褐藻胶多糖分子修饰酶的研究进展_李丽.pdf

LI Li，et al：Research Progress of Alginate Polysaccharide MolecularModifying EnzymesJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023ReviewResearch Progress of Alginate Polysaccharide Molecular Modifying EnzymesLI Li1，NING Limin2，YAO Zhong1，ZHU Benwei*1，XU Hong1（1.College of Food Science and Light Industry,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China；2.School ofMedicine and Holistic Integrative Medicine,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing 210023,China）Abstract：As a linear polysaccharide,alginate has different physiological and biochemicalcharacteristics according to its structure and composition.It holds great application value andpotential in food,medicine and cosmetics.These characteristics of alginate are mainly controlled bythe action of alginate-modifying enzymes such as alginate lyase,mannuronan C5-epimerase,alginateacetylase and alginate deacetylase.This review mainly introduced the synthesis of alginate-modifyingenzymes and the mechanism of alginate modification,and summarized the source,classification,structure,mode of action and research progress of several alginate modifying enzymes.The emphasiswas laid on the research progress of alginate lyase and mannuronan C5-epimerase.And we alsoprospected the future development of related research,providing reference for the furtherdevelopment and application of alginate and its related modifying enzymes.Keywords:alginate polysaccharide,alginate modification,alginate lyase,mannuronan C5-epimerase摘要：褐藻胶作为一种线性多糖根据其结构和组成差异具有不同的生理生化特性，在食品、医药和化妆品等领域有着巨大的应用价值和潜力。褐藻胶的这些特性主要通过褐藻胶修饰酶如褐藻胶裂解酶、甘露聚糖C5差向异构酶、褐藻胶乙酰化酶和褐藻胶脱乙酰化酶的作用控制。作者主要概述了褐藻胶修饰酶合成和修饰褐藻胶的作用机理，总结了几种褐藻胶修饰酶的来源、分类、结构、作用方式和研究进程，重点阐述了褐藻胶裂解酶和甘露聚糖C5差向异构酶的相关研究进展，并对相关研究的未来发展提出展望，可为进一步开发和应用褐藻胶及其相关修饰酶提供借鉴和参考。关键词：褐藻胶多糖；褐藻胶修饰；褐藻胶裂解酶；甘露聚糖C5差向异构酶中图分类号：Q 55文章编号：1673-1689（2023）01-0018-22DOI：10.3969/j.issn.1673-1689.2023.01.002褐藻胶多糖分子修饰酶的研究进展李 丽1，宁利敏2，姚 忠1，朱本伟*1，徐 虹1（1.南京工业大学 食品与轻工学院，江苏 南京210009；2.南京中医药大学 医学院整合医学学院，江苏 南京210023）收稿日期：2022-04-28基金项目：国家自然科学基金项目（31601410）；江苏省博士后科研资助计划项目（51208364）；宿迁市科技计划项目（L201906）。*通信作者：朱本伟（1987），男，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事酶工程研究。E-mail：综 述182023年第42卷第1期食品与生物技术学报李 丽，等：褐藻胶多糖分子修饰酶的研究进展综 述褐藻胶是一种由-D-甘露糖醛酸（-D-mannuronate，M）和-L-古 洛 糖 醛 酸（-L-guluronate，G）通过14糖苷键连接的线性多聚体1，根据其分子的长度、M/G残基比率和分布以及乙酰化程度等，使其具有凝胶强度、水合能力、黏度和生物活性等特性，在食品、医药和化妆品等领域有着巨大的应用价值。褐藻胶的这些特性主要通过褐藻胶修饰酶对褐藻胶的合成和修饰过程进行控制，为了能够利用不同的褐藻胶修饰酶进行高效、安全和绿色地制备具有不同性质的褐藻胶分子，作者旨在介绍褐藻胶修饰酶合成和修饰褐藻胶的作用机理，总结目前几种褐藻胶修饰酶的来源、分类、结构、作用方式和研究进展，为将来更好地应用褐藻胶修饰酶和开发褐藻胶的商业价值提供参考。褐藻胶根据残基的排列组合不同分成3种片段：聚甘露糖醛酸（poly-mannuronate，poly-M）片段、聚古洛糖醛酸（poly-guluronate，poly-G）片段和甘露糖醛酸-古洛糖醛酸（poly-MG）杂合段。poly-M和poly-G的链式结构非常相似，单糖组分的区别仅仅是C5上羟基位置的不同（见图1）1。图1不同结构褐藻胶的结构示意图Fig.1Structural diagram of alginate with differentstructures自然界中的褐藻胶主要是由褐藻、一些钙质红藻、假单胞菌属和固氮菌属的一些细菌产生的。目前的商业褐藻胶主要是从一些褐藻植物中提取，如泡 叶 藻（Ascophyllum）、公 牛 藻（Durvillaea）、昆 布（Ecklonia）、螺纹雷松藻（Lessonia trabeculata）、巨藻（Macrocystis）和马尾藻（Sargassum）等2。不同来源褐藻胶的组成和结构不同，例如螺纹雷松藻和极北海带（Laminaria hyperborea）中的褐藻胶古洛糖醛酸含量较高（M/G残基比率50rNitAly深海热液喷口70热稳定性在50 的磷酸盐缓冲液（pH 6.0）中孵育72 h后，可保留49.0%的初始活性在90 时的产物产量比40 时高18倍，在没有底物的条件下AMOR_PL17A能够在60 下稳定24 h在67 条件下孵育30 min后活性仍保留50%，即使在100 条件下处理30 min后仍旧残留10%的活性参考文献929394到目前为止有关褐藻胶裂解酶耐热机制的相关研究还较少，根据已有报道，rNitAly的热稳定性与Cys80和Cys232之间形成的二硫键有关94。来自Cobetia sp.NAP1的AlgC-PL7的热稳定性可能与-螺旋有关95。Yang等对AlyM进行保守结构域重建，去除F5_F8_type_C结构域后，在45 下孵育1 h的热稳定性由保留30%40%的酶活力提升到了保留大约70%的酶活力96，经截断后的突变体具有比全酶更紧凑的结构，能更好地抵抗热变性的影响，证明酶的热稳定性也可能与酶的结构紧凑程度有关。在低温条件下进行酶促反应可以减少能耗、降低微生物污染的风险和终止催化反应的难度，一般的耐冷性褐藻胶裂解酶在低于35 时具有最高的催化活性，并通常在20 时保留最高活性的50%57。表3中列举了3种具有良好低温稳定性的褐藻胶裂解酶。表3典型的耐冷褐藻胶裂解酶Table 3Typical cold-adapted alginate lyaseAlyw201Vibrio sp.W230AlyC3Psychromonas sp.20在低温10 和20 下，催化活性分别为最高活性的72.9%和38.4%在1 下保持其最高活性的48.2%5797酶来源最适温度/低温稳定性参考文献Alg2951Alteromonas portusHB16171825在低于30 的温度下有很好的稳定性47对于大多数褐藻胶裂解酶来说，催化的最适pH接近中性，并且只在狭窄的pH范围内表现出较高活性，也有一些酶在狭窄的pH碱性条件下表现出最高活性。只有少数酶在较宽的pH范围内表现出较高活性。例如来自Vibrio sp.NJ-04的AlgNJ-04裂解酶在pH 4.010.0的宽pH范围内保留了超过80%的 活 性，表 现 出 优 异 的pH稳 定 性 98。而Alyw201在pH 5.010.0孵育12 h后仍保留超过70%的活性。特别是在检测到的整个pH范围（pH3.011.0）中，孵育12 h后仍保留超过40%的活性57。另外，来自Pseudoalteromonas carrageenovoraASY5的Alg82399、Vibrio sp.SY01的Aly08100、Serratia marcescens NJ-07的AlgNJ-07101、Paeniba-cillus sp.LJ-23的Algpt37等均具有良好的pH稳定性。从海洋环境中分离出的褐藻胶裂解酶通常还25LI Li，et al：Research Progress of Alginate Polysaccharide MolecularModifying EnzymesJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023Review具有盐活化这一特性，即在一定浓度的氯化钠溶液中，褐藻胶裂解酶的活性增加数倍，反映了它们对海水环境的适应能力。如在1 mol/L NaCl条件下，AlgM4的活性增加了约7倍102；AlyPM其活性在0.51.2 mol/L NaCl条件下可以增加6倍103；而对于来自Vibrio sp.的A9mT在0.4 mol/L NaCl条件下其活性增加了24倍104。尽管到目前为止已经发现了很多褐藻胶裂解酶可以被盐激活，但是其中的激活机制并没有被彻底揭示出来。根据已有报道，AlgNJ-04的盐活化特性是由于褐藻胶分子中结合水的去除或褐藻胶-酶复合物形成过程中的电荷效应98。AlgM4的二级结构中-螺旋和-折叠的含量被NaCl改变从而增强了其对底物的亲和力和抵抗热变性的能力102。AlyPM的盐活化特性也是由于在NaCl存在时其对底物亲和力增强，但是结构并不发生变化103。AlyC3的盐活化机制则是因为保留了二聚体四元结构97。总之，目前对褐藻胶裂解酶的基础研究依然主要集中在新型褐藻胶裂解酶的表征、酶学性质分析以及对酶的三级结构分析，而为了更好地利用褐藻胶裂解酶进行工业化生产，需要进行更多的研究来揭示褐藻胶裂解酶催化机制。2.6褐藻胶裂解酶的应用褐藻胶裂解酶的应用包括褐藻胶寡糖的制备、原生质体分离、肺囊性纤维化病的治疗以及褐藻胶测序等方面。1）褐藻胶寡糖的制备褐藻胶寡糖相对分子质量小，具有多种生物活性。褐藻胶寡糖的制备方式包括酸解、热解和酶解等。Iwamoto等比较了酸解和酶解制得的褐藻胶寡糖对肿瘤坏死因子TNF-的诱导活性，结果证明酶解得到的褐藻胶寡糖具有