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综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2011年第 2期
细菌果胶酶的研究进展
张菊
薛永常
(大连工业大学生物工程学院,大连 116034)


摘
要:
近些年来,国内外对细菌果胶酶的研究取得了很大的进展, 产果胶酶的新细菌菌种不断地被发现,细菌果胶酶
新的应用领域不断地被拓宽。细菌所产的果胶酶多为碱性,具有较好的热稳定性和较宽的酸碱作用范围, 被广泛应用于麻类
的生物脱胶、茶与咖啡发酵、造纸和果胶废水处理等领域中。细菌果胶酶工业生产具有投资少、成本低、无环境污染等优点。
简要概述产生果胶酶的细菌种类、细菌果胶酶的分类、已克隆的酶基因以及应用等内容。
关键词:
细菌
果胶酶
基因克隆
Research Progress on Pectinase from Bacteria
Zhang Ju
Xue Yongchang
(School of BiologicalEngineering, D alian P oly technic University, Dalian 116034)


Abstrac:t
In mo re one decade yea rs, the research about pectinase produced by bacter ia a t hom e and abroad has m ade great pro

g ress, new bacter ia l stra ins producing pectinase and new potential applications o f pectinase constan tly be ing excavated and discovered.
Pec tinase produced by bacter ia, m ostly a lka line, w ith better therm al stability and a w ider pH range, is w ide ly used in ram ie bio
de

gumm ing industria l pro cess, pape rm ak ing, co ffee and tea fe rm enta tions, pectin w astew ate r and other industrial areas. W hat
sm ore,
the pro cess o f industr ial production by bacter ia l pectinase has a large o f advantage, such as low investm ent, low cost and no pollution.
Bacter ia stra ins producing pectinase, the c lassification o f bacter ia l pectinase, gene cloned, and app lica tions of bac terial pectinasew ere
sta ted in th is paper.
Key words:
Bacter ia
Pectinase
Gene clon ing
收稿日期: 2010
09
22
作者简介:张菊,女,硕士研究生,研究方向:基因工程; E
m a i:l zhangju cc603@ 126. com
通讯作者:薛永常,男,博士,教授,研究方向:分子生物学; E
m ai:l xueych@ 126. com
果胶酶是指能够分解果胶物质的多种酶的总
称,广泛存在于微生物中, 如真菌、放线菌和细菌
等 [ 1] ,其中对真菌产生的果胶酶类研究最多。近年
来,随着生物技术的发展,世人环保意识不断增强,
各工业领域中利用生物技术工艺过程代替化学工艺
过程的需求不断增加, 对细菌果胶酶类的研究呈上
升趋势。
细菌产果胶酶多呈碱性且热稳定性好的特性,
并且细菌繁殖快,产酶量高,不仅能够缩短工业生产
周期, 而且能用于深层液态发酵生产果胶酶,比固态
发酵更容易控制 [ 2]。所以, 细菌果胶酶不仅能改善
传统的生产工艺,降低生产成本,提高产品的质量与
品质, 并且更利于环境保护。因此,研究细菌果胶酶
有助于更合理的应用果胶酶。就近些年来国内外对
细菌果胶酶的研究情况作简要概括, 期望对细菌产
的果胶酶及其在工业上的应用有所帮助。
1
产果胶酶细菌菌种
细菌因具有生长速度快、生长条件简单、代谢过
程特殊和分布广等特点而成为果胶酶的重要来源。
目前国内外研究的果胶酶产生细菌主要有: 欧文氏
菌属 ( Erw inia ) [ 3, 4] , 假单胞菌属 (P seudomonas sp. )
中的琼氏不动杆菌 [ 5]和野油菜黄单胞菌 (Xanthomonas
campestris)等, 果胶杆菌属 (P ectobacterium caro
tovo

rum )
[ 6]
, 枯草芽孢杆菌属 ( Bacillus subtilis ) [ 5, 7 ] , 梭
状芽孢杆菌属 ( C lostrid ium ) ,耶尔森菌属 ( Yersinia ),
节杆菌 (Arthrobacter sp. )和海栖热袍杆菌 ( Thermo

togamaritima )
[ 8 ]等。
为了满足不同工业生产的需求, 有目的地筛选
2011年第 2期 张菊等:细菌果胶酶的研究进展
菌种的研究甚多。如薛卫巍等 [ 5 ]从沤制的罗布麻
表皮中分离得到琼氏不动杆菌 (A cinetobacter junii)
和枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis )两株高产果胶酶
的菌株。这两株菌用于罗布麻生物脱胶效果显著,
其中枯草芽孢杆菌 37
脱胶 15 h后再升温至 45

脱胶 0. 5 h, 残胶率低至 12. 77% [ 9]。
2
细菌果胶酶的分类
果胶酶主要功能是通过裂解或
消去作用切
断果胶质中的糖苷键, 使果胶质裂解为多聚半乳
糖醛酸 [ 10]。对于细菌产生的果胶酶, 可根据: ( 1)
果胶 ( pec tin)、果胶酸 ( pect ic ac id)或 D
半乳糖醛
酸酯 ( o ligo
D
ga lacturonate)是否为其优先底物;
( 2)底物被作用的方式是反式消去作用还是水解
作用; ( 3)切割方式是随机的 (内切酶 )还是发生
在末端的 (外切酶 ) , 这 3个分类标准 [ 11]分类如表
1所示。

表 1
细菌果胶酶的分类
名称 编号 底物 产物 作用原理 产生菌举例
酯酶
果胶甲酯酶 EC 3. 1. 1. 11 果胶 果胶酸 +甲醇 脱脂作用 Sa lmon ella en terica subsp.
果胶乙酰酯酶 EC 3. 1. 1. 6 果胶 果胶酸 +乙醇 脱脂作用 Acidobacterium
原果胶酶 原果胶 果胶 水解作用 Ba cillu s subti lus
解聚酶
1.水解酶
多聚半乳糖醛酸酶
内切聚半乳糖醛酸酶 EC 3. 2. 1. 15 果胶酸 寡聚半乳糖醛酸 水解作用 E rw inia ca rtov ora
外切聚半乳糖醛酸酶 2 EC 3. 2. 1. 82 果胶酸 二聚半乳糖醛酸 水解作用 C lostrid ium th ermosaccharoly ti

cum
寡聚半乳糖醛酸水解酶 837 三聚半乳糖醛酸 半乳糖醛酸 水解作用 Ba cillu s specie
聚鼠李半乳糖醛酸酶 鼠李半乳糖醛酸 水解作用 C lostrid ium cellu lolyticum
2.裂解酶
内切聚半乳糖醛酸裂解酶 EC 4. 2. 2. 2 果胶酸 不饱和的寡聚半乳糖醛酸 反式消去作用 S treptococcu s bov is
外切聚半乳糖醛酸裂解酶 EC 4. 2. 2. 9 果胶酸 不饱和的二聚半乳糖醛酸 反式消去作用 Yersin ia pe stis
聚鼠李半乳糖醛酸裂解酶 鼠李半乳糖醛酸 反式消去作用 C lostrid ium cellu lolyticum
寡聚半乳糖醛酸裂解酶 EC 4. 2. 2. 6 不饱和的双半乳糖醛酸
不饱和半乳糖
醛酸 反式消去作用 E rw inia ch rysanth em i
果胶酶基本的作用机制包括水解作用和反式消
去作用两种。水解作用需要水分子,其中, PG水解
果胶酸分子的

1, 4糖苷键, 根据水解作用机理不
同,可以分为 endo
PG和 exo
PG [ 12]。 exo
PG又可以
划分两种类型: 一种是真菌外切聚半乳糖醛酸酶
( exo
PG1) ,其终产物是单体半乳糖醛酸; 另一种是
细菌外切聚半乳糖醛酸酶 ( exo
PG2) , 其终产物是
二聚体的半乳糖醛酸。如图 1
a中, 当 R为 H时,
是 Endo
PG可将果胶降解为小分子, 使果胶黏度降
低并释放还原末端。
PE水解果胶中聚半乳糖醛酸的 6
羧基上的甲
氧基得到果胶酸和甲醇 (图 1
b)。
反式消去作用则不需要水分子, 而是形成碳碳
双键。如当图 1
c中 R为 H 时, PGL作用果胶酸分
子的

1, 4糖苷键,形成不饱和键 [ 13]。
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生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2011年第 2期
a. R= H for endo
PG; b. PE; c. R= H for PGL
图 1
细菌果胶酶的作用方式
原果胶酶是能够促使原果胶溶解的酶, 根据作
用机理可将其分为两种类型: A型原果胶酶与 B型
原果胶酶。A型主要作用于原果胶内部的多聚半乳
糖醛酸区域; B型主要作用于外部的连接聚半乳糖
醛酸链和细胞壁组分的多糖链。
工业上将作用部位不同的果胶酶相互结合使
用,能彻底地降解果胶类物质。
3
细菌果胶酶基因克隆与表达
随着分子生物学技术的不断提高,可利用基因克
隆技术实现果胶酶在其他微生物宿主的表达。利用
此基因克隆技术进行菌种选育,使菌种的产酶量有较
大的提高,而且能够改变酶的性质,使多种有利特性
集中到一株菌种上,缩短从探索研究到应用的时间,
克服了传统育种方法的盲目性。因此, 近几年来,从
不同属的细菌中克隆和测序的果胶酶基因的数目增
多。这些基因主要来自欧文氏杆菌 (Erw inia )和芽孢
杆菌属 (Bacillus ),且大多数是多聚半乳糖醛酸酶基
因和果胶酸裂解酶 ( pectate lyase)基因 (表 2)。
表 2
已克隆的细菌果胶酶基因 [3, 6, 8, 14- 16]
菌株 基因名称 NCB I登录号 酶的类别
Ba cillu s alcaloph ilus pelE ( pelA ) AF303225 pectate lyase
Ba cillu s sp. pelA AJ237980 pectate lyase
E rw inia pelA FJ572964 pectate lyase
E rw inia pelB FJ572965 pectate lyase
E rw inia pelB, p elC EU 977133. 1 pectate lyase
E rw inia ch rysanthem i pelE, pelA M 14509. 1 pectate lyase
P ectobac terium carotovorum pel EU 597234 pectate lyase
Yersin ia p seud otubercu losis pelY pectate lyase
P seud om onas f luore scen s pel pectate lyase
C lostrid ium stercora rium pel9A AB106865 pectate lyase
Therm otog am aritima pelC pectate lyase
Bu rkhold eria cepacia pehA polygalacturonase
P seud om onas solanacearum pg lA polygalacturonase
P seud om onas solanacearum pm e pectinesterase
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细菌果胶酶分子量在 20- 60 kD之间,均属于
碱性果胶酶,最适作用温度大都在 30- 60
之间,
裂解酶的作用需要 Ca2+ 参与, Co2+、Cu2+、Fe2+、
Ba
2+和 Mn2 +等离子是其抑制剂。如 Zha i等 [ 14]从
Bacillus alcalophillus基因组中存在约为 3. 5 kb果胶
裂解酶 DNA片段,开放阅读框有 1 011个核苷酸碱
基, 克隆该酶基因并在大肠杆菌中表达, 经 SDS

PAGE电泳检测得 35 kD的果胶裂解酶 pe lE, 只有
当有 Ca2+离子存在时该酶才有酶活性, 而 Ba2+和
Mn
2+能强烈地抑制其酶活性。但也有特殊情况,如
李平等 [ 8] 得到的果胶酶 Pe lC 最适反应温度为
90
,在工业生产常用温度 60
下依然能够长时间
保持稳定; Sorriano等 [ 15]研究的果胶裂解酶 PelA,
其最显著的特点是它不仅对多聚半乳糖醛酸有很高
的酶活性,而且对甲基化的果胶酸也有很高的酶活
性,并且 Ca2+对其酶活性的影响也不大, 其最适反
应温度和 pH为 50
和 10。
4
细菌果胶酶的应用
4. 1
在纺织业方面的应用
生物脱胶是在工业化条件下, 把产生脱胶酶的
细菌在实验室中进行分离纯化,通过人工发酵,把菌
体或产生的大量酶液作用于棉麻类, 分解胶质。尤
其是用碱性果胶酶处理,代替碱对棉、麻等织物进行
煮练加工和整理工艺, 以降解初生胞壁中的果胶物
质,分散纤维,并且可极大限度地防止纤维的降解,
同时, 体系具有天然的抗杂菌污染的能力 (因为大
多数细菌或酶的最适 pH在中性或酸性范围内 ) ,在
比较缓和的 pH值和温度条件下使处理后的棉织物
柔软, 强度高,生产时间短, 取代了耗能大、耗水多、
处理时间长、污染严重的传统热碱脱胶工艺。因此,
应用细菌果胶酶净化可大大改善棉纺织预处理工艺
对产品成本及环境的影响。
如细菌果胶酶可用于亚麻、红麻、罗布麻以及黄
麻等 [ 9, 17]纤维的脱胶,具有不损伤纤维性质、不降低
纤维强度等优点。因而嗜碱性细菌在麻类生物脱
胶、生物制浆和污物的处理软化等方面有可观的应
用前景,受到较多的关注与研究。
4. 2
在咖啡和茶发酵中的应用
适量的细菌果胶酶处理能缩短茶发酵的时间,
并且大大消弱了速溶茶粉末在冲泡时本身易引起泡
沫形成这一特性。在咖啡发酵工艺中产果胶酶细菌
能降解咖啡豆中的果胶质, 从而促进咖啡发酵液中
的黏稠物的降解 [ 18]。
4. 3
在污水处理方面的应用
对含果胶类物质工业废水的处理, 传统上采用
物理或化学方法。这些方法均有成本高、劳动强度
大等弊端,同时化学物质的使用会产生二次污染。
所以,这种传统的处理方法由于这些原因一直不能
够大面积推广。近年来, 新型污水处理方法采用了
生物脱胶预处理, 即先利用细菌发酵产生的果胶酶
降解污水中的果胶类物质,既经济又方便,并且避免
了二次环境污染 [ 18]。
4. 4
在造纸方面的应用
与纺织品的生物脱胶类似, 为了生产柔软、均
一、弹性好的高品质材料,造纸工业中的生物制浆也
是直接或间接的利用细菌果胶酶等酶处理降解植物
纤维原料中的果胶物质, 使其分散成适用于造纸工
业的束纤维或单纤维。并且很好的将纸浆中带负电
荷高分子果胶降解成六糖以下的小分子,从而避免
了成品纸的静电现象 [ 19]。
4. 5
其他方面的应用
随着生物技术的不断发展,细菌果胶酶还在家
禽饲料加工、中草药 [ 18]和香料油以及类胡萝卜素等
医用原料的提取、石油开采 [ 1 ]等工业领域都有应
用。细菌产的果胶酶也可以用于植物油的榨取工艺
中, 降解果胶以避免乳化作用带来的负面影响,提高
出油率,增加营养物质如多酚类物质和 VE的含量。
近来有研究表明, 细菌果胶酶可作为参与诱导植物
自身防御系统的有效酶制剂诱导植物抗病, 有望将
果胶酶作为生物农药用于绿色食品的生产, 减少化
学农药施用量即农药对环境和人类的危害。
5
展望
近年来,国内外在细菌产生的果胶酶的菌种筛
选、工业发酵条件优化、基因工程方面都有研究, 促
进了果胶酶在许多领域的应用。尽管如此, 在世人
环保意识日益增强的今天,筛选高产果胶酶菌株、运
用高端的基因工程技术改善野生菌产酶量低的特性
及开发果胶酶新品种等仍需深入研究,以拓宽其应
用领域,满足各个相关工业领域的需求。
59
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2011年第 2期
参 考 文 献
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