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真菌α-淀粉酶的研究进展



全 文 :·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 3 期
真菌 α-淀粉酶的研究进展
李松 王正祥
(江南大学生物工程学院 生物资源与生物能源研究中心,无锡 214122)
摘 要: 真菌 α-淀粉酶在现代淀粉糖浆、焙烤制品、啤酒酿制及生料酒精等行业已得到广泛的应用。随着现代制糖工
业与发酵工业的发展及其对真菌 α-淀粉酶的使用需求,使得真菌 α-淀粉酶在现代工业酶制剂中占有重要地位。对真菌 α-淀
粉酶的研究和利用,为满足国内市场需求、调整我国酶制剂工业结构和带动相关食品或发酵行业的发展等具有重要意义。从
真菌 α-淀粉的催化机制、来源、异源表达及应用等方面进行了介绍。
关键词: 真菌 α-淀粉酶 淀粉糖浆 催化机制 异源表达 应用
Progress in Research of Fungal α-Amylase
Li Song Wang Zhengxiang
(Research Center of Bioresource & Bioenergy,School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122)
Abstract: Fungal α-amylase has a vast application in the modern industries of starch syrup,baking,brewing and fuel alcohol. The
increasing need of fungal α-amylase in the present sugar industry and fermentation industry sectors made fungal α-amylase an important
enzyme in the present enzyme industry. The exploitation and application of fungal α-amylase are important for satisfying the needs of do-
mestic enzyme market and the development of relative industries. This paper was reviewed on the catalytic mechanism,sources,expres-
sion,and application of fungal α-amylase.
Key words: Fungal α-amylase Starch syrup Catalytic mechanism Heterologous expression Application
收稿日期:2010-09-30
基金项目:国家“863”计划(2006AA020204)
作者简介:李松,男,博士研究生,主要从事发酵工程方面的研究;E-mail:lisong821123@ 126. com
α-淀粉酶(EC3. 2. 1. 1)属于内切型淀粉酶,是
可对支链淀粉、直链淀粉或其他 α-1,4-葡聚糖分子
内部的 α-1,4-糖苷键以随机的方式进行水解,生成
长度不等的直链和支链寡糖的一类酶的总称[1]。
α-淀粉酶的来源非常广泛,包括动物、植物和微生
物,其中微生物来源的淀粉酶具有来源丰富、性能多
样和易于工业化生产的特点,可满足多种工业应用
需求,在工业上的应用也最为广泛[1,2]。在现代工
业的淀粉质处理过程中,微生物淀粉酶的水解方法
已经彻底取代传统的化学水解方法[3]。虽然有多
种微生物可以产生 α-淀粉酶,包括丝状真菌、酵母、
细菌和放线菌等。但是,目前能够满足工业应用
需求的 α-淀粉酶主要来源于细菌和丝状真菌[1],
其中由真菌产生的 α-淀粉酶即称为真菌 α-淀
粉酶。
1 真菌 α-淀粉酶的结构及其催化机制
与大多数 α-淀粉酶类似,真菌 α-淀粉酶通常含
有 3 个结构域(domain) ,分别称为 A、B 和 C。结构
域 A 为酶的催化反应中心区域,其典型结构为
(a /b)8 TIM桶状结构,结构域 B和结构域 C 基本上
位于结构域 A的对立两端[4]。其中,Ca2 +的保守结
合位点位于结构域 A和结构域 B 之间的表面区域,
而大多数情况下 Ca2 +的存在对 α-淀粉酶家族保持
其酶活力和稳定性是必须的。结构域 B 位于 TIM-
桶状结构的第三个 β-折叠和第三个 α-螺旋之间,该
区域富含不规则的 β-片层结构,在不同淀粉酶中的
大小和结构差异较大,被认为与 α-淀粉酶的底物特
异性有关。同时,通过定点突变或随即突变结果表
明,该部位在淀粉酶中可能相对比较脆弱,与 α-淀
粉酶的总体稳定性关联密切,其中部分氨基酸的改
2011 年第 3 期 李松等:真菌 α-淀粉酶的研究进展
变对酶的 pH 稳定性和热稳定性影响较为显著[4,5]。
结构域 C形成 α-淀粉酶蛋白质的羧基端,并含有 α-
淀粉酶家族所特有的希腊钥匙状 β-sandwich结构,通
常认为其通过将结构域 A的疏水区域与溶剂相隔离
以稳定催化区域 TIM桶状结构。通过淀粉酶序列比
对发现,在 α-淀粉酶家族 13 中至少含有 4 个保守区
域(I - IV) ,分别位于 TIM-桶状结构的第 3、4 和 5 个
β-折叠处,以及第 7个 β-折叠与 α-螺旋连接处[4]。
通过 X-射线晶体结构、化学修饰和定点突变等
手段,表明 Asp206、Glu230和 Asp2973 个氨基酸(Taka-
淀粉酶 A氨基酸序列)可能是 α-淀粉酶家族的核心
催化位点[6]。在 α-淀粉酶的催化过程中,酶首先固
定住异头物(α-构象) ,然后通过双替换反应进行催
化。在第一个替换过程中,酶的酸性基团(Glu230)
使糖苷中的氧原子质子化,并使碳和氧的链接键断
裂,形成一种鎓盐转换状态,继而在第二个替换过程
中由蛋白的亲质子酸性基团对糖的异头物中心进行
攻击,形成 β-糖基和酶复合的一种临时状态,继而
底物的糖基配基离开活性位点[7]。
在水解替换反应中,该过程中质子供体形成的
羧酸盐状态必须是可逆的。反应的第二阶段通过形
成的盐类似物的转换状态而产生 α-构象异头物,同
时原始的酸性基团重新质子化。在第二步替换反应
中,如果所攻击的基团是一个糖残基的游离的氢氧
基而不是水的氢氧基,就会产生转糖基作用。如在
Taka-淀粉酶 A中,谷氨酸(Glu230)被认为是质子供
体,其中一个天冬氨酸(Asp206)被认为具有亲质子
作用,另一个被认为必不可少的天冬氨酸(Asp297)
其功能可能是在催化过程中对酶和底物复合物的结
合状态起稳定作用(fixer)[7,8]。此外,α-淀粉酶的
活性位点还包含许多亚位点(subsite) ,亚位点由位
于连接 β-折叠和 α-螺旋的环型结构中的氨基酸残
基组成,且每个亚位点均可以与底物的糖基配基进
行作用。由于不同 α-淀粉酶的结构不同,β-折叠和
α-螺旋的连接环的大小和形状不同,所以亚位点在
不同淀粉酶中的存在形式和作用方式也不同,并因
此赋予了不同淀粉酶以特有的功能和性质[4]。
2 来源及性质
目前工业上应用的真菌 α-淀粉酶几乎全部来
源于丝状真菌中的曲霉属微生物,如黑曲霉(Asper-
gillus niger)和米曲霉(Aspergillus oryzae)等[2,9]。因
此,工业上真菌 α-淀粉酶很多时候又可专指由曲霉
属微生物产生的 α-淀粉酶。真菌 α-淀粉酶可以水
解淀粉内部的 α-1,4-糖苷键,也能水解麦芽三糖,终
产物中主要物质为麦芽糖和部分低聚寡糖及少量葡
萄糖。虽然真菌 a-淀粉酶不能水解糖链内部的 α-1,6
糖苷键,但可以跨过 α-1,6 糖苷键继续对 α-1,4-糖苷
键进行作用,使终产物中不含有大分子极限糊精。
真菌来源的 α-淀粉酶有很多种(表 1) ,包括曲
霉属、青霉属、木霉属、根霉属和酵母属等。同时,同
一种菌株来源的 α-淀粉酶也可能具有很多种,如
Yuan等[9]从黑曲霉基因组水平报道了多达 27 种 α-
葡聚糖作用酶系的编码基因,包括 6 种 α-淀粉酶,
分别为 aamA、amyA、amyB、amyC、amyD 和 amyE。
其中 amyD和 amyE淀粉酶活性与细胞壁 α-葡聚糖
的合成有关;amyC的功能可能是在淀粉的存在下作
为一种前导酶,在淀粉衍生物(如麦芽糖或异麦芽
糖)的诱导下激活淀粉酶转录调控基因(AmyR) ,以
刺激其他淀粉酶水解酶类的表达,但由于 amyC 的
表达量非常低,所以研究的并不多;aamA 基因的表
达产物为耐酸性 α-淀粉酶,由于其耐酸耐热等特点
使得该淀粉酶在淀粉糖浆等行业具有特殊的应用价
值;amyA 和 amyB 两个基因的相似度很高,与米曲
霉来源的 Taka-淀粉酶相似度超过 98%[10],都属于
中性 α-淀粉酶(表 1)。
米曲霉来源的真菌 α-淀粉酶即 Taka-淀粉酶 A
(TAA)为目前研究和应用最为广泛的真菌 α-淀粉
酶[6],该淀粉酶编码序列含有 9 个外显子和 8 个内
含子,编码产物含有一个由 24 个氨基酸残基组成的
信号肽和一个由 478 个氨基酸残基组成的成熟肽,
成熟肽分子量约为 52 kD,等电点约为 3. 8。在所有
的真菌 α-淀粉酶中,对 TAA的理化性质及蛋白质三
维结构的研究最为深入,通过 X-射线晶体结构、化
学修饰和定点突变等手段,确定 Asp206、Glu230和
Asp297为 TAA的核心催化位点[6,7]。该蛋白拥有淀
粉酶家族所具有典型的 3 个结构域(A、B 和 C)、4
个高度保守区域以及(a /b)8 TIM 桶状结构,其含有
的 4 个高度保守区域序列分别为 DVVANH(Region
I)、DGLRIDTVKHV(Region II)、GEVLD(Region
III)和 FVENHD(Region IV)[8]。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 3 期
表 1 部分真菌 α-淀粉酶及其基本性质
菌株
分子量
(kD)
最适 pH
最适温度
(℃)
说明 来源
A. oryzae
ATCC 9376
- 5. 0 - 6. 0 30 - 40 中性 [11]
A. oryzae M13 52. 0 5. 4 50 中性 [12]
A. awamori
ATCC 22342
54. 0 4. 8 - 5. 0 50 中性 [13]
A. awamori
KT-11
- 4. 8 -
具有生淀
粉酶活力
[14]
A. foetidus
ATCC 10254
41. 5 5. 0 45 中性 [15]
A. niger
ATCC 13469
- 5. 0 50 中性 [16]
A. niger 58 4. 0 - 5. 0 60 耐热、耐酸 [17]
A. usamii 54. 0 3. 0 - 5. 5 60 - 70 耐热 [18]
A. fumigatus - 6. 0 50 [19]
A. kawachii 69. 0 4. 0 50
耐酸、具有
生淀粉酶
活力
[20]
Penicillium
expansum
69. 0 4. 5 60 耐热 [21]
Rhizomucor
pusillus
NN046782
50 4. 0 - 5. 0 70 耐热、耐酸 [22]
Trichoderma
viride
- 5. 0 - 5. 5 50 - 55 中性 [23]
Saccharomyces
aluvius
UCD 5483
61. 9 6. 3 40 中性 [24]
Cryptococcussp. 66 5. 5 - 6. 5 50
耐热、具有
生淀粉酶
活力
[25]
3 真菌 α-淀粉酶的分类
在目前已报道的文献中,如表 1 所列各种真菌
来源的 α-淀粉酶,可以粗略的按酶学性质或作用条
件将真菌 α-淀粉酶分为 3 种类型:
(1)中性真菌 α-淀粉酶 与细菌 α-淀粉酶不
同,真菌 α-淀粉酶的来源相对较少,大多数真菌 α-
淀粉酶的作用温度和 pH 都比较温和,如最适作用
pH 在 5. 0 - 5. 5 之间,最适作用温度为 50 - 55℃左
右,当温度超过 60℃酶开始失活[26]。目前商品化
生产最多、应用也最为广泛的来源于米曲霉(变种)
的 α-淀粉酶即属于这一酶种。
(2)耐热或耐酸性真菌 α-淀粉酶 此类酶在
pH2. 5 - 4. 5 之间,作用温度在超过 60℃时仍具有
良好的热稳定性[22,27]。与中性真菌 α-淀粉酶相比,
耐热或耐酸性真菌 α-淀粉酶可以简化液化、糖化过
程,减少制糖等淀粉深加工过程中染菌几率并降低
相应生产成本[28]。这部分酶种目前工业上已经开
始生产使用,且具有很大的开发利用潜力。
(3)具有生淀粉酶活力的真菌 α-淀粉酶 该酶
种除具有水解可溶性淀粉或其他糊化淀粉能力外,还
具有生淀粉水解能力,在生料酒精行业的同步糖化发
酵(SSF)中,与糖化酶配合使用,可以大幅度提高淀
粉的利用速率和效率,并有效提高酒精产率[20]。
4 真菌 α-淀粉酶基因的异源表达
已报道有多种 α-淀粉酶基因在不同宿主中得
到表达,其中真菌 α-淀粉酶基因的异源表达主要集
中在真核表达系统,参见表 2。
与原核表达系统(如大肠杆菌表达系统或芽孢
杆菌表达系统等)相比,真核表达系统在表达真核来
源的异源蛋白时具有很大的优势,如翻译后加工修饰
(如糖基化、二硫键的形成)、内含子的识别、信号肽的
剪除和肽链的正确折叠与分泌等。此外,有多种真菌
表达系统被美国 FDA列为 GRAS(generally regard as
safe)菌株,使得对一些食品或医药用异源蛋白的生产
和应用更易获得相关机构的认可和批准[29]。
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2011 年第 3 期 李松等:真菌 α-淀粉酶的研究进展
表 2 部分真菌 α-淀粉酶的异源表达
基因来源 表达宿主 载体 启动子 表达量(发酵方式) 参考文献
A. kawachii A. niger pSL902 glaA 1 - 2 mg /mL(14-L Biolafitte fermenter) [20]
A. kawachii T. reesei pTrex3g cbhI - [20]
A. kawachii IFO4308 S. cerevisiae pYcDE1 ADH1 - [30]
A. oryzae B. brevis HPD31 pMK300 HWP 22 mg /L(shake flask) [31]
A. oryzae S. kluyveri,S. cerevisiae 2μ plasmid ACT1 320 mg /L (fed-batch) [32]
A. oryzae Bakers yeast YIp andYEp SUC2 or ACT1
109. 5 or
3014. 1 mCU /mL (flour-water mixtures)
[33]
A. niger S. cerevisiae pWHY ADHI 0. 5 - 1. 8 U /mL (shake flask) [34]
R. pusillus A. oryzae pDAu71 NA2TPI 150 - 240 NU /mL(shake flask) [22]
5 研究现状
工业上应用的真菌 α-淀粉酶主要来源于曲霉
属微生物,可水解淀粉内部的 α-1,4-糖苷键,也能水
解麦芽三糖,终产物中主要物质为麦芽糖和部分低
聚寡糖及少量葡萄糖。真菌 α-淀粉酶从 20 世纪 50
年代开始相继在英国和美国作为食品添加剂应用于
面包生产行业,在现代的淀粉糖浆、焙烤制品、啤酒
酿制、生料酒精等行业已得到广泛的应用。随着现
代制糖工业与发酵工业的发展及其对真菌 α-淀粉
酶的使用需求,使得真菌 α-淀粉酶在现代工业酶制
剂中占有显著地位。
目前国际上仅有诺维信、丹尼斯克和帝斯曼等
少数几家大型酶制剂公司拥有真菌 α-淀粉酶的先
进的生产技术与产品,且一直处于国际领先水平,其
发酵水平一般在 2 000 U /g 以上(固态发酵)。虽
然,我国早在 1965 年就已在无锡建成我国第一个酶
制剂厂———无锡酶制剂厂,并相继在国内实现了 α-
淀粉酶、糖化酶、蛋白酶及高温 α-淀粉酶等生物酶
制剂的生产和利用。但是,我国在很长一段时间内
对真菌 α-淀粉酶的生产却处于空白状态,或有少量
的自主产品面市,仍然远不能满足市场需求,使得我
国必须通过大量进口才得以满足国内食品或发酵等
工业日益增长的使用需求。
随着真菌 α-淀粉酶需求量的日益增加及其相
对较昂贵的价格,使得近年来越来越多的国内研究
者开始关注真菌 α-淀粉酶研究与开发工作。国内
报道的发酵水平大多数为 200 - 600 U /g。至 2004
年,河南省科学院生物研究所与郑州海韦力食品有
限公司合作,以米曲霉为出发菌株,通过粒子束、
60Co、r-射线、微波、紫外线、亚硝酸和硫酸二乙酯等
6 种物理和化学诱变剂交替作用方法选育出了一株
产酶水平较高菌株,其平均生产水平为 1 283 U /g,
“整体技术达到了国内同类研究的领先水平”。时
至今日,国内已有多家酶制剂公司拥有真菌 α-淀粉
酶产品,在一定程度上缓解了国内对该酶种需求的
压力,然而因国内企业的生产水平和产品多样性距
国际领先水平仍有一定差距,所以国内市场供应的
真菌 α-淀粉酶大部分来自国外企业,使得在该酶种
的市场占有中,中国企业一直处于劣势。
6 应用
由于真菌 α-淀粉酶所特有的性质,如反应温度
温和,作用 pH偏中性等,使得真菌 α-淀粉酶在实际
应用中主要应用于淀粉的糖化。与细菌 α-淀粉酶相
比,真菌 α-淀粉酶的应用主要集中在食品应用领域。
6. 1 高麦芽糖浆的生产[1,28]
麦芽糖浆是以淀粉质为原料,经酶或酸酶结合的
方法水解而成的以麦芽糖为主的糖浆,根据麦芽糖的
含量不同大致可以分为饴糖(麦芽糖含量20% -
30%)、高麦芽糖浆(麦芽糖含量 40% - 60%)、超高
麦芽糖浆(麦芽糖含量大于 70%)和结晶麦芽糖等。
高麦芽糖浆的甜度低而温和,可口性强,在高温
和酸性条件下比较稳定,具有熬煮温度高、不易发生
美拉德反应等优点。在食品行业,对面包、糕点及烘
焙食品等加工过程具有防止淀粉老化、保湿和延长
保质期等作用;在蜜饯、方便食品、酱油、糖果、口服
液、保健饮品、麦乳精和冷冻食品等食品行业作为营
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 3 期
养甜味剂、填充剂得到广泛应用;在医药行业,可添
加至多种中药中使用,具有润肺、补虚、止咳及治疗
腰痛等作用。此外,超高麦芽糖浆在加氢氢化后可
生成麦芽糖醇。麦芽糖醇是一种甜度与蔗糖相当而
热量值较低的甜味剂,也是制备另一种功能性食品
原料麦芽糖酮糖和低聚异麦芽糖的原料。
在淀粉糖行业,真菌 α-淀粉已逐渐替代 β-淀粉
酶而成为以淀粉为原料生产麦芽糖浆的关键
酶[1,3]。真菌 α-淀粉可以水解淀粉内部的 α-1,4-糖
苷键,生成高麦芽糖和低葡萄糖含量的糖浆。目前,
欧美各国大多采用真菌 α-淀粉酶作为糖化剂生产
高麦芽糖浆,得到的麦芽糖浆其组成中麦芽糖占
40% -60%,麦芽三糖约 10% - 20%,其他为葡萄
糖、低聚糖和糊精等。工业生产中往往与 β-淀粉酶
和普鲁兰酶等脱枝酶配合使用,用以生产超高麦芽
糖浆,其麦芽糖含量超过 70%,甚至更高。
6. 2 焙烤制品[35,36]
美国和英国分别在 1955 年和 1963 年确定了真
菌 α-淀粉酶为一般视为安全的(GRAS status)添加
剂,并允许在面包焙制过程中使用。目前,在全世界
范围内均得到不同程度的应用。由于中性真菌 α-
淀粉酶不耐热等特点,在面团发酵过程中容易通过
加热使之失活,利于控制面团的发酵速度和程度,以
免作用时间过长产生大量糊精以致面包心发黏。真
菌 α-淀粉酶可水解面粉中的受损淀粉生成小分子
糊精,通过酵母的进一步发酵产生醇类物质和二氧
化碳,从而使面包体积增大。在此过程中产生的还
原糖在面包烘焙过程中可参与美拉德反应,有助于
改善面包的外表色泽。因此,真菌 α-淀粉酶的添
加,不仅可以加快生面团的发酵速率、改善面包的结
构和体积,同时其产生的糖类物质对面包的口感、色
泽及品质等也都具有明显的促进作用。
此外,真菌 α-淀粉酶在啤酒酿制行业(提高麦
芽汁的可发酵性)[37]、黄酒酿制行业(改善酒质,提
高出酒率)[38]和生料酒精行业有利用对糖化醪中淀
粉进行低温液化(50 - 60℃)[20]以及低聚异麦芽糖
生产[38]等行业均有不同程度的应用。
7 总结与展望
在真菌 α-淀粉酶的研发过程中,关于进一步提
高淀粉酶单位产量的研究虽然仍是提高生产效益、推
动行业发展的有效途径,但是,开发具有新性能的新
产品对提高产品性能、深化产业结构、拓宽产品应用
面等也是必不可少的。如开发和利用具有生淀粉酶
水解能力的真菌 α-淀粉酶进行同步发酵法生产生物
酒精,在节约能源的同时增加了酒精产率,对提高产
业效益和促进生物酒精行业发展等具有一定的促进
作用[20];利用耐热、耐酸型真菌 α-淀粉酶,降低高麦
芽糖生产过程中染菌问题并降低相应成本[27,28];传
统的真菌 α-淀粉酶作用淀粉内 β-1,6键效率较差,产
物中麦芽糖的极限值仅有 60%,在高麦芽糖浆的生产
过程中必须添加其他酶种[40,41]。因此,对具有高麦芽
糖形成能力的真菌 α-淀粉酶的研究和开发,对改变传
统麦芽糖生产方式、节约其他酶制剂的使用量和提高
麦芽糖生产效率等应均具有良好的应用潜力[21]。
综上所述,提高真菌 α-淀粉酶产量和性能或研
究开发具有特殊应用价值的新酶种,对满足国内市
场需求、调整我国酶制剂工业结构、拓宽市场、带动
相关食品或发酵行业的发展等具有重要意义。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红)
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