中的美拉德反應，給產(chǎn)品下游分離帶來困難。常見的分泌型表達系統(tǒng)包括酵母、絲狀真菌和枯草芽孢桿菌等，其中絲狀真菌的操作難度較大，而酵母和枯草芽孢桿菌具有很大的潛力，針對這類底盤微生物系統(tǒng)的表達研究將是助力CE酶應用的關(guān)鍵問題。其中,韓亮等[50]將CSCE基因在畢赤酵母中表達，獲得了有活性的發(fā)酵液，誘導144 h后的發(fā)酵液上清液酶活力達到0.42 U/mL。對重組酶純化后發(fā)現(xiàn)酶學性質(zhì)并沒有顯著變化，證明畢赤酵母系統(tǒng)既可以實現(xiàn)分泌表達又能夠保留CE酶的活性。王鑫淼等[51]將嗜熱網(wǎng)球菌(D.thermophilum)來源的CE酶基因通過pBSuL3載體轉(zhuǎn)化枯草芽孢桿菌并獲得表達，搖瓶最高酶活力達到12.3 U/mL，進一步在3 L發(fā)酵罐中獲得了56 U/mL的胞內(nèi)酶活力，比搖瓶提高了8倍。在此基礎上添加20 U/mL的酶液催化400 g/L的乳糖能夠獲得51%的轉(zhuǎn)化率，由此證明枯草芽孢桿菌也是適用于CE酶表達的微生物宿主。

7 展望

CE酶作為近幾年來才受到系統(tǒng)性研究的工業(yè)酶，已經(jīng)展現(xiàn)出了規(guī)?；瘧玫臐撡|(zhì)。隨著我國對環(huán)保事業(yè)的重視，污染較大的化學法工藝將被逐漸淘汰，利用酶法制備乳果糖的技術(shù)進展迅速，有望在不遠的將來成為乳果糖的主要制備方法。CE酶具有易表達、穩(wěn)定性好、催化機理清晰等優(yōu)勢，但也存在酶活力仍不夠高，野生型酶易產(chǎn)生副產(chǎn)物依匹乳糖等缺點。因此仍然需要更深入的研究，尤其是廣泛挖掘不同來源的CE酶，從中篩選出催化活力更高的酶源。CE酶具有較為獨特的催化特性，如常溫型CE酶在長時間催化后也可以產(chǎn)生乳果糖，其中的機制尚未有充分的解釋；而不產(chǎn)乳果糖的CE酶與高產(chǎn)乳果糖的酶源在一級序列上存在不低的相似度，因此活性口袋中殘基位點的區(qū)別造成了這種差異，還需要深入的研究。異構(gòu)酶在工業(yè)酶中的成功實例相對較少，其中最知名的是葡萄糖異構(gòu)酶(glucose isomerase,GI酶)制備果葡糖漿的工藝。根據(jù)這項工藝的經(jīng)驗，以固定化酶形式進行催化是非常必要的,主要原因在于異構(gòu)酶的酶活力在工業(yè)酶中并不突出，一般低于水解酶或氧化還原酶等，因此酶的用量較大。制備成固定化酶后可以實現(xiàn)多批次使用，如GI酶固定化后最高可獲得數(shù)百天的活性半衰期，這對于異構(gòu)酶工藝的制酶成本控制極為重要[52]?？傊?，CE酶作為新興的工業(yè)酶，已展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，相信該領(lǐng)域的科學研究將為乳果糖等產(chǎn)品的生物法技術(shù)提供堅實的理論基礎，在不遠的將來通過CE酶制備的乳果糖產(chǎn)品能夠為醫(yī)藥與食品行業(yè)做出貢獻。