[科普中国]-原果胶酶

原果胶酶(Protopectinase)是可以催化原果胶水解的一类酶。

基本信息使原果胶水解形成水溶性果胶或果胶酯酸的酶。见于高等植物的果实、根、叶以及霉菌和细菌中，认为植物组织的分解、软化与此有关。然而对原果胶具有特异酶的存在并未得到证实，可认为是由于多聚半乳糖酶（polygalacturonase）和果胶反式消去酶（pectin transeliminase）的作用。

原果胶酶的作用机理原果胶是植物体内水溶性果胶物质的母体。果胶是一种杂多糖类高分子化合物,D-半乳糖醛酸(或部分甲酯化的 D-半乳糖醛酸)通过 α-1 , 4-糖苷键连成主链, 在主链中常间或地插入了一些 α-L-吡喃鼠李糖残基 、阿拉伯聚糖 、半乳聚糖 、阿拉伯半乳聚糖等形成侧链,将果胶分子与蛋白质 、半纤维素以及纤维素连在一起, 形成不溶性的原果胶。 —般认为, 在植物细胞壁中的原果胶是由同型半乳糖醛酸区(光滑区)以及带有中性糖侧链的鼠李聚糖半乳糖醛酸骨架(发区)组成, 通过适当的降解可生成果胶与果胶酸。1

到目前为止, 所研究的一些微生物原果胶酶依其作用机理可分为两类 :A 型原果胶酶, B 型原果胶酶。

A 型原果胶酶主要作用于原果胶分子中的“光滑区” 。迄今为止 ,发现了两类 A 型原果胶酶 。(1)A1 型原果胶酶:这类酶是一类内多聚半乳糖醛酸酶 ,能水解多聚半乳糖醛酸 ,对各种来源的原果胶分子均有作用。现已从一些酵母以及酵母状真菌:Kluyvermyces fragilis IFO0288, Galactomycesreessii L和 Trichosporon penicillatum SNO3发酵液中结晶分离出这类酶 ,依次称为 PPase-F ,-L 和-S 。另外 ,在一些霉菌如 :Aspergillus awamori的发酵液中也分离纯化到这种酶 。(2)A2 型原果胶酶:Sakamoto 等从 Bacillussubtilis IFO 3134的发酵液中分离到两种 A2 型原果胶酶(PPase-N ,-R),PPase-N 能通过反式消去反应断开聚半乳糖醛酸链,而 PPase-R 对聚甲酯化半乳糖醛酸表现出很强的活性。

B 型原果胶酶作用于原果胶分子中“发区”中的不同部位, 这类酶对底物的作用专一性较强 。Sakai等在 Bacillus subtilus 发酵液中发现了原果胶酶(PPase-C),能断开阿拉伯半乳聚糖中α-1 , 5-L-阿拉伯呋喃糖苷与阿拉伯聚糖间的键 ,切断果胶与细胞壁间的连接 ,释放果胶。 PPase-C 对甜菜根, 苹果皮中的原果胶有很强的作用活性。此外, 从 Trameetes sanguinea 纯化到一种原果胶酶(PPase-T),能断开原果胶分子中 “Galactopy ranosy kuronic” 与“ Rhamnopy ranosyl” 间的 连结。PPase-T 对 Hassaku 柑桔皮以及胡萝卜中的原果胶有很强的作用活性 ,但当它作用于甜菜根以及苹果皮中的原果胶时 , 活性不高 。原果胶分子是一类复杂的大分子, 随着研究的深入, 可能会发现其它具有新的作用机理的原果胶酶。

微生物原果胶酶的酶学性质的研究原果胶酶是微生物产生的胞外酶, 各种微生物原果胶酶的分离纯化的方法基本相同 。通过将发酵液经减压浓缩,柱层析 ,电泳等生化技术己能将微生物原果胶酶纯化或部分纯化 。其在酶分离纯化以及产酶菌种的筛选中 ,酶活的测定方法一般是以咔唑硫酸的方法测定酶作用于原果胶后所生成的果胶物质的量来确定。此外, Sakai 等还进行 A1 型原果胶酶(A1-PPase)以及 Aureobasidium pullulans 中内聚半乳糖醛酸酶(PGase-AY)对原果胶以及聚半乳糖醛酸的亲和力研究 。PGase-AY 降解多聚半乳糖醛酸的作用很强 ,但对原果胶的作用很弱 。尽管 A1-PPase 与PGase-AY 对聚半乳糖醛酸有几乎相同的 Km 值 ,但它们对原果胶的 Km 却有很大的差异 , PGase-AY 几乎高出 A1-PPase 一个数量级。酶对原果胶亲和力的差异 ,在一定程度上可以说明此类原果胶酶可能是某些内聚半乳糖醛酸酶的特性。微生物原果胶酶对底物专一性的研究可以为不同作用机理原果胶酶的工业应用提供依据 ,同时也有利于深入分析原果胶的化学结构。

微生物原果胶酶调控的研究磷酸盐的诱导作用有些菌株需在一定的条件下才能产原果胶酶,如 :Bacillussubtilis 当培养基中磷酸盐浓度很低时,几乎不产酶 ,而当培养基中磷酸盐浓度高时,虽然抑制细菌的生长, 但是可以提高产酶量。Sakamoto 等对 Bacillus subtilis 裂解酶基因研究的结果表明, 该基因的表达受到高浓度的磷酸盐诱导。

pH 调节系统Aspergillus 中一些菌株能产生耐强酸的原果胶酶 , 且酶对 pH 的耐受程度受培养基中 pH 影响。目前认为在这种原果胶酶基因的启动子中存在着锌指转录因子 —PaCC 的结合部位 。当培养基中 pH 偏碱时, PaCC 有活性激活“碱性”基因的表达(表达产物耐碱), 抑抑制“酸性”基因的表达(表达产物耐酸) 。然而 , 关于 pH 调节的详细机理仍有待进一步研究。

微生物原果胶酶的应用微生物原果胶酶自1978发现已有四十年 , 到目前为止关于它的应用研究, 主要可归纳为以下几个方面。1

果胶生产:果胶在食品,化妆品以及医药中用途广泛, 它是一种重要的工业产品 。传统的工业化生产果胶主要是酸提取法。然而这一加工过程存在一些不足:残渣分离困难 , 设备易被腐蚀, 能源消耗很大,同时还产生大量酸性废弃物对环境造成污染 。利用原果胶酶能催化原果胶水解生成果胶这一性质, Sakai 等发明了利用产原果胶酶的酵母酶法生产果胶的工艺除了果胶产品中含有较多的中性糖外 , 酶法生产的果胶分子量较大 ,质量稳定, 果胶提取完全 ,发酵液中果皮不破碎, 也不需进行热、酸处理, 产品容易分离。该技术能有效地避免传统工业生产果胶的不足并已被申请专利 。近年, Hallaert 以及 Lee-Seung-Cheol 也进行了原果胶酶提取果胶的研究 ,取得良好的结果。

单细胞食品的制备 :原果胶酶,尤其是 T .penicillatum , A .awamori 以及 B .subtilis 中的原果胶酶 ,能作用于植物组织产生松散的单细胞。酶处理的蔬菜组织所获得的单细胞, 细胞完整 ,各种营养成分保存完好,表面及内部的张力较小而易与牛奶、酸奶 、冰淇淋、汤等混合 , 且易被胃蛋白酶以及胰凝乳蛋白酶消化 , 适宜用作老人 、婴儿以及病人的食品 ;细胞规格统一能赋予食品光滑的质地 ,这为新型蔬菜食品的生产提供了一种思路。

植物原生质体的制备 :Mitsui 等利用原果胶酶成功地制成了多种单子叶植物的叶肉原生质体, 它可用于植株的再生。

棉织品的生化精炼工业 :在传统的工业中, 棉织品的精炼都是通过在强碱(沸腾的 pH 为 14 的NaOH)中处理,然而这一过程中工作环境并不安全并且产生难处理的废弃物。原果胶酶应用于棉织品的精炼工业中,不仅能提供一个安全的工作环境 ,防止环境污染 , 而且能获纤维长 , 质地柔软的优质产品。

本词条内容贡献者为:

魏大勇 - 副教授 - 西南大学