果糖基转移酶及低聚果糖生产研究进展

王永波

合成果糖低果糖的酶称为果糖基转移酶，也有人认为合成果糖低果糖的酶是水解酶，故又称-呋喃糖苷酶。它是一种具有可转移活性和广泛受体活性的水解酶。以蔗糖和乳糖为原料合成果糖、乳糖等低聚糖，对人体健康有益。因此，果糖基转移酶和低果糖的生产越来越受到人们的重视。

果糖基转移酶的来源、性质以及果糖基转移酶和低果糖的生产同工酶和低果糖生产中存在问题。

果糖基转移酶和低聚果糖生产中存在问题

果糖基转移酶合成低聚果糖遇到一个突出问题是该酶活性受到反应副产物葡萄糖抑制，绝大多数商品低聚果糖含有大量蔗糖和葡萄糖，是一种含多种糖的混合物。在反应体系中加入葡萄糖异构酶或葡萄糖氧化酶以降低葡萄糖含量，可提高低聚果糖产量，并以葡萄糖氧化酶效果较好。在果糖基转移酶和葡萄糖氧化酶复合体系中，低聚果糖产量最高达98%；但在果糖基转移酶和葡萄糖异构酶复合酶体系中，葡萄糖异构酶主要动力学参数发生变化，以致不能有效降低体系中葡萄糖含量。此外，其它方法，如利用离子交换柱进行色谱分离以提高纯度尝试在生产上均难以奏效。出于生产高纯度低聚果糖考虑，可另辟途径，以富含多聚果糖植物材料为原料、利用微生物产多聚果糖降解酶―菊粉内切酶（EC3.2.1.7）―水解菊粉生产低聚果糖。与由蔗糖经果糖基转移酶作用合成工艺相比，由菊粉内切酶水解菊芋生产低聚果糖优势明显。至今，国内外还没实现内切菊粉酶产业化；但这方面成果及其思路已显示，其比果糖基转移酶酶法合成低聚果糖技术具有更重要意义和现实价值，是更先进低聚果糖生产替代技术。

低聚果糖生产

果糖基转移酶催化生成低聚果糖，分子间果糖转移反应分两步进行。第一步生成果糖基―酶复合体，释放出葡萄糖；第二步再由此复合物将果糖基转移给水或蔗糖，生成果糖或三糖。在生成反应中蔗糖作为供给体和接受体，在果糖转移酶或呋喃果糖苷酶作用下分解成果糖基或葡萄糖，果糖基水解成果糖，产物为蔗果三糖，蔗果四糖和蔗果五糖混合物。在低聚果糖生物生成反应中，在生成低聚果糖同时也生成一些葡萄糖副产物，由于副产物生成，阻碍蔗糖转化，使产物中含有大量葡萄糖或蔗糖，可用葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化成葡萄糖酸或用葡萄糖异构酶转化葡萄糖为果糖，通过对蔗糖转移反应协同效应以达到生成低聚果糖目的。低聚果糖工业生产是利用微生物产生具有转果糖基活力的酶，以高浓度蔗糖作底物转化而来，植物来源酶并不多见。1950年就已发现果糖转移酶，但直至上世纪80年代，这种酶才被科学家关注并用于低聚果糖生产。目前工业上主要通过两种途径生产低聚果糖，一种是菊糖水解法，菊粉果糖基转移酶主要是通过菊粉分子内转果糖作用从菊粉果糖一端释放出二果糖酐，反应可持续进行直至菊粉完全水解为蔗果三糖、蔗果四糖和果糖基蔗果四糖和蔗糖；一种节杆菌菊粉果糖基转移酶既能催化菊粉水解形成DFA–III（二–D–呋喃果糖–1，2∶2，3二酐）、蔗果三糖和蔗果四糖，又能水解蔗果三糖和蔗果四糖形成DFA–III。另一种是利用微生物产生果糖基转移酶转化合成低聚果糖，低聚果糖利用微生物发酵生产β–呋喃果糖苷酶或β–果糖基转移酶作用于蔗糖，进行分子间果糖及转移反应进行生产。在发酵过程中，生产低聚糖有双重作用，一方面，当以蔗糖与果糖和葡萄糖混合物作为底物时，产物中葡萄糖积累到一定浓度，溶液中游离果糖就会逐渐消失，而果糖是抑制低聚糖合成物质，因而低聚糖合成得到促进；另一方面，被合成聚糖又起到储备葡萄糖作用，当自由葡萄糖消耗完后，以这种形式储备葡萄糖就可得到利用。但与黑曲霉产生低聚果糖所不同的是，其主要成分是蔗果三糖。菊粉果糖基转移酶将三糖分子末端果糖轉移到蔗糖上形成果糖供体分子，以菊粉为底物转移合成不同的二果糖酐和部分低聚果糖；菊粉内切酶可水解菊粉形成低聚果糖。研究表明，节杆菌10137产β–呋喃果糖苷酶最佳条件为：温度30℃，pH 7.5，接种体积分数为2%，装液体积40 ml。该条件下β–呋喃果糖苷酶转移酶活为177.78 U/ mL，酶作用最适pH值6.5，最适温度30℃，在pH值为6.0- 8.0和45℃以下稳定。在以蔗糖和乳糖为原料条件下，将蔗糖水解产生果糖基转移至乳糖还原性末端C1位羟基上。

总之，通过底物性质，选择合适果糖基转移酶，将催化水解反应β–呋喃果糖苷酶除去，用纯β–果糖基转移酶对提高转化率和进一步研究高浓度低聚果糖生产都具有重要意义。