夏許寒，朱成林，李　誠*

（四川農業(yè)大學食品學院，四川 雅安 625014）

β-1，3-1，4-葡聚糖酶研究進展

夏許寒，朱成林，李誠*

（四川農業(yè)大學食品學院，四川 雅安 625014）

β-1，3-1，4-葡聚糖酶（EC 3.2.1.73）是一類內切型糖苷水解酶，廣泛存在于各類微生物及植物中，對谷物β-1，3-1，4-葡聚糖的水解具有重要作用。在食品工業(yè)及飼料工業(yè)有著廣闊的應用前景。目前已有GH16、GH17及GH26 3 個糖苷水解酶家族的β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構得到解析。本文針對β-1，3-1，4-葡聚糖酶的來源、性質、結構、功能及應用的國內外研究現(xiàn)狀進行綜述。

β-1，3-1，4-葡聚糖酶；酶學性質；結構與功能；應用

β-1，3-1，4-葡聚糖是由β-D-葡萄糖殘基通過β-1，3和β-1，4糖苷鍵混合連接的一類直鏈高分子葡聚糖，主鏈由β-1，3糖苷鍵連接的纖維三糖和纖維四糖重復結構單元形成（圖1），在大麥、燕麥、高粱等谷物胚乳細胞壁中的含量極為豐富。β-1，3-1，4-葡聚糖酶（又稱地衣多糖酶；EC 3.2.1.73）作為一種重要的β-葡聚糖水解酶，能夠特異性水解β-1，3-1，4-葡聚糖中與β-1，3糖苷鍵相鄰的β-1，4糖苷鍵（圖1），生成3-O-β-纖維二糖基-D-吡喃葡萄糖（G4G3G）和3-O-β-纖維三糖基-D-吡喃葡萄糖（G4G4G3G）［1］。β-1，3-1，4-葡聚糖酶作為一種重要的糖苷水解酶類，對谷物β-1，3-1，4-葡聚糖的水解具有重要作用，能夠有效降低麥汁黏度和消除抗營養(yǎng)因子，因而被廣泛應用于啤酒和飼料行業(yè)中［1-2］。然而，受到質量、價格等因素的影響，目前市場上的β-1，3-1，4-葡聚糖酶并不能完全滿足現(xiàn)有工業(yè)應用的需求。因此，如何開發(fā)種類更多、酶活力更高、性質更好的β-1，3-1，4-葡聚糖酶來消除谷物類β-葡聚糖造成的負面作用，一直是酶制劑工業(yè)、釀造工業(yè)和飼料工業(yè)的研究重點。國內外研究者已對β-1，3-1，4-葡聚糖酶展開了系統(tǒng)性研究，為了歸納總結β-1，3-1，4-葡聚糖酶的研究熱點和發(fā)展趨勢，本文對β-1，3-1，4-葡聚糖酶的來源、蛋白質結構、催化機理、酶學性質及應用等方面的國內外研究現(xiàn)狀進行了綜述，為β-1，3-1，4-葡聚糖酶的進一步研究開發(fā)提供參考。

圖1　1 β-1，3-1，4-葡聚糖酶降解大麥β-葡聚糖的作用方式［1］1Fig.1　Enzymatic depolymerisation of barley β-glucan by β-1，3-1，4-glucanase［1］

1　1 β-1，3-1，4-葡聚糖酶的來源

β-1，3-1，4-葡聚糖酶主要來源于各種微生物以及高等植物中［3］。由于微生物來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶具有生產周期短、酶活力穩(wěn)定、生產容易放大等優(yōu)點，目前已成為β-1，3-1，4-葡聚糖酶研究的最主要來源。一些微生物來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶能夠高效水解植物胚乳中的β-葡聚糖，具有良好應用前景。關于β-1，3-1，4-葡聚糖酶來源，早期的研究主要集中在產酶菌株的篩選和發(fā)酵條件的優(yōu)化、酶的分離純化和性質的研究。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)天然來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶往往難以同時滿足工業(yè)生產對酶活性、反應溫度和pH值等多方面的實際需求，無法直接應用于生產實踐中。因此近年來，β-1，3-1，4-葡聚糖酶的基因克隆和外源表達成為獲得工業(yè)用酶另一種有效途徑。同時，隨著生物信息學、結構生物學及酶催化作用機理研究的深入，一些宏基因組來源或人工分子改造β-1，3-1，4-葡聚糖酶也逐步得到重視。

1.1細菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶

細菌β-1，3-1，4-葡聚糖酶是報道最為廣泛，研究較為透徹的一類β-1，3-1，4-葡聚糖酶，也是目前工業(yè)應用β-1，3-1，4-葡聚糖酶的主要來源。產β-1，3-1，4-葡聚糖酶的細菌主要是芽孢桿菌，包括枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）［4-8］、特基拉芽孢桿菌（Bacillus tequilensis）［9］、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）［10-12］、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）［13-14］、嗜堿芽孢桿菌（Bacillus halodurans）［15］、環(huán)狀芽孢桿菌（Bacillus circulans）［16］、類芽孢桿菌（Paenibacillus sp.）［17］、多黏芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）［18］和高地芽孢桿菌（Bacillus altitudinis）［19］等。此外，還有一些產β-1，3-1，4-葡聚糖酶的細菌，如產琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）［20-22］、牛鏈球菌（Streptococcus bovis）［23］、硫磺菌（Laetiporus sulphureus）［24］和熱纖維梭菌（Clostridium thermocellum）［25-26］等。其中在畢赤酵母（Pichia pastoris）中異源表達的產琥珀酸絲狀桿菌來源的重組β-1，3-1，4-葡聚糖酶比活力達到10 800 U/mg，為已報道的細菌β-1，3-1，4-葡聚糖酶的最高比活力［21］。一些芽孢桿菌所產β-1，3-1，4-葡聚糖酶的性能較為優(yōu)異，其熱穩(wěn)定性較強，且對底物有較強特異性。由于發(fā)酵條件較為成熟，目前工業(yè)應用的β-1，3-1，4-葡聚糖酶主要為地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）經液態(tài)深層發(fā)酵制備。

1.2真菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶

真菌是β-1，3-1，4-葡聚糖酶的一個重要來源。產β-1，3-1，4-葡聚糖酶的真菌以嗜熱真菌為主，包括嗜熱擬青霉（Paecilomyces thermophila）［27］、米黑根毛霉（Rhizomucor miehei）［28］和樟絨枝霉（Malbranchea cinnamomea）［29］，嗜酸真菌，如Bispora sp.［30］以及埃默森籃狀菌（Talaromyces emersonii）［31］、致病疫霉（Phytophthora infestans）［32］、碎囊毛霉［33］等。其中米黑根毛霉（Rhizomucor miehei）來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶胞外活力達到6 230 U/mL，在最適條件下的比活力達到28 820 U/mg，為已報道的真菌β-1，3-1，4-葡聚糖酶的最高比活力［28］。酵母菌也能產生幾種β-葡聚糖酶，但基本不能水解由β-1，3糖苷鍵和β-1，4糖苷鍵混合連接的β-葡聚糖，且分泌量相對較少，作用也較弱［34］。由于飼料造粒溫度及麥芽汁糖化工藝溫度的需求，熱穩(wěn)定性成為考察β-1，3-1，4-葡聚糖酶適應性的重要指標，因此基于嗜熱真菌發(fā)掘耐熱β-1，3-1，4-葡聚糖酶成為目前的一大研究趨勢［27-29］。此外，利用真菌固態(tài)發(fā)酵能夠有效降低酶發(fā)酵制備成本，簡化發(fā)酵流程，使得真菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶的開發(fā)利用日漸受到重視。

1.3植物來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶

β-1，3-1，4-葡聚糖酶也廣泛存在于高等植物細胞壁中，尤其在大麥、燕麥和黑麥等谷類作物的胚乳細胞壁中含量最為豐富［35-36］。谷物種子本身不含有β-1，3-1，4-葡聚糖酶，但在其發(fā)芽過程中，胚乳細胞受到胚上皮細胞分泌的赤霉酸刺激，將逐步合成一系列內源性β-1，3-1，4-葡聚糖酶，用于分解胚乳細胞壁中的β-葡聚糖，解除其對胚乳中的抗性作用，保證種子的正常發(fā)芽［18］。但植物來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶分泌量極少，且比活力較低，適應性較差，不適用于工業(yè)生產。目前研究多限于β-1，3-1，4-葡聚糖酶的植物生理活性功能或新來源的探索。

2　2 β-1，3-1，4-葡聚糖酶的結構和催化機理

糖苷水解酶基于氨基酸序列的進化關系可分類為不同家族，到目前為止，根據碳水化合物活性酶數(shù)據庫（Carbohydrate-Active Enzymes Database，http:// www.cazy.org/［36］）的分類，共有135 個糖苷水解酶家族（glycoside hydrolase family，GH）分屬于14 個超家族（super family）：GH-A-GH-N。已發(fā)現(xiàn)的β-1，3-1，4-葡聚糖酶可以歸屬于9 個GH：GH5、GH7、GH8、GH9、GH11、GH12、GH16、GH17和GH26。目前已有GH16、GH17及GH26 3個GH的β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構得到解析（表1）。到目前為止，所有已報道的典型β-1，3-1，4-葡聚糖酶均歸屬于GH16和GH17家族，其他GH中β-1，3-1，4-葡聚糖酶分布較少，且多為纖維素酶/β-1，3-1，4-葡聚糖酶多功能酶或昆布多糖酶/β-1，3-1，4-葡聚糖酶多功能酶，不屬于嚴格意義上的β-1，3-1，4-葡聚糖酶。植物和微生物來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶在氨基酸序列和三維結構上都存在較大差異。根據氨基酸序列的進化關系分類，已發(fā)現(xiàn)的微生物來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶主要歸屬于GH16家族，而植物（如大麥芽、大米和煙草）來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶主要歸屬于為GH17家族。

表1　已解析的β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構Table1　Structures oβf-1，3-1，4-glucanasesnases

2.1GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶

圖2　GH16及GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶的結構與催化機理Fig.2　Structures and catalytic mechanisms of β-1，3-1，4-glucanases belonging to GH16 and GH17 families

GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶屬于GH-B超家族，其三維結構由兩組反相平行的β-折疊體系構成的緊密的β-折疊果凍卷結構（β-jelly roll），β-折疊堆砌在頂端形成蛋白質中心，每一個環(huán)的結構通過β-轉角穩(wěn)定，中心由7 條彎曲的反向平行鏈通過一端形成裂隙，構成貫穿于酶分子表面的狹長催化凹槽，作為與長鏈底物的結合區(qū)域［37］。兩個保守的谷氨酸殘基位于β-折疊果凍卷結構的第8個β-折疊上，分別發(fā)揮親核試劑與酸/堿催化基團作用（圖2a）。GH16家族遵循糖苷水解酶“保留型”催化機制。酶解反應在保守的活性氨基酸殘基參與下執(zhí)行兩步反應，在反應歷程中同樣會形成不穩(wěn)定的酶-糖基中間體。在反應的第一步，活性中心的谷氨酸殘基作為廣義酸攻擊底物的異頭碳。底物的β-1，4糖苷鍵斷裂，離去基團被切去，并形成了酶-糖基不穩(wěn)定中間體。隨后，活性中心的谷氨酸殘基作為廣義堿，協(xié)助水分子攻擊酶-糖基不穩(wěn)定中間體的異頭碳位置。最終，β-1，4糖苷鍵斷裂，形成了最終的底物水解產物（圖2c）。GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶屬于內切型糖苷水解酶，從β-1，3-1，4-葡聚糖長鏈底物內部隨機切斷β-1，3糖苷鍵鄰近的β-1，4糖苷鍵，水解產物為一系列聚合度不同的低聚糖。目前已有芽孢桿菌［38］、產琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）［22］、嗜熱擬青霉（Paecilomyces thermophila）［37］等一些GH16家族的β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構得到解析。一些GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶的酶-底物/抑制劑復合物的結構表明，GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶的催化凹槽中存在一些位阻氨基酸，將催化凹槽阻隔成為曲折構型，從而適宜于β-1，3與β-1，4糖苷鍵混合連接的非直線型底物的結合。這些復合物信息從結構上解釋了GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶的底物特異性作用機制，闡述了三維結構類似的不同GH16家族蛋白具有水解不同類型底物的根本原因［38］。GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶分子內普遍存在一些二硫鍵，對酶的穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用。由于“保留型”催化機制，在反應歷程中形成了不穩(wěn)定的酶-糖基中間體，部分GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶存在微弱的轉糖苷活性。目前已有針對GH16家族β-1，3-葡聚糖酶的分子改造研究，通過活性位點突變使其成為糖基轉移酶用于合成環(huán)狀β-1，3-葡寡糖［39］。因此，基于催化凹槽的理性設計改造使得GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶同樣具有潛在的合成異源糖苷或低聚寡糖能力。同時，GH16家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶豐富的結構信息及催化機制研究也為下一步的分子改造提供了理論基礎。

2.2GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶

已發(fā)現(xiàn)的GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶全部為植物來源，在植物生理代謝中發(fā)揮著重要功能。GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶屬于GH-A超家族，其三維結構呈現(xiàn)典型的TIM桶狀結構（TIM-barrel fold），由8 個α-螺旋和8 個β-折疊環(huán)繞形成。酸堿催化、親核試劑谷氨酸殘基分別位于第4和第7個β-折疊上（圖2b）。一個能夠容納長鏈底物的狹長催化凹槽貫穿整個酶的表面。已有的研究表明GH17家族內切β-1，3-14-葡聚糖酶與GH16家族蛋白類似，遵從“保留型”反應機制。酶解反應在保守的活性氨基酸殘基（谷氨酸殘基）參與下執(zhí)行兩步反應，在反應歷程中同樣會形成不穩(wěn)定的酶-糖基中間體（圖2c）。目前僅有1 例大麥（Hordeum vulgare）來源的GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構得到解析［40-41］。研究者同時解析了相同來源的GH17家族β-1，3-葡聚糖酶晶體結構。通過兩者對比，狹長催化凹槽內的氨基酸殘基位阻排布差異造成了兩種酶對應底物的差異。盡管GH17家族中存在外切型β-1，3-葡聚糖酶，但已發(fā)現(xiàn)的GH17家族β-1，3-1，4-葡聚糖均屬于內切型糖苷水解酶，從β-1，3-1，4-葡聚糖長鏈底物內部隨機切斷β-1，3糖苷鍵鄰近的β-1，4糖苷鍵，水解產物同樣為一系列聚合度不同的低聚糖。

3　3 β-1，3-1，4-葡聚糖酶的酶學性質

表2　不同β-1，3-1，4-葡聚糖酶性質Table2　Characterization of β-1，3-1，4-glucanases from different microbial origins

不同來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶的性質各不相同，這種差異不僅表現(xiàn)在物種上，而且還表現(xiàn)在種屬間（表2）。其中大多數(shù)為胞外酶，一般都采用常規(guī)處理方法進行分離純化，如離心和/或超濾、硫酸銨或有機溶劑沉淀、離子交換等各種柱層析、電泳等。真菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶分子質量通常在30～50 kD之間，最適pH值在4.8～7.0之間，以酸性酶居多，最適溫度在55～80℃，一般具有較好的耐酸性和耐熱性。耐熱性較好的β-1，3-1，4-葡聚糖酶一般都是糖基化蛋白，但糖基化程度卻大不相同。不同真菌來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶的米氏常數(shù)（Km）值差異較大，一般介于1.11～13.38 mg/mL之間，表明β-1，3-1，4-葡聚糖酶對于底物的親和能力具有較大差異。目前，β-1，3-1，4-葡聚糖酶的研究主要以細菌為主，關于真菌發(fā)酵產β-1，3-1，4-葡聚糖酶的研究報道較少。Yang Shaoqing等［27］以玉米芯作為碳源，首次報道了嗜熱擬青霉發(fā)酵產β-1，3-1，4-葡聚糖酶，該酶為分子質量為34.6 kD的單亞基蛋白，最適反應溫度和pH值分別為70 ℃和7.0，具有較寬的pH值穩(wěn)定范圍（pH 4.0～10.0）和溫度穩(wěn)定性（＜65℃）。Tang Yanbin等［28］利用米黑根毛霉液體發(fā)酵得到了一種耐熱β-1，3-1，4-葡聚糖酶，其酶活力高達6 230 U/mL，該酶最適pH值為5.5，最適溫度為60 ℃，在pH 4.5～8.5范圍內具有較好的穩(wěn)定性，在80 ℃處理30 min，酶活力仍能保持70%以上，具有良好的工業(yè)應用價值。真菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶一般為耐酸性或中性酶，目前僅有樟絨枝霉來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶顯示出耐堿特性。Yang Shaoqing等［29］以玉米芯為碳源，對樟絨枝霉進行液體發(fā)酵產β-1，3-1，4-葡聚糖酶，該酶最適pH值為10.0，在pH 4.5～10.0范圍內保持穩(wěn)定，最適作用溫度為55 ℃，在50 ℃以下保持穩(wěn)定，作為耐堿性β-1，3-1，4-葡聚糖酶，在洗滌劑工業(yè)具有一定潛在應用價值。細菌β-1，3-1，4-葡聚糖酶分子質量在20～50 kD之間，通常都是單亞基蛋白，最適pH值在5.0～7.0之間，最適溫度在40～65 ℃之間。不同細菌來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶的Km值一般介于1.82～10.00 mg/mL之間，對于β-1，3-1，4-葡聚糖酶底物的水解能力差異較大。Mao Shurui等［19］從淤泥中篩選得到1 株產β-1，3-1，4-葡聚糖酶高地芽孢桿菌（Bacillus altitudinis），純化得到該酶的分子質量為27 kD，最適反應溫度和pH值分別為60 ℃和6.0，具有較寬的pH值穩(wěn)定范圍（pH 5.0～9.0）和溫度穩(wěn)定性（＜60 ℃），該酶能夠被Co2+、Fe2+、Ca2+等金屬離子激活，比活力達到3 191.5 U/mg。Na等［17］報道了一種類芽孢桿菌（Paenibacillus sp.）來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶，該酶屬于GH8家族，與常見β-1，3-1，4-葡聚糖酶不同，該酶具有較寬的底物特異性，除水解大麥葡聚糖外，還能水解殼聚糖、羧甲基纖維素鈉。該酶分子質量為41.5 kD，最適反應溫度和pH值分別為50 ℃、5.0。細菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶熱穩(wěn)定性普遍低于真菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶，最適pH值以中性居多。僅芽孢桿菌N137來源的β-1，3-1，4-葡聚糖酶最適pH值為9.0，在pH 12.0條件下仍然保持80%以上的活性［42］。由于細菌來源β-1，3-1，4-葡聚糖酶來源廣泛、表達量大、制備條件成熟，目前已大規(guī)模用于工業(yè)生產。隨著分子生物學技術的發(fā)展，越來越多的β-1，3-1，4-葡聚糖酶基因得到克隆表達，利用大腸桿菌、畢赤酵母等表達載體高效異源表達進一步拓寬了β-1，3-1，4-葡聚糖酶的來源，降低了β-1，3-1，4-葡聚糖酶的生產成本。

4　4 β-1，3-1，4-葡聚糖酶的應用

β-1，3-1，4-葡聚糖酶在食品工業(yè)中的應用潛力非常廣泛。主要包括：提高果汁澄清度、提高啤酒及食用油榨取產率、提高烘焙食品質量以及飼料工業(yè)中用于提高飼料吸收率。其中在啤酒釀造及飼料工業(yè)中的應用目前研究較為充分。

4.1啤酒釀造中的應用

β-1，3-1，4-葡聚糖廣泛應用于啤酒生產中。大麥是生產啤酒的主要原料，在啤酒制麥過程中，大麥中內源性β-1，3-1，4-葡聚糖酶因熱失活，其胚乳細胞壁中的β-葡聚糖大量溶解在麥芽汁中，不僅使麥芽浸出率降低，而且還增大了麥芽汁黏度，造成過濾困難，最終還可能在啤酒中形成凝膠絮狀沉淀，這不僅提高了啤酒的生產成本，還影響啤酒的質量。在啤酒生產過程中添加適量的β-1，3-1，4-葡聚糖酶能較好地解決上述問題。β-1，3-1，4-葡聚糖酶在啤酒生產中發(fā)揮的主要4 種功能為：降解麥芽中的β-葡聚糖，降低麥汁黏度，提高過濾速度與麥汁的澄清度；提高糖化生產能力，促進可發(fā)酵性糖比例的提高，降低糧耗；提高啤酒的膠體穩(wěn)定性，消除β-葡聚糖引起的冷渾濁；降解β-葡聚糖，提高純生啤酒生產過程中濾膜的使用效率，延長膜的使用壽命。目前商品β-1，3-1，4-葡聚糖的價格一般在800～1 500元/kg，β-1，3-1，4-葡聚糖在啤酒麥芽汁中的添加量一般為0.01%～0.02%（以麥芽干質量計）［2］。Bai Yingguo等［43］從Alicyclobacillus sp. A4中得到一種新的屬于GH9家族的β-葡聚糖酶并將其應用于麥芽糖化實驗中，添加20 U/mL的β-1，3-1，4-葡聚糖酶，能將麥芽汁過濾時間縮短26.7%，黏度降低6.12%，將該葡聚糖酶與商用木聚糖酶混合使用，麥芽汁過濾時間和黏度分別降低31.7%和8.79%。Celestino等［44］利用Rhizopus microsporus var. microsporus產的β-1，3-1，4-葡聚糖酶能將麥芽汁過濾時間縮短20.4%，黏度降低4.7%，而其用酶量僅為11.0 μg。McCarthy等［45］利用Talaromyces emersonii的紫外突變菌株所產的β-1，3-1，4-葡聚糖酶粗酶液能將麥芽汁的黏度由3.680 mPa·s最低降到1.587 mPa·s，相同過濾時間內，濾液由100 mL增加到115 mL。其所用的粗酶液中同時具有β-1，3-1，4-葡聚糖酶活性、纖維素酶活性、β-1，3-葡聚糖酶活性以及β-葡萄糖苷酶活性。

4.2飼料工業(yè)中的應用

β-1，3-1，4-葡聚糖目前也廣泛應用在飼料工業(yè)中。用大麥作為飼料的主要原料時，豬及禽類等單胃動物自身不能合成β-1，3-1，4-葡聚糖酶，其消化道內也沒有能夠分泌該酶的微生物，從而使β-葡聚糖成為單胃動物飼料的一種抗營養(yǎng)因子，降低了飼料的效果和養(yǎng)分的消化吸收，限制了大麥等在飼料中的應用。此外，飼料中無法消化的葡聚糖使得飼料黏度較高，不利于小腸對營養(yǎng)物質的吸收。而β-葡聚糖酶能將大麥中的β-葡聚糖降解為小分子，使之失去抗營養(yǎng)特性，從而有利于動物對營養(yǎng)物質的消化和吸收，提高動物的生長性能和糧食的轉化率［46］。研究表明，飼料中添加β-葡聚糖及木聚糖酶后，仔豬小腸對飼料中葡萄糖的有效攝取率有一定程度提高［47］。β-1，3-1，4-葡聚糖目前在禽類飼料添加中的研究較為廣泛，其在家禽飼養(yǎng)實驗中的應用效果也要明顯好于家畜中的效果。調質制粒、擠壓膨化是目前飼料生產中最主要的熱處理工藝。飼料在制粒時，除了蒸汽加熱作用外，還有環(huán)模與壓輥的高壓剪切作用，以及飼料中其他添加劑的混合作用，易對飼料中酶制劑的活性造成損壞。因此，開發(fā)穩(wěn)定性較強，尤其是熱穩(wěn)定性較好的β-1，3-1，4-葡聚糖酶對于其在飼料中的應用具有重要意義。

5　結 語

β-1，3-1，4-葡聚糖酶作為一種新型添加劑，具有廣泛而顯著的經濟效益和社會效益，開發(fā)前景十分廣闊。但目前已有的β-1，3-1，4-葡聚糖酶還存在一些不足，例如穩(wěn)定性較差、酶活力偏低、酸堿及溫度適應性較差等，還不能完全滿足工業(yè)應用的需求。因此，在現(xiàn)有研究基礎上，開發(fā)種類更多、酶活力更高、穩(wěn)定性和適用性更好的β-1，3-1，4-葡聚糖酶還有待進一步探索。此外，目前已報道的β-1，3-1，4-葡聚糖酶主要來源于GH16及GH17家族，其他家族的β-1，3-1，4-葡聚糖酶報道并不多見，其酶學性質、應用及催化機理均有待進一步研究。

隨著基因工程及蛋白質工程技術的發(fā)展，越來越多不同來源及特異性各異的β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構已得到解析。近年來，利用β-1，3-1，4-葡聚糖酶結構生物學信息，采用酶工程理性設計改造手段，得到具有更優(yōu)異性能的β-1，3-1，4-葡聚糖酶也成為一項研究熱點。越來越多的研究者涉及到這一領域，一些研究表明，對關鍵位點氨基酸的定點突變能夠有效提高β-1，3-1，4-葡聚糖酶的熱穩(wěn)定性或提高酶的催化能力［13，48-49］。通過對β-1，3-1，4-葡聚糖酶催化凹槽的改造能夠改變酶的底物特異性，使得β-1，3-1，4-葡聚糖酶同時能夠接受支鏈木聚糖底物［50］。此外，定向進化等手段也是改造β-1，3-1，4-葡聚糖酶的一個有效手段。一些研究表明，通過定向進化能夠得到熱穩(wěn)定性改善的新型β-1，3-1，4-葡聚糖酶［7，51］。因此，解析具有特殊功能的β-1，3-1，4-葡聚糖酶蛋白質結構，了解其催化機理，并利用現(xiàn)有結構生物學信息改造現(xiàn)有β-1，3-1，4-葡聚糖酶仍是今后的一項研究熱點。

嗜熱或嗜酸微生物是微生物資源中較為特殊的一類，它們通常能夠在生長和代謝過程中產生一些具有特殊催化能力的酶類，這些酶類與一般微生物來源的酶相比具有穩(wěn)定性強、適用面廣等優(yōu)勢，在工業(yè)生產中具有更好的應用前景。近年來，嗜熱及嗜酸微生物中的β-1，3-1，4-葡聚糖酶的篩選以及基因資源的開發(fā)也逐漸得到重視。一系列嗜熱真菌中的β-1，3-1，4-葡聚糖酶得到純化或部分新型β-1，3-1，4-葡聚糖酶基因得到克隆表達［19，27］。利用極端環(huán)境微生物這些優(yōu)勢，開發(fā)新型β-1，3-1，4-葡聚糖酶仍然值得進一步研究。

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Advances in Research on β-1，3-1，4-Glucanase

XIA Xuhan， ZHU Chenglin， LI Cheng*
（College of Food Science， Sichuan Agricultural University， Ya’an 625014， China）

β-1，3-1，4-Glucanases （EC 3.2.1.73） are a class of endo-type glucoside hydrolases widely distributed in bacteria，fungi and plants. They can randomly hydrolyze β-1，4-linkages in β-1，3-1，4-glucans from cereals and have great potential in the food and feed industries. To date， there are three glycoside hydrolase families （GH16， GH17 and GH26） which β-1，3-1，4-glucanases belong to whose crystal structures have been resolved. This paper reviews the current knowledge about the sources， properties， structures and functionalities of β-1，3-1，4-glucanases as well as their recent applications in the food and feed industry.

β-1，3-1，4-glucanase； enzyme characteristics； structure and functionality； application

10.7506/spkx1002-6630-201619048

Q814.4

A

1002-6630（2016）19-0289-07

夏許寒， 朱成林， 李誠. β-1，3-1，4-葡聚糖酶研究進展［J］. 食品科學， 2016， 37（19）： 289-295. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201619048. http：//www.spkx.net.cn

XIA Xuhan， ZHU Chenglin， LI Cheng. Advances in research on β-1，3-1，4-glucanase［J］. Food Science， 2016， 37（19）：289-295. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201619048. http：//www.spkx.net.cn

2016-03-10

夏許寒（1995—），男，本科，研究方向為食品科學與工程。E-mail：xiaxuhanxh@163.com

李誠（1964—），男，教授，碩士，研究方向為畜產品加工與質量安全控制。E-mail：lichenglcp@163.com