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Advance in chitosan oligosaccharides with enzymatic method:a review

酶法制备甲壳低聚糖研究的进展



全 文 :第9卷第5期
2011年9月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.9No.5
Sep.2011
doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2011.05.013
收稿日期:2011-04-04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20706017);鲁东大学校科研基金资助项目(LY20083305)
作者简介:程仕伟(1976—),男,山东潍坊人,博士,讲师,研究方向:酶工程,Email:swbiotech@yeah.net
酶法制备甲壳低聚糖研究的进展
程仕伟1,孙爱友2
(1.鲁东大学 生命科学学院,烟台 264025;2.华东理工大学 生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237)
摘 要:甲壳低聚糖具有多种重要的生理活性,可作为食品添加剂、生物农药和新型药物,是低聚糖研发的新热点。
与壳聚糖相比,由于多糖链缩短使其水溶性好、黏度低且容易吸收。本文对酶法制备甲壳低聚糖的催化剂种类和
特性、生物反应器选用及其工艺优化的最新进展进行综述,对酶法生产甲壳低聚糖进行总结并展望未来的研发
重点。
关键词:生物反应器;壳聚糖酶;甲壳低聚糖;酶法
中图分类号:Q8149    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2011)05-0065-06
Advanceinchitosanoligosaccharideswithenzymaticmethod:areview
CHENGShiwei1,SUNAiyou2
(1.SchoolofLifeSciences,LudongUniversity,Yantai264025,China;2.StateKeyLaboratoryofBioreactorEngineering,
EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)
Abstract:Chitosanoligosaccharideshadshownvariousfunctionalproperties,andwereusedinmany
fieldsincludingfooding,agricultureandbiomedicine.Comparedwithchitosan,chitosanoligosaccharides
werereadilysolubleinwaterduetotheirshortchainlengths,lowviscosityandeasilyabsorbedinvivo.In
thispaper,recentadvanceswerediscussedabouttypesandcharacteristicsoftheusedenzymes,bioreac
torselectionandprocessoptimizationintheenzymaticproductionofchitosanoligosaccharides.Further
more,itsummarizedandoutlookthefutureemphasisintheresearchanddevelopmentbyusingenzymatic
producingchitosanoligosaccharides.
Keywords:bioreactor;chitosanase;chitosanoligosaccharides;enzymaticmethod
  几丁质是除纤维素外的第二大生物聚合物,壳
聚糖是几丁质部分或完全脱乙酰基的衍生物,主要
由D 氨基葡萄糖通过 β 1,4 糖苷键连接形成。
在过去几十年里,壳聚糖作为潜在的生物活性物质
被广泛研究,但仍具有一些缺陷,如生理条件下的
低溶解性和高黏度[1]。将壳聚糖降解使其相对分
子质量在3000以下,分子质量减小导致晶体结构
变化,热稳定性降低,具有优良的水溶性[2-3],是近
几年糖类研究和应用开发的热点之一。
  甲壳低聚糖是由壳聚糖经水解后产生的一类
聚合度在 2~20的可溶于水的氨基糖类化合物,是
近年来新兴发展的功能性低聚糖,具有独特的生理
活性和优越的功能性质[4]。甲壳低聚糖可作为功
能性食品添加剂和防腐剂[5-6];在农业上可作为植
物调节剂和生物防治剂,亦可开发为一种无公害的
新型生物农药[7];在医药上可作为抗癌、免疫系统
药物[8]。
  甲壳低聚糖的制备方法有酶法、氧化法以及酸
\\DZ19\D\孙桂云\生物加工2011\第5期\SW1105.PS 6校样 排版:孙桂云 修改日期:2011/09/28
降解法。酶法生产甲壳低聚糖具有条件温和,可以
控制降解速率和甲壳低聚糖相对分子质量,不产生
二次污染等优点[9],因而受到广泛关注。但是,甲
壳低聚糖的溶解性和生理功能与其聚合度有密切
关系,当其聚合度低于5和6时具有较好的水溶性,
且体内吸收迅速,但是其生理效应不高。相反,当
甲壳低聚糖聚合度大于6时,溶解性变得较差[10]。
  甲壳低聚糖制备的关键是使其最终产物中五
聚体和六聚体的含量尽可能高,这样既可保持其
水溶性,又有较高的生理活性。壳五糖和壳六糖
只是酶法制备过程的中间产物,最终产物多为氨
基葡萄糖单体、壳二糖和壳三糖,因此,严格控制
水解反应过程是获得高质量甲壳低聚糖的关键。
要控制水解反应过程,首先考虑的是所用催化剂
的特性,其次是选择合适的催化反应装置和工艺。
本文对酶法制备甲壳低聚糖的前沿动态进行归纳
和概括。
1 甲壳低聚糖生产用酶
  酶法降解壳聚糖的酶来源分为专一性用酶和
非专一性用酶两类。
11 专一性酶
  专一性酶主要是指壳聚糖酶(chitosanase),多
来源于微生物,在植物组织中也有分布。壳聚糖酶
根据其作用位点不同,可分为三类:1)可以水解
GlcN GlcN键及 GlcNAc G1cN键;2)只能水解
G1cN GlcN键;3)既可水解G1cN GlcN键又可水
解G1cN GlcNAc键。所有壳聚糖酶有1个共同催
化性质,就是要求糖苷键的一侧至少有 1个 G1cN
残基,而不能催化 GlcNAc G1cNAc键的断裂[11]。
壳聚糖酶水解底物作用化学键位点不同导致产物
聚合度的不同,如 BaciluscereusS1来源壳聚糖酶
水解底物产生的壳寡糖聚合度为2~4,主要是三聚
体[12];而 Rhodotorulagracilis来源的壳聚糖酶催化
产生的产物相对分子质量则高达9500[13]。
  不同来源的壳聚糖酶除了水解位点不同外,其
催化特性也存在差异,如催化反应最适 pH(40~
80)、最适温度(30~80℃)等差别较大[14]。因此
要获得一定聚合度的甲壳低聚糖,首先要选择合适
来源的酶制剂。在筛选合适壳聚糖酶来源的基础
上,考虑酶水解壳聚糖作用位点的不同,还需要阐
明壳聚糖酶对部分乙酰化壳聚糖的作用方式。如
对于只切断 GlcN GlcN糖苷键的壳聚糖酶,壳聚
糖的乙酰化度高,可以得到较高聚合度的甲壳低聚
糖;而壳聚糖乙酰化度低,可以把降解过程中产生
的甲壳低聚糖继续降解,容易得到聚合度较小的
寡糖。
12 非专一性酶
  由于专一性酶(壳聚糖酶)存在底物特异性,用
于商业化的很少[12],因此很多学者尝试用非专一性
酶解法生产甲壳低聚糖。目前报道的非专一性酶
主要有胃蛋白酶/木瓜蛋白酶/蛋白酶[15]、脂肪
酶[16]、纤维素酶[17]、半纤维素酶[18]、溶菌酶[19]、果
胶酶[20]等。
  从作用效果及酶的来源看,各类非专一性酶似
乎并不存在共同的催化基团,其壳聚糖降解机制颇
让人疑惑,有学者认为是底物分子链上的羟基对酶
解起重要作用[21]。尽管如此,非专一性水解酶降解
壳聚糖过程仍存在一定共同特点[22]:1)酶主要以内
切方式作用,在水解初期溶液黏度下降很快;2)大
部分反应不遵循 MichaelisMenten动力学方程,无
论提高底物浓度还是提高酶浓度都有可能提高反
应速率;3)水解最适宜 pH一般为3~5;4)产物相
对分子质量分布范围较广。
  非专一性酶法能制备水溶性低相对分子质量
的壳聚糖。尽管有研究报道某些酶(如胃蛋白
酶[15])在特定反应条件下催化壳聚糖降解优于壳聚
糖酶,但同等条件下多数酶催化产生的甲壳低聚糖
含量比壳聚糖酶少,生理生化活性低[23]。不仅如
此,采用非专一性酶解法生产周期长,需要酶添加
量比壳聚糖酶多[24],因此,甲壳低聚糖酶法生产的
研究重点是壳聚糖酶催化不同脱乙酰度的壳聚糖
降解。
2 甲壳低聚糖的酶法生产工艺
  酶法生产甲壳低聚糖的生产工艺设计难点主
要是:1)底物壳聚糖溶液的高黏度,2)产物是靠
β 1,4 糖苷键连接构成的不同聚合度低聚糖混合
物,且多数是催化反应的中间产物。因此,要针对
催化反应特点选择合适的生物催化装置和工艺,尽
量避免产生的低聚合度产物再次被水解。
21 连续搅拌批次反应生产甲壳低聚糖
  以游离酶为催化剂,使用批次搅拌反应装置生
产甲壳低聚糖现已很少使用,原因是壳聚糖酶价格
较贵,由于游离酶不能回收利用导致生产成本升
高[25]。但是将壳聚糖酶固定化后,催化剂具备一定
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的固体形态,可在反应完毕后通过过滤或离心等方
法方便收集回收,因此固定化酶生产甲壳低聚糖的
工艺中,连续搅拌的批次反应装置占有相当比例。
  Kuroiwa等[26-27]采用自动控温的批次连续搅拌
反应装置,固定化壳聚糖酶催化05% ~15%壳聚
糖溶液生产甲壳低聚糖,发现载体表面酶浓度、载
体粒径、温度、搅拌转速、初始底物浓度显著影响产
物构成,产物中生理活性较大的壳五糖和壳六糖浓
度随载体表面酶量和反应温度的增加而减小,其余
因素对其影响则相反,在最优反应条件下,甲壳低
聚糖得率达40%[26]。
  Ming等[2829]通过多点连接方法将壳聚糖酶直
接固定在有琼脂凝胶涂层的5个叶轮上,采用新型
连续搅拌反应装置,电机带动叶轮旋转搅拌物料同
时,固定在叶轮钢丝网间凝胶上的酶与底物接触,
水解高黏度的壳聚糖(质量分数05%~20%)底物
溶液生产甲壳低聚糖(图 1)。该装置的优点表现
在:1)可以适应高黏度的底物溶液;2)实现较好的
物料转换,催化效率高;3)提供较大的载体面积用
于固定化;4)固定化酶稳定性较好,连续运行5个
批次酶活没有丢失。通过优化反应条件,在酶负载
量为 340U/m2时,五聚体和六聚体的得率超过
22%,高于传统酸水解法的结果。
1—搅拌器;2—加热器;3—叶轮;4—反应器;5—水浴
图1 连续搅拌批次反应装置
Fig.1 Experimentalapparatusofbatchreactor
  连续搅拌反应装置可以做到底物与酶的充分
接触,但是,在甲壳低聚糖的生产中也存在一定缺
陷,主要是产物尤其是聚合度较高(大于6)的中间
产物不能做到及时分离,导致最终高活性的产物得
率不高。
22 填充柱反应装置生产甲壳低聚糖
  固定化壳聚糖酶填充柱反应装置催化壳聚糖
降解生成甲壳低聚糖的工艺流程见图2[30-31]。2%
壳聚糖溶液水浴(35℃)保温后,用泵输送到装有固
定化壳聚糖酶颗粒的填充柱底部(同样水浴保温),
催化反应生成的产物从填充柱顶端流出。经条件
优化后,在达姆科勒数(Da)为012时,壳五糖和壳
六糖得率超过35%,连续运行1个月[31]。
图2 填充柱反应装置生产甲壳低聚糖
Fig.2 Packedbedreactorsystemforproductionof
chitosanoligosaccharides
  填充柱反应器在固定化酶催化合成目的产物
时被广泛使用,但是,在甲壳低聚糖生产中由于底
物壳聚糖在酸性溶液中溶解后,黏度较高,加入固
定化酶催化装置中流动性较差,仍然存在柱堵塞
问题[29]。
23 膜生物反应器生产甲壳低聚糖
  膜反应器可以连续反应,并且能够很好地做到
底物催化和产物分离的过程耦合。该系统中底物
连续进入反应系统而产物不断地移出反应系统,通
过不同孔径的膜可以截留不同相对分子质量的产
物,在酶法生产高附加值产品过程中广泛应用。
  Kuroiwa等[32]利用固定形式短小芽孢杆菌来源
的壳聚糖酶在膜反应器中生产甲壳低聚糖。反应
器是连续搅拌反应装置并在反应器的底部装有
2000的超滤膜(图3),反应过程中酶和底物壳聚糖
因为相对分子质量大被膜截流,而产物透过膜实现
产物分离。在反应过程中,利用通入的 N2将5%壳
聚糖底物溶液压入反应装置。经优化操作条件,系
统中五聚体和六聚体的产物量达到23g/L(产率
46%)。整个反应连续运行 1个月,经估算连续运
行条件下整个反应系统的半衰期达到50d,具备工
业化应用潜力。
  甲壳低聚糖酶法生产的另一类型膜式反应装
置见图4,该反应器与图3中膜反应器的区别在于
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图3 连续搅拌膜反应 分离耦合装置
Fig.3 Thecontinuousflowstirredtankmembranereactor
连续搅拌反应装置与产物膜分离装置分开。Jeon
等[33]采用图 4的反应装置,催化剂为 Baciluus
pumilusBN 262来源壳聚糖酶,催化降解脱乙酰度
为89%的壳聚糖,在优化条件下,聚合度3~6的产
物得率高达80%。Lin等[34]从BaciluscereusNTU
FC 4中纯化得到3种壳聚糖酶(CBCI,CBCI,CB
CII),其中CBCII催化壳聚糖水解生成产物的聚合
度≥6,以纯化后 CBCII在膜反应器(图4)中降解
壳聚糖,高聚体产物的得率超过48%。
图5 双反应器系统连续生产甲壳低聚糖
Fig.5 Dualreactorsystemforcontinuousproductionofchitosanoligosaccharides
  值得注意的是,膜反应器在甲壳低聚糖酶法
生产中仍存在较大限制,比较突出的是高黏度壳
聚糖底物对膜造成堵塞和污染问题[29],在壳聚糖
脱乙酰度越低和底物浓度越高时尤其明显。因此
在反应器选择和催化工艺条件选择上,要充分考
虑该问题。
图4 超滤膜酶反应系统生产甲壳低聚糖
Fig.4 Productionofchitooligosaccharidesin
UFmembranereactorsystem
24 填充固定化酶柱和超滤膜双反应器系统生产
甲壳低聚糖
  Jeon等[35]采用 BaciluspumilusBN 262来源
壳聚糖酶催化脱乙酰度89%的壳聚糖底物制备甲
壳低聚糖,其反应装置如图5所示。利用双反应器
系统,首先在装有固定化酶的柱式反应器中将壳聚
糖降解为相对分子质量低的聚合物,使其黏度降
低,避免对膜反应装置的堵塞;降解后低相对分子
质量壳聚糖用泵输送到连续搅拌反应装置(CSTR)
中继续用固定化酶催化反应,生成相对分子质量更
低的甲壳低聚糖,产物经超滤膜分离流出反应体
系,经离心、干燥获得产品;而相对分子质量高的中
间产物、固定化酶被膜截流,用泵重新打入 CSTR反
应装置循环水解。该反应装置的最大优势是很好
地克服了高黏度底物对膜堵塞的问题,且反应后生
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成的甲壳低聚糖能及时移出反应体系,避免降解为
聚合度更低的产物,可获得所需的甲壳低聚糖。研
究发现泵输送底物的流速对膜界面特性有显著影
响,最佳流速为5mL/min。该装置稳定性较好,连
续运行48h,膜压力没有任何变化。选用相对分子
质量为1000的超滤膜,经分析发现,高聚甲壳低聚
糖含量远高于单纯采用膜反应器的产物得率
(80%,聚合度为3~6)。
25 膜反应器与反胶束微反应器联合生产高聚合
度的甲壳低聚糖
  在水溶液反应系统中的转糖基反应发生几率
很小,原因是中间产物的水解速率远远大于转糖基
反应的速率,造成产物的聚合度低。利用膜反应器
和反胶束微反应器联合生产高聚合度的甲壳低聚
糖,设计原理是壳聚糖相对分子质量较大,很难进
入反胶束与酶接触进而反应,因此首先用膜反应器
降解为低相对分子质量产物,壳聚糖降解后的中间
产物进入琥珀酸二(2 乙基己基)酯磺酸钠/异辛烷
反胶束微反应器,与反胶束内酶接触。由于底物浓
度增加和水含量减少,造成转糖基反应几率增加,
在W0=1186时获得最大量的壳七糖、壳八糖和壳
九糖[36]。膜反应器与反胶束微反应器双系统提供
了一种合成高聚合度甲壳低聚糖的新方法,其充分
考虑了水相系统中被忽略的转糖基反应,从而能够
合成更高聚合度的甲壳低聚糖,但是能否适应工业
规模生产甲壳低聚糖,还有待深入研究。
3 总结与展望
  甲壳低聚糖具有重要生理活性且能克服壳聚
糖在中性溶液中难溶的缺点,市场潜力巨大。从环
境友好与产品质量角度出发,实现酶解法工业化生
产甲壳低聚糖迫在眉睫,近年来受到相关领域研究
人员的广泛重视,在酶生产菌株的筛选或重组表
达、催化剂选择、酶法降解底物特性等方面进行了
诸多研究。但是,目前的研究多注重于酶催化活性
及其影响因素,降解机制研究少,规模化连续酶法
生产甲壳低聚糖的报道少之又少,研究成果还停留
在实验室阶段,尚未见大规模产业化报道。但是随
着研究的逐步深入,酶法生产不同聚合度甲壳低聚
糖产品的时代必然到来。
  要实现酶法生产甲壳低聚糖的工业化,笔者认
为需要深入如下几方面:1)适应甲壳低聚糖生产要
求的新型催化剂筛选,获得能生产高质量和高产率
产品的生物催化剂;2)理清酶催化作用模式和机
制。只有对降解模式和机制研究透彻,才能有效优
化和控制反应条件,为工业化放大提供依据;3)催
化反应装置选择与过程控制研究。考虑底物壳聚
糖高黏度及高聚合度甲壳低聚糖产物为催化过程
中间产物的特性,选择合适的生物反应器,优化过
程控制条件,重视生物反应器工程和生物过程工程
研究;4)反应 分离耦合新技术的研究开发。原位
反应分离耦合技术是生物分离工程的重要新方向,
反应过程中能及时将产物分离,对于甲壳低聚糖是
降解反应中间产物的产品来说尤为适合,是今后甲
壳低聚糖生产工艺开发的重要方向。
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07 生 物 加 工 过 程   第9卷 
\\DZ19\D\孙桂云\生物加工2011\第5期\SW1105.PS 6校样 排版:孙桂云 修改日期:2011/09/28