殼聚糖酶的研究進(jìn)展

魯晶娣，韋盤秋，張興猛，黃錦祥，黎婭，伍時(shí)華，易弋*

(1．廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2．廣西科技大學(xué) 廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006；3．廣西科技大學(xué) 廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006)

1 概述

殼聚糖是一種具有獨(dú)特功能特性的天然陽離子聚合物，是由自然界中廣泛存在的甲殼素經(jīng)過脫乙酰作用得到的，主要由D-氨基葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成。大量研究表明殼聚糖在食品、化工、醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但由于殼聚糖的分子量較大，只能溶于某些酸性溶液中，阻礙了殼聚糖的有效利用。殼寡糖又名殼聚寡糖，是殼聚糖經(jīng)殼聚糖酶降解后的產(chǎn)物，具有分子量低，溶解性高，更容易被生物體吸收等特點(diǎn)，殼聚糖某些特殊功能只有將其降解成殼寡糖才能表現(xiàn)出來。

殼聚糖易受多種酶類的影響，這些酶類主要包括特異性(殼聚糖酶)和非特異性(碳水化物酶、蛋白酶、脂肪酶等)[1]。自1973年，Shimosaka等首先提取出殼聚糖酶以來，科研人員相繼從多種微生物(包括細(xì)菌、放線菌、真菌及病毒等)中分離、純化得到殼聚糖酶。2004年，酶命名委員會(huì)將殼聚糖酶(EC3.2.1.132，殼聚糖N-乙酰氨基葡萄糖水解酶)定義為能夠在部分乙?；瘹ぞ厶侵写呋猞?1,4糖苷鍵的酶。另外，還有一些非特異性酶如常見的碳水化合物酶、蛋白酶和脂肪酶也顯示出了對(duì)殼聚糖的水解能力。

2 殼聚糖酶的來源與分布

殼聚糖酶主要是由微生物和植物產(chǎn)生的，該酶在這些微生物和植物的營養(yǎng)和防御功能上起著重要的作用，于1973年在研究土壤中的細(xì)菌和真菌時(shí)首次發(fā)現(xiàn)。在過去30多年時(shí)間里，已經(jīng)有大量有關(guān)細(xì)菌、真菌以及植物中殼聚糖酶的結(jié)構(gòu)、純化和理化特性等方面研究的論文被報(bào)道[2]。

目前，從很多細(xì)菌中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)胞外殼聚糖酶，包括Bacillussp.[3-5]，Serratiasp.[6,7]，Janthinobacteriumsp.[8]，Paenibacillussp.，Acinetobactersp.[9]，Streptomycessp.[10]等。在這些細(xì)菌中，Bacillussp.和Streptomycessp.的研究最為廣泛，研究范圍包括酶的結(jié)構(gòu)和分子水平。真菌殼聚糖酶的研究很少，已經(jīng)報(bào)道的來源于真菌的殼聚糖酶包括Aspergillussp.，Gongronellasp.以及Trichodermasp.[11-14]。

藍(lán)藻是一類具有光合作用的原核生物，它們在生理、形態(tài)和發(fā)育特征上存在可變性。近期報(bào)道中，研究人員在AnabaenafertilissimaRPAN1菌株中發(fā)現(xiàn)抗真菌殼聚糖酶的存在，并且可以起到抑制真菌的作用[15]。

上述殼聚糖酶大多數(shù)來源于微生物，然而也有少數(shù)來源于植物。在洋蔥和韭菜根部發(fā)現(xiàn)殼聚糖酶活性物質(zhì)。Hsu等從冬筍中發(fā)現(xiàn)了2種具有熱穩(wěn)定性的殼聚糖酶[16]。

3 殼聚糖酶的定義與分類

殼聚糖酶是對(duì)殼聚糖具有專一性水解的酶，而不降解甲殼素。一些特定的酶，例如普通的碳水化合物、蛋白酶和脂肪酶對(duì)殼聚糖也有水解能力。根據(jù)殼聚糖酶水解底物的不同，將殼聚糖酶分為3類：第I類殼聚糖酶水解(GlcN-GlcN)和(GlcNAc-GlcN)兩種糖苷鍵，第II類殼聚糖酶只能水解(GlcN-GlcN)一種糖苷鍵，第III類殼聚糖酶能水解(GlcN-GlcN)和(GlcN-GlcNAc)兩種糖苷鍵(見圖1)。內(nèi)切水解GlcN-GlcN糖苷鍵是殼聚糖酶常見且唯一的特性，而不能催化GlcNAc-GlcNAc糖苷鍵。幾丁質(zhì)酶與殼聚糖酶差別很小，都可作用于不同程度的脫乙?；瘹ぞ厶?。兩種酶的區(qū)別在于：殼聚糖酶易降解脫乙?；臍ぞ厶?，幾丁質(zhì)酶更易降解乙?；臍ぞ厶?。

圖1 殼聚糖酶活性位點(diǎn)分類方式

根據(jù)氨基酸序列不同，可將殼聚糖酶分為5個(gè)糖苷水解酶家族，分別為:GH-5、GH-8、GH-46、GH-75和GH-80。在這些家族中，GH-75的成員主要來自真菌和放線菌，GH-46家族來自于Bacillus和Streptomyces的殼聚糖酶，其催化特性、酶反應(yīng)機(jī)理和蛋白結(jié)構(gòu)已被廣泛研究。

近年來，科研人員發(fā)現(xiàn)一種新型殼聚糖酶，該酶可從殼聚糖/殼寡糖的非還原末端水解GlcN，產(chǎn)生這種外切殼聚糖酶的微生物群已經(jīng)被報(bào)道[17]。2008年，酶命名法委員會(huì)定義了一種新的酶類——?dú)ぞ厶峭馇?1,4)-β-D-氨基葡萄糖苷酶)，這種酶也被稱為外切殼聚糖酶，該酶可以水解GlcN-GlcNAc，但不能水解GlcNAc-GlcNAc。

4 殼聚糖酶發(fā)酵生產(chǎn)

通過微生物液態(tài)發(fā)酵或固態(tài)發(fā)酵得到胞外殼聚糖酶的產(chǎn)量。迄今為止，已報(bào)道的大多數(shù)殼聚糖酶都是可誘導(dǎo)生產(chǎn)的。膠體殼聚糖的誘導(dǎo)作用已經(jīng)被證實(shí)，在大多數(shù)的殼聚糖發(fā)酵工藝中都通過添加這一物質(zhì)來誘導(dǎo)殼聚糖酶的產(chǎn)生。在液態(tài)發(fā)酵中，殼聚糖粉、蝦殼粉也被作為誘導(dǎo)劑、碳源和氮源添加到培養(yǎng)基中。

為了大量生產(chǎn)殼聚糖酶以滿足其商業(yè)化需求，培養(yǎng)基配方以及發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化非常重要。為優(yōu)化發(fā)酵條件，Zhou 等對(duì)碳源、氮源、金屬離子、pH值、溫度等因素進(jìn)行了經(jīng)典的單因素研究。這些多重生長參數(shù)間的交互作用使我們很難控制發(fā)酵結(jié)果。響應(yīng)面方法學(xué)(RSM)是一種非常有用的統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)，可用于優(yōu)化復(fù)雜的化學(xué)、生物和食品的加工過程，在微生物酶生產(chǎn)的研究中也得到了廣泛關(guān)注，2012年，Zhang等人報(bào)道了利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法優(yōu)化殼聚糖酶的生產(chǎn)，結(jié)果顯示采用Aspergillussp. QD-2發(fā)酵生產(chǎn)殼聚糖酶，經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化，殼聚糖酶活性從26.5 U/mL提高到了85.8 U/mL 。

固態(tài)發(fā)酵通常被定義為微生物在沒有或基本沒有游離水的固態(tài)基質(zhì)上生長的發(fā)酵方式。固態(tài)發(fā)酵主要用于真菌發(fā)酵，得到的代謝物濃度較高，純化成本較低，Da 等報(bào)道了以昆蟲病原真菌Trichodermakoningi為菌種，采用固態(tài)發(fā)酵的方式生產(chǎn)殼聚糖酶，優(yōu)化后的殼聚糖酶產(chǎn)量達(dá)到了4.84 U/g(以培養(yǎng)基干重計(jì))，其研究表明了固體發(fā)酵對(duì)微生物殼聚糖酶生產(chǎn)的可行性。

5 酶的純化

在制備殼寡糖的工業(yè)生產(chǎn)中采用粗酶液，不需要采用純化的殼聚糖酶，但是為進(jìn)一步研究該酶的生化特性、功能結(jié)構(gòu)需要對(duì)該酶進(jìn)行純化。大多數(shù)情況下，該酶的純化采用硫酸銨或聚乙二醇進(jìn)行分級(jí)鹽析，通過使用離子交換及親和技術(shù)達(dá)到純化目的，最后通過SDS-PAGE進(jìn)行蛋白檢測純化。已經(jīng)有大量關(guān)于來自不同細(xì)菌和真菌的上清液中殼聚糖酶純化和特性的研究被報(bào)道。Zitouni等從Paenibacillussp.的培養(yǎng)濾液中分離、純化了一種耐熱的殼聚糖酶，采用冷丙酮沉淀、Q-SepHarose FF離子交換的方法從Paenibacillussp.1794的發(fā)酵上清液中純化了比酶活為122 U/mg的殼聚糖酶。

6 殼聚糖酶理化性質(zhì)

來源不同的殼聚糖酶，其基本生化特性也會(huì)有所不同，這些酶的生化特性已經(jīng)得到深入的研究和報(bào)道。

6.1 分子量

大部分殼聚糖酶的分子量較低，目前發(fā)現(xiàn)分子量約在20～75 kDa之間。Wang 等從AspergillusfumigatusKH-94中獲得一個(gè)分子量大約為108 kDa的殼聚糖酶，具有很高的分子量。Zitouni等從PenicilliumchrysogenumAS51D中獲得的殼聚糖酶存在2種形式，分別為30，31 kDa。

6.2 最適溫度、PH、金屬離子

從微生物中分離的殼聚糖酶的最適pH值在4.0～8.0之間。據(jù)報(bào)道，從Gongronellasp. JG和Aspergillussp. QD-2中分離得到的殼聚糖酶的最適的pH值為5.6，偏酸，紫色桿菌屬中分離得到的殼聚糖酶最適的pH值在5.0～7.0之間。Gupta等從Anabaenafertilissima中獲到的殼聚糖酶的最適的pH在7.5左右，偏堿性的酶。

殼聚糖酶的最適溫度主要在30～60 ℃之間。Johnsen等從Janthinobacteriumsp. 4239中分離出一種冷活性殼聚糖酶在10～30 ℃條件下可以保留30%～70%的酶活性。大多數(shù)被報(bào)道的殼聚糖酶在自然界中都是嗜溫的，然而熱穩(wěn)定的殼聚糖酶很少有報(bào)道。眾所周知，耐高溫的殼聚糖酶在工業(yè)生產(chǎn)中有很多優(yōu)勢，高溫條件下，反應(yīng)進(jìn)程加快，液體黏度降低，微生物污染率也會(huì)降低。Chen等報(bào)道了從A.fumigates中分離的一種殼聚糖酶，80 ℃下半衰期為205 h，90 ℃下為1 h，100 ℃下為32 min，這種具有熱穩(wěn)定性的酶在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上更具有優(yōu)勢[18]。

不同金屬離子對(duì)殼聚糖酶酶活性的影響，Mg2+，Ca2+，Zn2 +，Mn2+，K+，Na+和Cu2+等離子是該酶的激活劑，F(xiàn)e2+，Hg2+，Co2+和Ag+等離子對(duì)該酶有強(qiáng)烈的抑制作用。例如Wang等在研究SerratiamarcescensTKU011菌株中得出Mn2+，Cu2 +也可作為該酶的抑制劑。

6.3 酶的水解

以從酶產(chǎn)物中獲得的還原端糖的C1質(zhì)子的異構(gòu)體為基礎(chǔ)，不同家族的殼聚糖酶分為：“retaining”和“inverting”(見圖2)兩種催化類型。采用“retaining”催化的糖苷水解酶在對(duì)底物進(jìn)行水解時(shí)分為兩步，發(fā)生了一個(gè)兩步雙置換反應(yīng)，在這個(gè)反應(yīng)中，兩個(gè)必需氨基酸殘基一個(gè)用作親核試劑，另一個(gè)作為酸/堿基團(tuán)參與了反應(yīng)。與此相反，采用“inverting”催化型的糖苷水解酶在對(duì)底物進(jìn)行水解時(shí)發(fā)生了一個(gè)單置換反應(yīng)。該反應(yīng)需要酸/堿基團(tuán)的輔助，堿性基團(tuán)極化了一個(gè)水分子形成更強(qiáng)的親核基團(tuán)去攻擊糖苷鍵上的碳原子，而酸性基團(tuán)質(zhì)子化糖苷鍵上的氧原子來加速這個(gè)反應(yīng)。Fukamizo等發(fā)現(xiàn)Glu22是質(zhì)子供體，Asp40活化水分子以攻擊底物中葡萄糖胺上的碳原子。

圖2 殼聚糖酶催化機(jī)制

6.4 酶的誘導(dǎo)劑

大多數(shù)來源于微生物的殼聚糖酶都受到膠體殼聚糖的誘導(dǎo)，使用膠體殼聚糖作為培養(yǎng)基補(bǔ)充成分在殼聚糖生產(chǎn)中是一種常見的方法。另外，殼聚糖粉末、魷魚粉末和蝦殼粉等不同底物能促使殼聚糖酶誘導(dǎo)產(chǎn)生。然而，殼聚糖黏度高，具有抗菌作用，會(huì)抑制微生物的生長，在加熱殺菌過程中也會(huì)與其他化合物發(fā)生反應(yīng)，因此采用不需要?dú)ぞ厶堑恼T導(dǎo)能產(chǎn)生殼聚糖酶的微生物發(fā)酵生產(chǎn)殼聚糖酶具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，非誘導(dǎo)型殼聚糖酶在發(fā)酵過程中不需要在培養(yǎng)基中加入殼聚糖作為誘導(dǎo)劑具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。從Bacillussp.MET 1299中分離出的組成型殼聚糖酶也有類似的報(bào)道。

6.5 酶的結(jié)構(gòu)

Marcotte等首次介紹了一種從鏈霉菌N174中提取的抗真菌殼聚糖酶的x射線結(jié)構(gòu)[19]，該殼聚糖酶呈啞鈴狀，長度55?，包含兩個(gè)球狀的區(qū)域，兩個(gè)球狀區(qū)域是由一段氨基酸組成的螺旋連接，形成一個(gè)10?寬、12?深的裂縫。殼聚糖酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括10α螺旋和3個(gè)β螺旋，α螺旋約占整個(gè)結(jié)構(gòu)的64%。殼聚糖酶的表面電荷分析顯示結(jié)合裂縫附近主要是負(fù)電荷，有利于結(jié)合帶正電荷的殼聚糖底物，但是幾丁質(zhì)酶的裂縫是中性的。殼聚糖與活性位點(diǎn)的結(jié)合表明，底物結(jié)合和催化機(jī)制可能類似于其他糖水解酶。在殼聚糖酶中確定了6個(gè)糖結(jié)合位點(diǎn)，糖苷鍵斷裂可能發(fā)生在其中兩個(gè)位點(diǎn)和底物之間的糖苷鍵相互作用上。x射線結(jié)構(gòu)表明，Glu22和Asp40對(duì)催化功能很重要。

隨后Saito等[20]報(bào)道了從環(huán)狀芽孢桿菌MH-K1中分離得到殼聚糖酶是一種由259個(gè)氨基酸組成的分量為29 kDa的胞外酶。該酶包括14個(gè)α螺旋和5個(gè)β螺旋，有上部和下部兩個(gè)球狀的結(jié)構(gòu)域，產(chǎn)生底物結(jié)合活性位點(diǎn)裂縫。該殼聚糖酶與來源于鏈霉菌N174的殼聚糖酶在氨基酸序列上僅有20%的相似，但在空間結(jié)構(gòu)上非常相似。通過比對(duì)上述兩種殼聚糖酶結(jié)構(gòu)，兩者有三處明顯差異，此外，該酶在Cys50和Cys124之間的二硫鍵是由β1折疊和α7螺旋連接，這樣的結(jié)構(gòu)在其他殼聚糖酶中并不保守。連接兩個(gè)球狀結(jié)構(gòu)域的兩條螺旋在方向上不同，這兩條螺旋也決定著兩種酶的裂縫在大小和形狀上的不同。在裂縫活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)差異是酶特異性識(shí)別不同底物并降解不同類型殼聚糖的原因。

7 克隆和遺傳改進(jìn)

通過對(duì)殼聚糖酶基因的克隆，科研工作人員對(duì)殼聚糖酶的序列、特性、超表達(dá)、誘導(dǎo)模式以及酶工程等方面進(jìn)行了大量研究。不同細(xì)菌和真菌中的殼聚糖酶基因已被克隆，主要在Escherichiacoli或Pichiapistoris中表達(dá)。近年來，來源于海洋中的Pseudomonassp.OUC1的殼聚糖酶基因被克隆，并在Yarrowialipolytica中實(shí)現(xiàn)了高表達(dá)，獲得的轉(zhuǎn)化株(9.0 U/mL)可以比非轉(zhuǎn)化株(4.3 U/mL)分泌更多的殼聚糖酶[21]。在EscherichiacoliBL21(DE3)[22]中表達(dá)的N-末端融合了6×His標(biāo)簽的來源于芽孢桿菌的GH-8家族殼聚糖酶以可溶性形式存在，其表達(dá)水平高達(dá)500 mg/L，酶活性可達(dá)到140 U/mL。該酶可以有效地將殼聚糖轉(zhuǎn)化為游離的殼寡糖：1 g酶可以水解約100 kg殼聚糖。

據(jù)報(bào)道，耐熱的抗真菌B.subtilis殼聚糖酶(csnv26)已在Escherichiacoli中實(shí)現(xiàn)異源分泌表達(dá)[23]，對(duì)編碼殼聚糖酶的基因csnv26進(jìn)行擴(kuò)增并克隆到載體pBAD中，并在Escherichiacolitop10中表達(dá)。通過對(duì)重組蛋白的SDS-PAGE和酶譜分析，結(jié)果顯示重組蛋白分子量大小約為27 kDa。重組菌所分泌的蛋白產(chǎn)量高達(dá)6.2 g/L。

由于真核基因不易改造，所以有關(guān)真菌殼聚糖酶的基因改良方面的報(bào)道少于細(xì)菌。Liu等人報(bào)道了來自Fusariumsolani0114的殼聚糖酶基因在Saccharomycescerevisiae工業(yè)菌株中表達(dá)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。Chen等人將煙曲霉菌內(nèi)切殼聚糖酶基因在PichiapastorisGS115表達(dá)，酶活結(jié)果顯示該酶在80 ℃下半衰期為205 h，在90 ℃下為1 h，在100 ℃下為32 min，是一種熱穩(wěn)定性極強(qiáng)的殼聚糖酶。

Zhu等[24]通過反向pcr克隆了從Penicilliumsp.D-1的殼聚糖酶編碼，對(duì)其進(jìn)行cDNA序列分析，在基因中并未發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子，因此推斷酶由250個(gè)氨基酸組成，其中包括由20個(gè)氨基酸所組成的信號(hào)肽，并且該蛋白序列與TalaromycesstipitatusB8M2R4中的GH75家族的殼聚糖酶相似度達(dá)到了83.6%，且這種酶已在Escherichiacoli中實(shí)現(xiàn)了大量表達(dá)。

8 殼聚糖酶生物學(xué)功能及應(yīng)用

微生物產(chǎn)生的殼聚糖酶具有多種生物學(xué)活性，殼聚糖降解微生物廣泛分布于自然界中，微生物通過分泌殼聚糖酶降解殼聚糖以達(dá)到需求。殼聚糖酶常常和幾丁質(zhì)酶、幾丁質(zhì)脫乙酰酶和氨基葡萄糖酶等酶的共同使用，來降解回收甲殼類動(dòng)物的貝殼。殼聚糖是接合真菌細(xì)胞壁中主要的結(jié)構(gòu)成分，殼聚糖酶在其細(xì)胞壁降解和形態(tài)中起著重要作用。

殼聚糖酶應(yīng)用廣泛[25]，最為重要的用途是生產(chǎn)殼寡糖。殼聚糖酶水解產(chǎn)生的殼寡糖分子量更易控制且條件溫和，殼聚糖酶水解獲得的殼寡糖分子量一般低于10 kDa，且更易溶于水，優(yōu)于天然的殼寡糖。殼寡糖比殼聚糖有更好的生物功能，例如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)θ梭w的免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血脂、調(diào)節(jié)血糖、改善肝臟和心肺功能等。此外，殼寡糖在食品行業(yè)還具有重要的應(yīng)用價(jià)值，有助于改善腸道，從而促進(jìn)人體吸收營養(yǎng)物質(zhì)；可用于生產(chǎn)調(diào)味品，代替市場上一些如苯甲酸鈉等化學(xué)添加劑；可用于生產(chǎn)飲料，具有減肥、美容養(yǎng)顏、調(diào)節(jié)免疫功能等作用；可用于蔬菜、水果的保鮮，且具有抗菌防腐的功效。

大量的海產(chǎn)品工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的甲殼類廢棄物，處理這些廢棄物會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問題[26]。近年來，產(chǎn)殼聚糖酶的微生物在甲殼類廢料處理中得到廣泛的應(yīng)用，如酶和抗氧化劑的生產(chǎn)。

殼聚糖是真菌細(xì)胞壁中主要的結(jié)構(gòu)成分，其中一種應(yīng)用是利用殼聚糖酶降解細(xì)胞壁中的殼聚糖制備原生質(zhì)體[27]。殼聚糖酶也是殼聚糖介導(dǎo)的基因傳遞，提高細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率。

利用微生物或其組分抑制植物病害的生物防治可代替化學(xué)殺真菌劑，也是一種生態(tài)的、有效的農(nóng)業(yè)病原菌防治方法。幾個(gè)研究小組報(bào)道了殼聚糖酶的體外抗真菌活性，它們可用于提高植物對(duì)不同植物病原真菌的抗性[28-30]。Kouzai等人報(bào)道了殼聚糖酶活性在植物抗病性中的分子機(jī)制。植物病原真菌在感染過程中改變細(xì)胞壁成分，避免宿主裂解酶降解，細(xì)胞壁幾丁質(zhì)向殼聚糖的轉(zhuǎn)化可能是病原體的感染原因之一。

9 展望

殼聚糖酶不僅是用于制備具有生物活性物質(zhì)殼寡糖的關(guān)鍵酶，與此同時(shí)殼聚糖酶在植物病原體的生物防治方面也發(fā)揮著重要作用。殼聚糖酶得到廣泛應(yīng)用依賴于以合理的成本生產(chǎn)高活性酶。近年來，殼聚糖酶相關(guān)的研究熱點(diǎn)也集中在嗜熱殼聚糖酶的開發(fā)。其來源主要是通過對(duì)嗜熱微生物的直接提取或在其基因水平進(jìn)行修飾而獲得具有熱穩(wěn)定性的殼聚糖酶。利用微生物產(chǎn)生的殼聚糖酶處理甲殼質(zhì)廢棄物不僅能消除其對(duì)環(huán)境的污染，還能增加經(jīng)濟(jì)效益。在不久的將來，逐漸深入地對(duì)殼聚糖酶的分子機(jī)制及生化性質(zhì)的研究，將促使殼聚糖酶在各行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。