摘要 蔗糖酶具有水解酶和轉(zhuǎn)移酶的雙重性質(zhì)，主要用于催化水解蔗糖鏈中的糖苷鍵。本文介紹了蔗糖酶的來源和分類，以酸性酶和堿性酶為代表，分別闡述了兩種酶的結(jié)構(gòu)和催化水解蔗糖的機(jī)理，并綜述了蔗糖酶在工業(yè)上的應(yīng)用，為進(jìn)一步拓寬蔗糖酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍提供參考。

關(guān)鍵詞 蔗糖酶；食品工業(yè)；催化機(jī)理

中圖分類號 TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）23-24-0146-05

蔗糖是使用較為廣泛的糖類，其甜味純正，無不良口感，作為天然甜味劑被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。甘蔗和甜菜是制備蔗糖的主要原料[1]。人體不能直接吸收蔗糖和多糖等物質(zhì)，須在體內(nèi)水解轉(zhuǎn)化為單糖（如葡萄糖、果糖等）才能被充分吸收利用。因此，研究蔗糖的水解有利于甘蔗等糖料資源的充分利用。

蔗糖酶是催化蔗糖水解成果糖和葡萄糖的一種酶，目前與蔗糖酶相關(guān)的文獻(xiàn)報道較多。米運宏等[2]利用蔗糖酶制備出高果糖漿；梁鵬等[3]介紹了蔗糖酶、蔗糖異構(gòu)酶和β-果糖基轉(zhuǎn)移酶等多種延伸蔗糖產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)酶；劉麗娜等[4]對微生物葡聚糖蔗糖酶進(jìn)行了詳細(xì)論述，該酶有助于提升通過蔗糖合成葡聚糖和功能性低聚糖的產(chǎn)量。國外對于不同來源、不同類型蔗糖酶的報道也較多，Manoochehri等[5]統(tǒng)計出來源于動植物、真菌和細(xì)菌等在內(nèi)的50多種蔗糖酶，其本質(zhì)屬于糖苷水解酶，主要功能是催化蔗糖水解得到葡萄糖和果糖[6]，以及兩者等比例混合的轉(zhuǎn)化糖漿，該反應(yīng)也可通過酸水解發(fā)生。

[GF " 蔗糖酶 " "G+F或GF酸G+F]

式中，GF代表蔗糖，G代表葡萄糖，F(xiàn)代表果糖。其中，酸水解通過在高溫高壓下加入酸性物質(zhì)使蔗糖水解為葡萄糖和果糖，此方法工序復(fù)雜、副產(chǎn)物多且效率低，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用[7]。而酶水解是由蔗糖酶催化的水解過程，具有反應(yīng)溫和、無中間副產(chǎn)物產(chǎn)生且無有毒試劑添加等優(yōu)勢[8-9]，更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

本文以蔗糖酶為研究對象，主要圍繞其來源、分類、制備方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、酶催化機(jī)理、穩(wěn)定性及其工業(yè)應(yīng)用展開介紹，為進(jìn)一步拓寬蔗糖酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍提供參考。

1 蔗糖酶的基本情況

蔗糖酶（Invertase）又稱β-D-呋喃果糖苷水解酶（EC 3.2.1.26），能催化裂解D-葡萄糖和D-果糖之間的糖苷鍵。蔗糖酶對糖苷鍵具有專一性，也能催化棉籽糖和水蘇糖的水解。蔗糖酶還具有轉(zhuǎn)移活性，能將α-β-D-O-呋喃果糖苷殘基轉(zhuǎn)移給受體底物，稱為果糖基轉(zhuǎn)移酶（EC 2.4.1.9）[10]。蔗糖酶廣泛存在于動植物及微生物細(xì)胞中，對生物體的糖類代謝和生長發(fā)育發(fā)揮著重要作用[11]。不同生物體部位來源的蔗糖酶具有不同的結(jié)構(gòu)和特征，從最適pH值的角度看，酸性蔗糖酶主要來源于細(xì)胞壁和液泡，而中性或堿性蔗糖酶大部分存在于細(xì)胞質(zhì)；從來源上看，相比動植物來源的蔗糖酶，微生物來源的蔗糖酶具有催化活性多樣、來源廣泛和生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，更適合工業(yè)生產(chǎn)[12]。生產(chǎn)蔗糖酶的微生物主要有酵母菌、霉菌和細(xì)菌等，如黑曲霉（Aspergillus niger）能在培養(yǎng)基中產(chǎn)生高純度的蔗糖酶，被用于食品業(yè)和飼料業(yè)生產(chǎn)中[6]。但考慮到生物安全性和毒性，酵母菌具有獨特優(yōu)勢，酵母菌中的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和巴斯德畢赤酵母（Pichia pastoris）是目前應(yīng)用較廣的微生物。

2 蔗糖酶的制備

工業(yè)生產(chǎn)通過微生物發(fā)酵法制備蔗糖酶，發(fā)酵方式有固態(tài)發(fā)酵法、半固態(tài)發(fā)酵法和深層發(fā)酵法。深層發(fā)酵法具有產(chǎn)量高、成本低和易于控制培養(yǎng)條件等優(yōu)勢，工業(yè)上大多數(shù)的工業(yè)酶以此方法生產(chǎn)得到[13]。提取的粗蔗糖酶須經(jīng)純化才能提升酶活性和穩(wěn)定性，蔗糖酶屬于蛋白酶，可根據(jù)蛋白質(zhì)的溶解度、分子大小、帶電性質(zhì)和配體差異性等進(jìn)行純化分離[14]。通常結(jié)合多種純化步驟的蔗糖酶純度更高，Timerman[15]報道了蔗糖酶純化最常用的3個步驟，首先用鹽溶液或有機(jī)試劑沉淀雜質(zhì)蛋白，其次用離子交換、親和層析進(jìn)一步除去相關(guān)雜質(zhì)，最后通過凝膠色譜柱過濾得到指定分子量范圍的目標(biāo)酶，再通過凝膠電泳驗證。純化后酶的儲存穩(wěn)定性容易受影響，并且傳統(tǒng)的酶催化反應(yīng)結(jié)束后需滅酶處理，蔗糖酶不能被回收，不利于工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。將蔗糖酶固定在特殊載體上，待酶催化反應(yīng)結(jié)束后可以將固定化的蔗糖酶進(jìn)行回收，不需要滅酶處理，實現(xiàn)蔗糖酶重復(fù)使用，因此更適合工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)。

3 蔗糖酶的結(jié)構(gòu)及催化機(jī)理

目前被廣泛應(yīng)用的酸性蔗糖酶屬于糖苷水解酶第32家族成員（GH32），GH32家族的蔗糖酶主要有4種結(jié)構(gòu)，從N端開始分別是短肽結(jié)構(gòu)域、5重折疊β-螺旋槳催化結(jié)構(gòu)域、α-螺旋結(jié)合域及β-折疊堆積成類似三明治狀的結(jié)構(gòu)域[16]。其中，前兩種結(jié)構(gòu)域是GH32家族蔗糖酶的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，其二級結(jié)構(gòu)主要由β-折疊組成。在催化結(jié)構(gòu)域中，3個高度保守的氨基酸殘基位于口袋活性中心，構(gòu)成一個“催化三聯(lián)體”，分別是親核性殘基天冬氨酸、酸/堿催化殘基谷氨酸和過渡態(tài)穩(wěn)定殘基天冬氨酸[17]。劉麗娜等[4]在研究GH70家族的葡聚糖糖苷酶的催化機(jī)理時也發(fā)現(xiàn)了類似的“催化三聯(lián)體”。Lammens等[18]以GH32家族的擬南芥細(xì)胞壁蔗糖酶為例，對其催化機(jī)理進(jìn)行了闡述，蔗糖底物的糖苷氧被酸/堿催化殘基（E203）質(zhì)子化，然后親核性殘基（D23）對異構(gòu)碳進(jìn)行親核攻擊，形成共價果糖-酶中間體，果糖-酶中間體隨后被水解，生成果糖和游離轉(zhuǎn)化酶，過渡態(tài)穩(wěn)定殘基（D149）不直接參與催化，但提供氫鍵以結(jié)合果糖的C3和C4羥基。

另一種堿（中）性蔗糖酶，屬于糖苷水解酶第100家族成員（GH100），與GH32沒有序列同源性，在結(jié)構(gòu)上也有所不同。GH100家族的蔗糖酶并不屬于β-呋喃果糖苷酶，不會被糖基化，并且缺乏N末端信號短肽[19]。這種堿（中）性蔗糖酶也能水解蔗糖，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理與酸性蔗糖酶并不相同。Xie等[20]通過研究GH100家族的魚腥藻堿性蔗糖酶發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為六聚體，由3個二聚體組成，每個二聚體主要由α-螺旋組成；研究推測該酶的催化活性部位是天冬氨酸殘基（Asp-188）和谷氨酸殘基（Glu-414），具體催化機(jī)理可能是水分子對葡萄糖基部分的頭型碳原子的親核攻擊引發(fā)水解，堿催化殘基Glu-414從水分子中提取一個質(zhì)子協(xié)助水解，而酸催化殘基Asp-188則與之相反，向目標(biāo)氧原子提供一個質(zhì)子，從而導(dǎo)致糖苷鍵斷裂。

4 蔗糖酶的穩(wěn)定性

作為生物催化劑，蔗糖酶的穩(wěn)定性與工業(yè)化生產(chǎn)密切相關(guān)，對生產(chǎn)過程中的催化效率和生產(chǎn)成本都會造成影響。影響蔗糖酶催化特性的因素主要有溫度、pH、金屬離子和有機(jī)試劑等[12]。蔗糖酶在30～50 ℃的溫度范圍內(nèi)較穩(wěn)定。Hussain等[21]通過研究溫度對蔗糖酸性轉(zhuǎn)化酶的影響發(fā)現(xiàn)，溫度分別在53、55和63 ℃時，轉(zhuǎn)化酶的半衰期分別為112、224和10 min，當(dāng)溫度超過60 ℃后會導(dǎo)致蔗糖酶不可逆地失活。pH值對蔗糖酶的影響與最適溫度相關(guān)，比如黑曲霉產(chǎn)生的蔗糖酶在pH值4.1和65 ℃下表現(xiàn)出較佳活性，當(dāng)溫度降低時，最適pH值也隨之降低[22]。不同的金屬離子對蔗糖酶表現(xiàn)出不同的效果，以酵母蔗糖酶為研究對象，徐雯映等[11]在酵母蔗糖酶催化蔗糖水解過程中分別添加5 mmol/L的EDTA及Mn2+、Zn2+和Fe2+等金屬離子，結(jié)果顯示，經(jīng)過EDTA和Fe2+處理后酵母蔗糖酶的米氏常數(shù)（Km）和最大反應(yīng)速率（Vmax）均降低；Zn2+處理導(dǎo)致Km值上升和Vmax值下降；Mn2+處理則引起Km值和Vmax值均降低；除此之外，金屬離子引起的蔗糖酶內(nèi)部構(gòu)象變化與最佳酶活性的變化并無直接關(guān)聯(lián)。

5 蔗糖酶的應(yīng)用

5.1 食品工業(yè)

酶因反應(yīng)溫和、可降解、無毒性、副產(chǎn)物較少以及易于純化而被廣泛用于食品工業(yè)生產(chǎn)[23]。蔗糖酶較為重要的工業(yè)應(yīng)用是制作含有葡萄糖和果糖的轉(zhuǎn)化糖漿，轉(zhuǎn)化糖漿具有比蔗糖更甜、不易結(jié)晶和增強食品風(fēng)味口感等優(yōu)勢，可以很好地避免杏仁蛋白軟糖、姜餅面團(tuán)或果仁餡中的糖結(jié)晶聚集等[24]。蔗糖酶具備吸濕性，使其可以作為保濕劑用于生產(chǎn)軟心糖果，蔗糖酶還可用于生產(chǎn)和制備人造蜂蜜、奶油、果醬和軟心巧克力等食品[25-28]。

釀造是蔗糖酶在食品工業(yè)中的一項重要工業(yè)應(yīng)用。啤酒的生產(chǎn)通過淀粉糖在各種酶的作用下最終發(fā)酵生成乙醇，生產(chǎn)過程包括制麥工序、糖化工序、發(fā)酵工序和包裝工序，其中參與的酶有α和β-淀粉酶、糊精酶、麥芽糖酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、脂肪酶和氧化還原酶等，每一種酶都參與釀造過程中的一個或多個步驟。蔗糖酶將蔗糖分解為果糖和葡萄糖，其活性在澆水末期至發(fā)芽第3天非常重要。釀造過程中，當(dāng)溫度55 ℃、pH值為5.5條件下，轉(zhuǎn)化酶參與催化轉(zhuǎn)化過程[29-30]。

5.2 醫(yī)療健康

蔗糖酶不僅在糖分解過程中發(fā)揮著重要的作用，而且還有助于預(yù)防一些人類疾病。蔗糖酶與果糖基轉(zhuǎn)移酶共同作用于蔗糖溶液可用于生產(chǎn)低聚果糖，低聚果糖對糖尿病患者較有益，其熱量值比蔗糖低，甜度與蔗糖相似[31]。另外，低聚果糖還可以調(diào)節(jié)糖和脂肪代謝、礦物質(zhì)吸收以及預(yù)防便秘等[32]。蔗糖酶具有抗氧化活性和抗菌作用，可避免細(xì)菌污染和腸道氧化發(fā)酵。蔗糖酶酶解產(chǎn)物是容易被吸改消化的單糖，單糖不會長時間在胃中停留從而降低胃毒性，可預(yù)防細(xì)菌在消化道滋生引起的消化系統(tǒng)疾病。不僅如此，蜂蜜中的蔗糖酶還具有代謝活性和化療特性，有助于某些腫瘤消退的治療[5，33]。此外，蔗糖酶可與其他酶配合使用，如蔗糖酶、葡萄糖異構(gòu)酶和多聚果糖酶協(xié)同反應(yīng)，通過一鍋法制備方式獲得三級序貫供能的特殊膳食用食品，這樣的產(chǎn)品既符合特殊膳食用運動營養(yǎng)食品補充能量類國家標(biāo)準(zhǔn)（GB24154），又賦予逐級供能、益生元和膳食纖維等功能，同時還保持蔗糖原有甜味柔和、供能快速的優(yōu)點。

5.3 其他應(yīng)用

蔗糖酶應(yīng)用于生物燃料[34]、化妝品和造紙工業(yè)的生產(chǎn)，以及甘油和乳酸等生產(chǎn)[35]。蔗糖酶還能用在生物傳感器上，可輕松便捷地測出商業(yè)應(yīng)用中的蔗糖含量[8-9]。

6 展望

蔗糖酶在工業(yè)中的用途廣泛，常用于碳水化合物的生產(chǎn)加工。為了適應(yīng)更密集的工業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)蔗糖酶在食品、飼料和醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，可通過基因工程提升重組蔗糖酶的產(chǎn)量、酶活性以及催化過程的穩(wěn)定性等。此外，研究者一直在尋找能適應(yīng)更廣泛溫度和pH值的新型蔗糖酶，這對蔗糖酶的工業(yè)化應(yīng)用具有較大價值。對蔗糖酶實現(xiàn)工業(yè)固定化，提高蔗糖酶使用次數(shù)，簡化生產(chǎn)工藝，對企業(yè)提高產(chǎn)品品質(zhì)和提升競爭力具有重要意義。

本文介紹了蔗糖酶的來源和分類，以酸性酶和堿性酶為代表，分別闡述了兩種酶的結(jié)構(gòu)和催化水解蔗糖的機(jī)理，并綜述了蔗糖酶在工業(yè)上的應(yīng)用，為進(jìn)一步拓寬蔗糖酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 董舒蕾. 廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2022.

[2] 米運宏，梁鵬，藍(lán)伯廣. 制備蔗糖源高果糖漿的酶解參數(shù)的優(yōu)化[J]. 甘蔗糖業(yè)，2020，49（5）：71-80.

[3] 梁鵬，米運宏. 酶在延伸蔗糖產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用[J]. 輕工科技，2020，36（8）：14-15.

[4] 劉麗娜，姜靜，趙丹. 微生物葡聚糖蔗糖酶的研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)，2020，30（5）：504-510.

[5] MANOOCHEHRI H，HOSSEINI N F，SAIDIJAM M，et al. A review on invertase：its potentials and applications[J]. Biocatalysis and agricultural biotechnology，2020，25：101599.

[6] NADEEM H，RASHID M H，SIDDIQUE M H，et al. Microbial invertases：a review on kinetics，thermodynamics，physiochemical properties[J]. Process biochemistry，2015，50（8）：1202-1210.

[7] ANTO?OVá M，POLAKOVI? M. Fructosyltransferases：the enzymes catalyzing production of fructooligosaccharides[J]. Chemical papers，2001，55（6）：350-358.

[8] SHANKAR T，THANGAMATHI P，RAMA R，et al. Characterization of invertase from Saccharomyces cerevisiae MTCC170[J]. African journal of microbiology research，2014，8（13）：1385-1393.

[9] 張俊，李云平，王保玉. 蔗糖酶催化蔗糖水解反應(yīng)[J]. 洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2011，30（2）：54-56.

[10] TRUJILLO TOLEDO L E，MARTINEZ GARCíA D，PéREZ CRUZ E，et al. Fructosyltransferases and invertases：useful enzymes in the food and feed industries[M]//Enzymes in food biotechnology. Amsterdam：elsevier，2019：451-469.

[11] 徐雯映，彭子強，朱曉明，等. EDTA和金屬離子對酵母蔗糖酶天然酶和修飾酶酶活力的影響及其作用機(jī)理研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（10）：41-44，46.

[12] 張玉婕，孫曉靈，吳寶美，等. 乳酸菌葡聚糖蔗糖酶及其胞外多糖功能的研究進(jìn)展［J］. 生物化工，2023，9（2）：181-188，199.

[13] XU Z W，LI Y Q，WANG Y H，et al. Production of β-fructofuranosidase by Arthrobacter sp. and its application in the modification of stevioside and rebaudioside A[J]. Food technology andbiotechnology，2009，47：137-143.

[14] 徐欣東，王清，齊鵬翔，等. 右旋糖酐蔗糖酶純化及生產(chǎn)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 中國調(diào)味品，2020，45（1）：196-200.

[15] TIMERMAN A P. The isolation of invertase from baker’s yeast-an introduction to protein purification strategies[J]. Protein purif，2012：29-52.

[16] NAGAYA M，KIMURA M，GOZU Y，et al. Crystal structure of a β-fructofuranosidase with high transfructosylation activity from Aspergillus kawachii[J]. Bioscience，biotechnology，and biochemistry，2017，81（9）：1786-1795.

[17] LAMMENS W，LE ROY K，SCHROEVEN L，et al. Structural insights into glycoside hydrolase family 32 and 68 enzymes：functional implications[J]. Journal of experimental botany，2009，60（3）：727-740.

[18] LAMMENS W，LE ROY K，VAN LAERE A，et al. Crystal structures of Arabidopsis thaliana cell-wall invertase mutants in complex with sucrose[J]. Journal of molecular biology，2008，377（2）：378-385.

[19] WAN H J，WU L M，YANG Y J，et al. Evolution of sucrose metabolism：the dichotomy of invertases and beyond[J]. Trends in plant science，2018，23（2）：163-177.

[20] XIE J，CAI K，HU H X，et al. Structural analysis of the catalytic mechanism and substrate specificity of Anabaena alkaline invertase InvA reveals a novel glucosidase[J]. Journal of biological chemistry，2016，291（49）：25667-25677.

[21] HUSSAIN A，RASHID M H，PERVEEN R，et al. Purification，kinetic and thermodynamic characterization of soluble acid invertase from sugarcane （Saccharum officinarum L.）[J]. Plant physiology and biochemistry，2009，47（3）：188-194.

[22] NADEEM H，RASHID M H，RIAZ M，et al. Invertase from hyper producer strain of Aspergillus niger：physiochemical properties，thermodynamics and active site residues heat of ionization[J]. Protein and peptide letters，2009，16（9）：1098-1105.

[23] NISHA S，KARTHICK A，GOBI N. A review on methods，application and properties of immobilized enzyme[J]. Chemical science review and letters，2012，1（3）：148-155.

[24] ALAM M J，RAHMAN M H，SAYEM S M A. Extraction，partial purification and characterization of tomato invertase[J]. Proceedings-pakistan academy of sciences，2007，44（2）：97.

[25] ANDJELKOVI? U，MILUTINOVI?-NIKOLI? A，JOVI?-JOVI?I? N，et al. Efficient stabilization of Saccharomyces cerevisiae external invertase by immobilisation on modified beidellite nanoclays[J]. Food chemistry，2015，168：262-269.

[26] VEANA F，F(xiàn)UENTES-GARIBAY J A，AGUILAR C N，et al. Gene encoding a novel invertase from a xerophilic Aspergillus niger strain and production of the enzyme in Pichia pastoris[J]. Enzyme and microbial technology，2014，63：28-33.

[27] OLCER Z，OZMEN M M，SAHIN Z M，et al. Highly efficient method towards in situ immobilization of invertase using cryogelation[J]. Applied biochemistry and biotechnology，2013，171（8）：2142-2152.

[28] TALEKAR S，GHODAKE V，KATE A，et al. Preparation and characterization of cross-linked enzyme aggregates of Saccharomyces cerevisiae invertase[J]. Australian journal of basic andapplied sciences，2010，4（10）：4760-4765.

[29] GOMAA A. Application of enzymes in brewing[J]. Journal of nutrition and food science forecast，2018，1（5）.

[30] VAN DONKELAAR L H G，MOSTERT J，ZISOPOULOS F K，et al. The use of enzymes for beer brewing：thermodynamic comparison on resource use[J]. Energy，2016，115：519-527.

[31] KHANDEKAR D C，PALAI T，AGARWAL A，et al. Kinetics of sucrose conversion to fructo-oligosaccharides using enzyme （invertase） under free condition[J]. Bioprocess andbiosystems engineering，2014，37（12）：2529-2537.

[32] MAIORANO A E，PICCOLI R M，DA SILVA E S，et al. Microbial production of fructosyltransferases for synthesis of prebiotics[J]. Biotechnology letters，2008，30（11）：1867-1877.

[33] BENKEBLIA N，YOSHIDA N，OOI Y，et al. Variations of carbohydrate content and invertase activity in green and white asparagus spears-effects of spear length and portion[J]. Acta horticulturae，2008（776）：459-464.

[34] HüTSCH B W，SAQIB M，OSTHUSHENRICH T，et al. Invertase activity limits grain yield of maize under salt stress[J]. Journal of plant nutrition andsoil science，2014，177（2）：278-286.

[35] KOTWAL S M，SHANKAR V. Immobilized invertase[J]. Biotechnology advances，2009，27（4）：311-322.

（責(zé)編：何 艷）