β-葡萄糖苷酶的研究進(jìn)展

孫 智

（1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué)，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(guān)配基。1837年研究人員在苦杏仁中發(fā)現(xiàn)了β-葡萄糖苷酶，隨后研究調(diào)查得出β-葡萄糖苷酶在植物和昆蟲及細(xì)菌體內(nèi)廣泛存在，β-葡萄糖苷酶參與了生物體內(nèi)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(guān)酶系。哺乳動物和人體內(nèi)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(fēng)味前體物質(zhì)水解為有濃郁天然風(fēng)味的香氣物質(zhì)，可以協(xié)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(jù)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(jù)酶的結(jié)構(gòu)和催化結(jié)構(gòu)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(dāng)中不可缺少的重要方面，隨著時代的進(jìn)步發(fā)展，像目前我國的醫(yī)療、食品乃至其他行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，都有β-葡萄糖苷酶的應(yīng)用身影。最為關(guān)鍵的是，在我國經(jīng)濟(jì)等方面迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，所帶來了環(huán)境污染問題，鑒于嚴(yán)重的環(huán)境能源危機(jī)下，社會各界人士對β-葡萄糖苷酶提出了極高的關(guān)注程度。通過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(zhì)工程視角下進(jìn)行分析，已經(jīng)獲取到了良好的β-葡萄糖苷酶。行業(yè)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者已經(jīng)加緊開展了β-葡萄糖苷酶分子生物學(xué)的研究分析工作，從基礎(chǔ)領(lǐng)域研究酶的催化機(jī)制及表達(dá)調(diào)控機(jī)制，以期更好地改善纖維素酶的催化效率。在不斷優(yōu)化調(diào)整的表達(dá)系統(tǒng)當(dāng)中，β葡萄糖苷酶已經(jīng)在大腸桿菌和酵母菌中得到高效表達(dá)。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(dá)的報道。為了能夠發(fā)揮出β-葡萄糖苷酶的應(yīng)用價值，進(jìn)行了深入的分析。

2 β-葡萄糖苷酶的酶學(xué)性質(zhì)

2.1 β-葡萄糖苷酶的底物特異性

多數(shù)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?qū)ο趸?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(gòu)建高效表達(dá)的載體實現(xiàn)基因表達(dá)的情況下，有效測定分析所得表達(dá)產(chǎn)物的酶學(xué)性質(zhì)，為飼用纖維素酶的開發(fā)利用提供相關(guān)依據(jù)。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(guān)理論依據(jù)，對β-葡萄糖苷酶的提取及酶活性測定方法優(yōu)化，進(jìn)一步對該酶性質(zhì)初步分析。Jantaporn[5]研究認(rèn)為，β-葡萄糖苷酶與潛在水解非揮發(fā)性糖苷的葡萄酒香氣前體關(guān)系密切。

2.2 β-葡萄糖苷酶的最適pH和pH穩(wěn)定性

β-葡萄糖苷酶具有比較廣泛的pH適應(yīng)性和穩(wěn)定性特點，多數(shù)β-葡萄糖苷酶最適pH都呈現(xiàn)出偏酸性的特點，而僅僅少數(shù)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(rèn)為，木質(zhì)纖維素酶在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化及輕工業(yè)生成過程中存在著顯著的商業(yè)價值，而木質(zhì)纖維素酶對pH的低耐受性和低比活性，應(yīng)用成本高。β-葡萄糖苷酶（BGL）屬于木質(zhì)纖維素酶酶解過程中的限速酶，在對其研究的基礎(chǔ)上有效增強(qiáng)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(wěn)定性

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

3 β-葡萄糖苷酶的應(yīng)用

3.1 β-葡萄糖苷酶在改良果汁風(fēng)味中的應(yīng)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(fēng)味成分變化情況時，能夠得出果汁風(fēng)味成分都明顯提高，這就使得經(jīng)β-葡萄糖苷酶處理過的果汁香氣組成更為飽滿。彭邦遠(yuǎn)等[9]研究認(rèn)為，刺梨汁中檢測得到的游離態(tài)風(fēng)味物質(zhì)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(tài)風(fēng)味物質(zhì)，主要是以酮類和醛類為主且在鍵合態(tài)中也釋放出新的風(fēng)味物質(zhì)。高倩[10]研究認(rèn)為，經(jīng)過β-葡萄糖苷酶的作用，紅橙果汁中風(fēng)味的種類和含量都顯著增加，對紅橙果汁的風(fēng)味改善效果顯著，具有增香的作用。劉芳舒[11]研究認(rèn)為，杏仁β-葡萄糖苷酶可以更大程度上增強(qiáng)刺梨果汁風(fēng)味品質(zhì)，而刺梨果汁的最佳酶解工藝實施之后，果汁香氣物質(zhì)的成分及含量增加明顯，酶解后呈現(xiàn)香味的物質(zhì)提高約1.5倍，且增加了多種呈香成分，對刺梨汁香氣增強(qiáng)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(yīng)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(jīng)β-葡萄糖苷酶處理的果酒香氣更濃郁，風(fēng)味顯著提高。劉曉柱等[12]研究認(rèn)為，近年來我國在產(chǎn)β-葡萄糖苷酶釀酒微生物選育和β-葡萄糖苷酶應(yīng)用到酒類釀造領(lǐng)域中研究逐漸深入，進(jìn)一步擴(kuò)大β-葡萄糖苷酶菌種的選擇和應(yīng)用提供相關(guān)理論支撐。張陽等[13]研究認(rèn)為，對通過β-葡萄糖苷酶產(chǎn)生菌的篩選和酶固定化技術(shù)等不同策略提高β-葡萄糖苷酶在葡萄酒活性及穩(wěn)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(rèn)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(zhì)和風(fēng)味都得到增強(qiáng)。王鳳梅等[15]研究認(rèn)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(zhì)，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(yīng)用

在纖維轉(zhuǎn)化為葡萄糖的作用機(jī)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(fā)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(xiàn)象。詹雪娟[16]研究認(rèn)為，β-葡萄糖苷酶具有強(qiáng)化酶解的作用，可以高效纖維素酶制劑的改造和構(gòu)建提供更多思路。

4 結(jié)束語

隨著基因組學(xué)技術(shù)的實際應(yīng)用和全基因組序列測序技術(shù)的不斷發(fā)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(jié)合序列篩查和定位分析等技術(shù)的情況下，獲取的新型β-葡萄糖苷酶得以增加，以往國內(nèi)對β-葡萄糖苷酶相關(guān)領(lǐng)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(guān)注β-葡萄糖苷酶在各個領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用中的效率和酶的催化機(jī)理等內(nèi)容，充分激發(fā)出β-葡萄糖苷酶所具有的功效。