黃月園,徐 錚,徐 虹
(南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院材料化學(xué)工程國家重點實驗室,江蘇南京211800)
D-阿洛酮糖(D-psicose或D-allulose)是一種在自然界中存在但含量極少的單糖,它可溶于水、甲醇、乙醇,不溶于丙酮,熔點109 ℃。D-阿洛酮糖是D-果糖的C3位差向異構(gòu)體,也是稀少糖D-阿洛糖的醛酮糖異構(gòu)體(圖1)。在自然界中少量存在于無花果、甘蔗糖蜜、水果干、糖制品、小麥和鼠刺屬植物中。
圖1 D-果糖、D-阿洛酮糖、D-阿洛糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structures of D-fructose,D-psicose,and D-allose
D-阿洛酮糖具有零熱量、調(diào)節(jié)血糖、抗氧化等有益于人體的特殊功效,其甜度與蔗糖接近(70%),被認為是最具有規(guī)模化應(yīng)用潛力的蔗糖替代品[1]。與D-果糖和D-葡萄糖相比,D-阿洛酮糖可以生成更多的抗氧化物,使食物長期維持抗氧化狀態(tài),保持食品風(fēng)味、色澤及口感[2-4]。此外,它對植物也具有很大影響,日本香川大學(xué)的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)D-阿洛酮糖能夠誘導(dǎo)水稻等作物防御病蟲害并調(diào)節(jié)植物生長[1]。2011年美國食品與藥物管理局(FDA)確定D-阿洛酮糖為普遍公認安全(GRAS)食品。D-阿洛酮糖可作為甜味劑或食品添加劑的組成成分,在膳食、保健、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。作為一種新型的功能性甜味劑,其巨大的商業(yè)價值和市場前景正有待人們?nèi)ラ_發(fā)。本文綜述了D-阿洛酮糖的理化性質(zhì)、合成工藝以及基因工程改造等方面的研究進展,并以D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶為討論對象預(yù)測D-阿洛酮糖發(fā)展前景,為未來的研究趨勢提供理論參考。
D-阿洛酮糖的化學(xué)合成主要是以葡萄糖為原料,鉬酸鹽為催化劑,經(jīng)化學(xué)催化、色譜分離提純、濃縮結(jié)晶等工序制備結(jié)晶的D-阿洛酮糖[5]。Bilik等[6]通過在酸性溶液中加入鉬酸鹽離子催化D-果糖產(chǎn)D-阿洛酮糖,然而所得混合物中D-阿洛酮糖的比例僅占0.5%,還有4.5%的D-山梨糖、1.0%的D-塔格糖等其他物質(zhì)的混合物,產(chǎn)量低、副產(chǎn)物多,不利于后續(xù)的分離提純。McDonald[7]利用三步化學(xué)法,將1,2:4,5-二-二鄰異丙二烯-β-D-吡喃果糖經(jīng)氧化還原生成D-阿洛酮糖。Doner[8]將D-果糖放入乙醇和三乙胺的混合溶液中煮沸制備D-阿洛酮糖。幾乎所有的化學(xué)法制備D-阿洛酮糖都有產(chǎn)量低、后續(xù)分離操作繁瑣、易造成重金屬和酸廢水污染、副產(chǎn)物多等問題。與化學(xué)合成法相比,符合環(huán)保要求的生物法成為新的研究熱點。生物法合成D-阿洛酮糖是以D-果糖為底物,通過D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶(D-psicose 3-epimerase,DPE酶)或D-塔格糖 3-差向異構(gòu)酶(D-tagatose 3-epimerase,DTE酶)催化D-果糖發(fā)生差向異構(gòu)反應(yīng)而生成。由于產(chǎn)物體系中D-果糖含量較高,需通過離子交換樹脂對產(chǎn)物進行分離純化,才能得到最終產(chǎn)品。與化學(xué)法相比,生物法合成D-阿洛酮糖不僅成本低而且安全環(huán)保,更不易造成污染,具有廣闊的發(fā)展前景。
1993年,日本學(xué)者Izumori等[9]首次報道了來自菊芋假單胞菌PseudomonascichoriiST-24中的D-酮糖 3-差向異構(gòu)酶,該酶可以使酮糖上的C3位發(fā)生差向異構(gòu)化,且這種酶對D-塔格糖的特異性最強,因此將該酶命名為DTE酶[10]。來自根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)中的DPE酶能夠特異性催化D-果糖(700 g/L)獲得D-阿洛酮糖(230 g/L),轉(zhuǎn)化率達到32.9%[11-12]。來自土壤中的根瘤菌(Sinorhizobiumsp.)經(jīng)甲苯處理后變成透性化細胞,在最佳優(yōu)化條件下催化700 g/L的D-果糖(3.9 mol/L)生成37 g/L D-阿洛酮糖[13]。江南大學(xué)的江波團隊致力于篩選新的D-阿洛酮糖工業(yè)菌株,他們從魚塘水樣中篩選出一株D-阿洛酮糖產(chǎn)率較高的菌株并鑒定為類球紅細菌(Rhodobactersphaeroides),定名為類球紅細菌SK011。該菌株以D-果糖(36 g/L)為底物,D-阿洛酮糖產(chǎn)率可達到6.54%。研究推斷類球紅菌SK011產(chǎn)生的DTE酶使D-果糖在C3位發(fā)生了差向異構(gòu)反應(yīng),生成D-阿洛酮糖。這也是國內(nèi)首次報道發(fā)現(xiàn)具有生物轉(zhuǎn)化D-果糖生成D-阿洛酮糖功能的菌株[14]。近年來,國內(nèi)外陸續(xù)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)來自不同菌株的DTE酶和DPE酶,為下一步工作打下扎實的研究基礎(chǔ),具體情況總結(jié)為表1。
由表1可以看出,Doreasp. DPE和R.sphaeroides的DTE最大酶活對應(yīng)的pH分別為6.0和9.0,其他DPE和DTE最大酶活對應(yīng)pH均為7.0~8.0。R.sphaeroides的DTE最大酶活對應(yīng)的溫度為40 ℃,而T.primita的DPE和Doreasp.的DPE最大酶活對應(yīng)的溫度為70 ℃,其他的DPE和DTE最大酶活對應(yīng)的溫度均介于這2個溫度之間。大多數(shù)的DPE在Co2+存在下表現(xiàn)出高的酶活力。在60 ℃條件下,來源于C.cellulolyticum的DPE酶的半衰期為408 min,是迄今為止所有關(guān)于DPE和DTE報道中熱穩(wěn)定性最高的一種。F.plautiiDPE酶在pH 7.0、65 ℃條件下催化750 g/L D-果糖反應(yīng)60 min,可產(chǎn)239 g/L D-阿洛酮糖,轉(zhuǎn)化率為32%,生產(chǎn)強度最高可達353 g/(L·h)。Desmosporasp.的DPE和Doreasp.的DPE對D-果糖和D-阿洛酮糖有最高的轉(zhuǎn)化率;此外,催化D-果糖和D-阿洛酮糖的反應(yīng)是可逆的,有趣的是大多數(shù)DPE催化D-阿洛酮糖產(chǎn)D-果糖的效率是催化D-果糖產(chǎn)D-阿洛酮糖的2~3倍(C.scindensDPE除外,其催化D-阿洛酮糖的催化效率是催化D-果糖的7.2倍),說明該酶更有利于催化D-阿洛酮糖。當(dāng)前,推動D-阿洛酮糖的工業(yè)化生產(chǎn)仍然是科學(xué)家們研究的難點與熱點,篩選出能夠適用于工業(yè)化生產(chǎn)的高效催化酶已成為瓶頸問題。
表1 不同來源的DPE和DTE的生化特性
酶/細胞催化技術(shù)在食品生物技術(shù)領(lǐng)域極為重要,從釀酒和奶酪生產(chǎn)到乳制品工業(yè)、焙烤工業(yè)、肉制品加工、淀粉和糖工業(yè)、油脂工業(yè)及食品安全檢測、飲料和果汁工業(yè)等領(lǐng)域,都有此類工藝的參與。大多數(shù)酶在不影響化學(xué)平衡的情況下,通過降低化學(xué)反應(yīng)的活化能或者激活底物使得反應(yīng)速率成倍提高,極大加快反應(yīng)進程,且催化專一性強,反應(yīng)條件溫和。這些優(yōu)勢非常符合食品工業(yè)的發(fā)展思路,酶/細胞催化技術(shù)也成為D-阿洛酮糖工業(yè)化生產(chǎn)的主流技術(shù)。柏瑋等[26]克隆了來源于解纖維梭菌ClostridiumcellulolyticumH10的dpe基因并使其在B.subtilis中得到了表達及純化,在最適條件下,將2.5 μg純化后的DPE酶液催化500 μL的D-果糖溶液(10 g/L)生成D-阿洛酮糖,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率達到27.3%。A.tumefaciens的DPE酶(AtDPE)的熱穩(wěn)定性差,可以通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)進行改造后的DPE酶在最適反應(yīng)條件下,可催化700 g/L的D-果糖生成178 g/L的D-阿洛酮糖,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率達到25%;而野生型的AtDPE酶僅能產(chǎn)107 g/L的D-阿洛酮糖[27]。利用全細胞催化D-果糖生成D-阿洛酮糖相對于酶催化而言操作更簡便。來自A.tumefaciens的雙突變體I33L/S213C的dpe基因在E.coli中表達后,4 g/L的菌體可催化700 g/L D-果糖生成230 g/L的D-阿洛酮糖,轉(zhuǎn)化率達到33%;而用粗酶提取液參與反應(yīng)時,僅有182 g/L的D-阿洛酮糖,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為26%[28]。此外,C.cellulolyticum的dpe基因在E.coli中表達后,培養(yǎng)菌液可直接催化750 g/L的D-果糖得到218 g/L的D-阿洛酮糖,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到29%[17]。來自Clostridiumbolteae的dpe基因在E.coli中重組表達后,2 gC.bolteae細胞干粉可催化750 g/L D-果糖生成216 g/L的D-阿洛酮糖,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為28.8%[16]。
同游離酶相比,固定化酶/細胞能進一步提高酶的穩(wěn)定性,延長酶的使用周期,且在產(chǎn)品的分離和重復(fù)使用性方面有著游離酶無法比擬的優(yōu)勢。因此,工業(yè)上常使用固定化酶或固定化細胞技術(shù)進行D-阿洛酮糖的制備。Itoh等[29]從培養(yǎng)的Pseudomonassp. ST-24中提取DTE(PsDTE),并將該酶固定在Chitopearl beads BCW 2503載體上,加入D-果糖反應(yīng)48 h后,大約有20%的果糖轉(zhuǎn)化為D-阿洛酮糖;對固定化載體進一步優(yōu)化后,Chitopearl beads BCW 2510固定化PsDTE,在40 ℃下反應(yīng)60 d后,可將25%的D-果糖轉(zhuǎn)化為D-阿洛酮糖[30]。在Agrobacteriumtumefaciens的DPE(AtDPE)的催化過程中,向反應(yīng)體系中添加硼酸可以有效提高整個催化過程的轉(zhuǎn)換效率,這是因為硼酸與D-阿洛酮糖的結(jié)合能力強于硼酸與D-果糖的結(jié)合能力,在可逆反應(yīng)過程中,硼酸與D-阿洛酮糖結(jié)合后,體系中D-阿洛酮糖濃度降低,為了保持整個反應(yīng)體系的平衡,更多的底物(D-果糖)向反應(yīng)的正向(D-阿洛酮糖)移動。然而硼酸的添加量是有一定限度的,當(dāng)硼酸的摩爾比率達到0.6時,D-阿洛酮糖的生成量達到最大,當(dāng)摩爾比率超過0.6,D-阿洛酮糖的生成量將呈下降趨勢[31]。當(dāng)Duolite A568 beads作為固定化載體時,加入了硼酸的固定化AtDPE生成D-阿洛酮糖(441 g/L)的產(chǎn)量和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率(63%)是未加入硼酸的固定化AtDPE的2.3倍,生產(chǎn)強度是未加入硼酸鹽的固定化酶的1.3倍[32]。將嗜熱菌(Thermusthermophilus)的葡萄糖異構(gòu)酶GI和AtDPE突變體(Ile33Leu/Ser213Cys)同時固定在釀酒酵母孢子的細胞壁上時,其催化葡萄糖產(chǎn)D-阿洛酮糖的轉(zhuǎn)化率為12%[33]。Ruminococcussp.的dpe基因在短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)中克隆表達,純化后的DPE酶液被固定在陰離子交換樹脂上,重復(fù)使用10次后,固定化酶仍保留約70%的酶活力,催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可達26%;與原始菌生產(chǎn)的DPE相比,B.pumilus生產(chǎn)的DPE酶無論是蛋白溶解度、生物活性還是表達分泌量都有很大的提升[34]。
為了實現(xiàn)D-阿洛酮糖的工業(yè)化生產(chǎn),研究者們通過分子生物學(xué)技術(shù)對DPE酶進行基因工程改造,使其具有工業(yè)化運用的潛力。利用X線衍射技術(shù)對AtDPE的蛋白晶體結(jié)構(gòu)進行分析,可以進一步探索DPE的催化機制。通過分子建模發(fā)現(xiàn)AtDPE是一個四聚體結(jié)構(gòu)的蛋白酶,由A、B、C、D 4個相同的亞基構(gòu)成,如圖2(a)[35]所示。每個亞基都是由8個β折疊以及12個α螺旋組成,這8個β折疊被12個α螺旋緊緊包圍,如圖2(b)[35]所示。該酶屬于金屬離子依賴型酶,Glu150、Asp183、His209、Glu244與金屬離子結(jié)合,構(gòu)成AtDPE的活性中心,Trp112、Glu156、Arg215是酶底物結(jié)合的關(guān)鍵位點[36]。P.cichoriiDTE(PcDTE)的三維結(jié)構(gòu)顯示,PcDTE與AtDPE具有相似的催化位點及空間結(jié)構(gòu),由Mol-A、Mol-B、Mol-C、Mol-D 4個亞基組成[21],如圖3所示。
圖2 DPE酶蛋白晶體結(jié)構(gòu)(修改自Yoshida等[35])Fig.2 DPE protein crystal structure (modified from Yoshida et al[35])
圖3 P. cichorii DTE和A. tumefaciens DPE分子模型圖(修改自Yoshida等[21])Fig.3 Molecular model of P. cichorii DTE and A. tumefaciens DPE(modified from Yoshida et al[21])
Choi等[36]通過易錯PCR的方法,對AtDPE進行隨機突變,篩選出Ser213Cys和Ile33Leu兩株穩(wěn)定性較高的突變菌株,同時組合Ser213Cys和Ile33Leu構(gòu)建的雙點突變體Ile33Leu/Ser213Cys(265 min)的半衰期分別為AtDPE、Ser213Cys和Ile33Leu的26倍、9倍和4倍,這說明雙點突變體的熱穩(wěn)定性可以通過疊加突變協(xié)同改善,通過分子模擬分析,Choi等[36]認為突變株熱穩(wěn)定性的改變可能是由于氫鍵的增加以及新生成的芳香基團相互堆疊造成。Zhang等[37]通過圓二色譜及熒光色譜技術(shù)研究不同添加劑對DPE貯存穩(wěn)定性的影響時發(fā)現(xiàn),α-螺旋結(jié)構(gòu)和DPE酶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性緊密相關(guān)。一些添加劑(如硫酸錳、果糖、乙二醇等)可以保護DPE酶的α-螺旋結(jié)構(gòu),而抗血酸對α-螺旋結(jié)構(gòu)則起到破壞作用。
近年來,雖然對于許多DPE/DTE 晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)足夠了解,但對它們的催化機制仍沒有明確的定論。為了確定某些氨基酸位點對催化及結(jié)合底物的作用,通過定點突變的方法,用特定類型的氨基酸取代這些氨基酸殘基并測定其性質(zhì),是認識底物特異性及酶催化的基礎(chǔ)。對比分析來自Agrobacteriumsp.ATCC31749的DPE(AsDPE)和AtDPE的氨基酸序列,雖然AsDPE和AtDPE氨基酸相似度達到98%(僅有6個氨基酸不同),但AtDPE的比酶活(8.89 U/mg)只有AsDPE(90.5 U/mg)的10%。為了進一步驗證這6個位點對酶活力的影響,通過定點誘變模擬AtDPE的界面相互作用,構(gòu)建不同的突變株,結(jié)果發(fā)現(xiàn),除突變株Asn234Asp的酶活只有野生型AsDPE的25.5%,其余的5個位于每個亞基表面的殘基突變僅導(dǎo)致AsDPE酶活力下降15%。這說明第234位的Asn是一種重要的界面殘基,該位點突變位為Asp后,酶活丟失74.5%,其原因可能是:突變后,四聚體界面周圍的氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變(圖4),從而削弱了酶與D-果糖結(jié)合的能力[38]。
圖4 野生型((a),(b))和突變型Asn234Asp((c),(d))的四聚體界面(修改自Tseng等[38])Fig.4 Tetramer interface of wild type ((a),(b))and mutant Asn234Asp ((c),(d))(modified from Tseng et al[38])
Romero等[39]研究發(fā)現(xiàn),雙酶耦聯(lián)表達系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點,因為兩種酶相互靠近時,第一種酶可以為第二種進行反應(yīng)的酶創(chuàng)造良好的微環(huán)境,使得第二種酶擁有充足的底物,減少了底物相對于酶的擴散時間,可以更高效地促進反應(yīng)的進行。Men等[40]通過將枯草芽孢桿菌(Bacillussp.)中的D-葡萄糖異構(gòu)酶(glucose isomerase,GI)基因和瘤胃微生物(Ruminococcussp.)中的dpe基因共同導(dǎo)入E.coliBL21菌株中,構(gòu)建出一個D-阿洛酮糖的一步催化系統(tǒng),催化葡萄糖產(chǎn)D-阿洛酮糖的轉(zhuǎn)化率可以達到16%。類似的,來自Acidothermuscellulolyticus的GI和來自Doreasp.CAG 317的DPE耦合后形成一個共表達系統(tǒng),可催化500 g/L的D-葡萄糖生成89.1 g/L的D-阿洛酮糖[41]。
在D-阿洛酮糖的生產(chǎn)過程中,底物經(jīng)過酶催化得到的產(chǎn)物需要經(jīng)過進一步的分離,將其中的D-阿洛酮糖與D-果糖以及其他糖類物質(zhì)分開,才可得到高純度D-阿洛酮糖。由于對D-阿洛酮糖認知的缺乏以及測量方法的局限性,在食物中D-阿洛酮糖的具體含量很少被報道。多年來,從D-果糖中分離D-阿洛酮糖一直是一個困擾著人們的問題,由于二者具有相似的物理及化學(xué)特征,例如分子量、分子大小以及電荷量等,因此普通的分離方法很難將D-果糖和D-阿洛酮糖完全分開。
模擬移動床(SMB)技術(shù)是一種基于色譜分離原理而建立的分離方法,以離子交換樹脂為固定相,由于其具有運行成本低、操作簡單、分離效果好等特點,適用于大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于糖類產(chǎn)品[42]的分離中。Nguyen等[43]以Dowex 50WX4-Ca2+離子交換樹脂為固定相,模擬SMB過程,最終發(fā)現(xiàn):D-阿洛酮糖的純度和收率分別為99.04%和97.46%,而殘液(D-果糖)的純度和收率分別為99.06%和99.53%,在優(yōu)化的操作條件下,完全分離(提取純度99.36%,殘液純度99.67%),模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合度高,且分離效果好,這說明SMB作為一種高效的分離技術(shù),可應(yīng)用于D-阿洛酮糖的實際生產(chǎn)。Wagner等[44]通過SMB可以實現(xiàn)連續(xù)層析法進行多級酶聯(lián)反應(yīng)的操作,利用轉(zhuǎn)化酶、D-木糖異構(gòu)酶和DTE酶,通過中間體D-葡萄糖和D-果糖,高效生產(chǎn)D-阿洛酮糖,經(jīng)過純化及分離,最終純化率可達到99.9%,收率為89%。
Li等[45]利用陰離子交換樹脂,將D-果糖轉(zhuǎn)化為易于從D-阿洛酮糖中分離出的葡萄糖酸,可以構(gòu)建產(chǎn)物易分離的酶促反應(yīng)體系。整個體系由兩個分別包含有固定化葡萄糖異構(gòu)酶(GI)和固定化葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜(CSTR)組成。反應(yīng)首先將D-果糖在固定化GI的催化作用下轉(zhuǎn)化為D-葡萄糖,再經(jīng)過固定化GOD催化轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸,最后通過陰離子交換樹脂D309對葡萄糖酸進行吸附,并進行回收利用。最終結(jié)果表明,該產(chǎn)品在SMB中稀釋程度高,在結(jié)晶之前需要進行大量濃縮處理;而經(jīng)過該酶促系統(tǒng)純化后的D-阿洛酮糖的濃度相當(dāng)高,節(jié)省了大量操作時間,非常適用于工業(yè)應(yīng)用。雖然SMB中使用的吸附基質(zhì)相對比較昂貴,而固定化GI和GOD酶的材料以及該系統(tǒng)中使用的陰離子交換樹脂在工業(yè)中應(yīng)用普遍且價格低廉,因此該工藝易于操作和擴大規(guī)模。最終,D-阿洛酮糖的純化率達到91.2%,大部分的D-果糖都被移除體系,并且將純化后的D-阿洛酮糖進一步結(jié)晶,其純度>99%。
近年來,D-阿洛酮糖作為一種理想的蔗糖替代品,不僅具有與蔗糖相近的甜度,而且無熱量、無任何毒性,易加工,無疑是一種理想型的新型甜味劑,具有優(yōu)異的市場前景以及商業(yè)價值。然而當(dāng)前D-阿洛酮糖仍然無法實現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)主要有以下幾點原因:①由于大腸桿菌內(nèi)毒素的影響,在食品安全性上存在隱患,同時,目前對食品級DPE酶和DTE酶表達宿主的開發(fā)和研究較少 ,因此在下一步研究中,可以使用食品級微生物(如釀酒酵母、谷氨酸棒狀桿菌、枯草芽孢桿菌等)作為表達宿主,解決工業(yè)化生產(chǎn)的菌株缺陷。②當(dāng)前所有研究的DPE和DTE酶均存在酶活低、穩(wěn)定性不高等問題,在對酶的結(jié)構(gòu)有一定的認知基礎(chǔ)上,對目的蛋白進行相應(yīng)的突變或改造,開發(fā)擁有高酶活的菌株依舊是一項任重而道遠的任務(wù)。③大多數(shù)生產(chǎn)D-阿洛酮糖的研究都是以D-果糖為底物,然而,相對于果糖,果葡糖漿成本更加低廉,也可以在酶催化下生產(chǎn)D-阿洛酮糖,有利于降低D-阿洛酮糖的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本。④由于D-阿洛酮糖難以結(jié)晶,不利于其最終從反應(yīng)液中分離純化,會大大增加生產(chǎn)過程的難度,且操作復(fù)雜,當(dāng)前需要開發(fā)出能夠使得D-阿洛酮糖產(chǎn)生結(jié)晶的辦法,使得產(chǎn)物能夠更好地分離,有利于后續(xù)回收以及降低分離純化的操作成本。隨著研究的不斷深入,開發(fā)一種高效低成本且適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)D-阿洛酮糖的生產(chǎn)方法終將使大眾受益。