原果膠酶

原果膠酶(Protopectinase)是可以催化原果膠水解的一類酶。

基本介紹

• 中文名：原果膠酶
• 外文名：Protopectinase
• 作用：催化原果膠水解

基本信息

使原果膠水解形成水溶性果膠或果膠酯酸的酶。見於高等植物的果實、根、葉以及黴菌和細菌中，認為植物組織的分解、軟化與此有關。然而對原果膠具有特異酶的存在並未得到證實，可認為是由於多聚半乳糖酶（polygalacturonase）和果膠反式消去酶（pectin transeliminase）的作用。

原果膠酶的作用機理

原果膠是植物體內水溶性果膠物質的母體。果膠是一種雜多糖類高分子化合物,D-半乳糖醛酸(或部分甲酯化的 D-半乳糖醛酸)通過 α-1 , 4-糖苷鍵連成主鏈, 在主鏈中常間或地插入了一些 α-L-吡喃鼠李糖殘基 、阿拉伯聚糖 、半乳聚糖 、阿拉伯半乳聚糖等形成側鏈,將果膠分子與蛋白質 、半纖維素以及纖維素連在一起, 形成不溶性的原果膠。 —般認為, 在植物細胞壁中的原果膠是由同型半乳糖醛酸區(光滑區)以及帶有中性糖側鏈的鼠李聚糖半乳糖醛酸骨架(發區)組成, 通過適當的降解可生成果膠與果膠酸。

原果膠酶作用機製圖解

到目前為止, 所研究的一些微生物原果膠酶依其作用機理可分為兩類 :A 型原果膠酶, B 型原果膠酶。

A 型原果膠酶主要作用於原果膠分子中的“光滑區” 。迄今為止 ,發現了兩類 A 型原果膠酶 。(1)A1 型原果膠酶:這類酶是一類內多聚半乳糖醛酸酶 ,能水解多聚半乳糖醛酸 ,對各種來源的原果膠分子均有作用。現已從一些酵母以及酵母狀真菌:Kluyvermyces fragilis IFO0288, Galactomycesreessii L和 Trichosporon penicillatum SNO3發酵液中結晶分離出這類酶 ,依次稱為 PPase-F ,-L 和-S 。另外 ,在一些黴菌如 :Aspergillus awamori的發酵液中也分離純化到這種酶 。(2)A2 型原果膠酶:Sakamoto 等從 Bacillussubtilis IFO 3134的發酵液中分離到兩種 A2 型原果膠酶(PPase-N ,-R),PPase-N 能通過反式消去反應斷開聚半乳糖醛酸鏈,而 PPase-R 對聚甲酯化半乳糖醛酸表現出很強的活性。

B 型原果膠酶作用於原果膠分子中“發區”中的不同部位, 這類酶對底物的作用專一性較強 。Sakai等在 Bacillus subtilus 發酵液中發現了原果膠酶(PPase-C),能斷開阿拉伯半乳聚糖中α-1 , 5-L-阿拉伯呋喃糖苷與阿拉伯聚糖間的鍵 ,切斷果膠與細胞壁間的連線 ,釋放果膠。 PPase-C 對甜菜根, 蘋果皮中的原果膠有很強的作用活性。此外, 從 Trameetes sanguinea 純化到一種原果膠酶(PPase-T),能斷開原果膠分子中 “Galactopy ranosy kuronic” 與“ Rhamnopy ranosyl” 間的 連結。PPase-T 對 Hassaku 柑桔皮以及胡蘿蔔中的原果膠有很強的作用活性 ,但當它作用於甜菜根以及蘋果皮中的原果膠時 , 活性不高 。原果膠分子是一類複雜的大分子, 隨著研究的深入, 可能會發現其它具有新的作用機理的原果膠酶。

微生物原果膠酶的酶學性質的研究

原果膠酶是微生物產生的胞外酶, 各種微生物原果膠酶的分離純化的方法基本相同 。通過將發酵液經減壓濃縮,柱層析 ,電泳等生化技術己能將微生物原果膠酶純化或部分純化 。其在酶分離純化以及產酶菌種的篩選中 ,酶活的測定方法一般是以咔唑硫酸的方法測定酶作用於原果膠後所生成的果膠物質的量來確定。此外, Sakai 等還進行 A1 型原果膠酶(A1-PPase)以及 Aureobasidium pullulans 中內聚半乳糖醛酸酶(PGase-AY)對原果膠以及聚半乳糖醛酸的親和力研究 。PGase-AY 降解多聚半乳糖醛酸的作用很強 ,但對原果膠的作用很弱 。儘管 A1-PPase 與PGase-AY 對聚半乳糖醛酸有幾乎相同的 Km 值 ,但它們對原果膠的 Km 卻有很大的差異 , PGase-AY 幾乎高出 A1-PPase 一個數量級。酶對原果膠親和力的差異 ,在一定程度上可以說明此類原果膠酶可能是某些內聚半乳糖醛酸酶的特性。微生物原果膠酶對底物專一性的研究可以為不同作用機理原果膠酶的工業套用提供依據 ,同時也有利於深入分析原果膠的化學結構。

微生物原果膠酶調控的研究

磷酸鹽的誘導作用

有些菌株需在一定的條件下才能產原果膠酶,如 :Bacillussubtilis 當培養基中磷酸鹽濃度很低時,幾乎不產酶 ,而當培養基中磷酸鹽濃度高時,雖然抑制細菌的生長, 但是可以提高產酶量。Sakamoto 等對 Bacillus subtilis 裂解酶基因研究的結果表明, 該基因的表達受到高濃度的磷酸鹽誘導。

pH 調節系統

Aspergillus 中一些菌株能產生耐強酸的原果膠酶 , 且酶對 pH 的耐受程度受培養基中 pH 影響。目前認為在這種原果膠酶基因的啟動子中存在著鋅指轉錄因子 —PaCC 的結合部位 。當培養基中 pH 偏鹼時, PaCC 有活性激活“鹼性”基因的表達(表達產物耐鹼), 抑抑制“酸性”基因的表達(表達產物耐酸) 。然而 , 關於 pH 調節的詳細機理仍有待進一步研究。

微生物原果膠酶的套用

微生物原果膠酶自1978發現已有四十年 , 到目前為止關於它的套用研究, 主要可歸納為以下幾個方面。

果膠生產:果膠在食品,化妝品以及醫藥中用途廣泛, 它是一種重要的工業產品 。傳統的工業化生產果膠主要是酸提取法。然而這一加工過程存在一些不足:殘渣分離困難 , 設備易被腐蝕, 能源消耗很大,同時還產生大量酸性廢棄物對環境造成污染 。利用原果膠酶能催化原果膠水解生成果膠這一性質, Sakai 等發明了利用產原果膠酶的酵母酶法生產果膠的工藝除了果膠產品中含有較多的中性糖外 , 酶法生產的果膠分子量較大 ,質量穩定, 果膠提取完全 ,發酵液中果皮不破碎, 也不需進行熱、酸處理, 產品容易分離。該技術能有效地避免傳統工業生產果膠的不足並已被申請專利 。近年, Hallaert 以及 Lee-Seung-Cheol 也進行了原果膠酶提取果膠的研究 ,取得良好的結果。

酶法生產果膠工藝流程圖

單細胞食品的製備 :原果膠酶,尤其是 T .penicillatum , A .awamori 以及 B .subtilis 中的原果膠酶 ,能作用於植物組織產生鬆散的單細胞。酶處理的蔬菜組織所獲得的單細胞, 細胞完整 ,各種營養成分保存完好,表面及內部的張力較小而易與牛奶、優酪乳 、冰淇淋、湯等混合 , 且易被胃蛋白酶以及胰凝乳蛋白酶消化 , 適宜用作老人 、嬰兒以及病人的食品 ;細胞規格統一能賦予食品光滑的質地 ,這為新型蔬菜食品的生產提供了一種思路。

植物原生質體的製備 :Mitsui 等利用原果膠酶成功地製成了多種單子葉植物的葉肉原生質體, 它可用於植株的再生。

棉織品的生化精煉工業 :在傳統的工業中, 棉織品的精煉都是通過在強鹼(沸騰的 pH 為 14 的NaOH)中處理,然而這一過程中工作環境並不安全並且產生難處理的廢棄物。原果膠酶套用於棉織品的精煉工業中,不僅能提供一個安全的工作環境 ,防止環境污染 , 而且能獲纖維長 , 質地柔軟的優質產品。