浅谈β-葡萄糖苷酶及其在食品工业中的应用

刘洋 赵维萍 蔡华 黄贝贝 朱仪

【摘要】β-葡萄糖苷酶广泛存在于动物、植物、微生物中，可以水解非还原性末端的β-D-葡萄糖苷键，从而释放出β-D-葡萄糖的配基，也可以水解对硝基苯-β-D-半乳糖以及β-D-木糖苷。本文从β-葡萄糖苷酶的简介、主要酶学性质、及其在食品工业中的应用等方面进行综述，探讨β-葡萄糖苷酶的研究进展。

【关键词】β-葡萄糖苷酶；食品工业

β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，EC 3.2.1.21）属于水解酶类，通常又被称为纤维二糖酶（Cellobiase），龙胆二糖酶（Gentobiase）和苦杏仁苷酶（Amygdalase）等。可以水解非还原性末端的β-D-葡萄糖苷键，从而释放出β-D-葡萄糖的配基，也可以水解对硝基苯-β-D-半乳糖以及β-D-木糖苷。目前已经有很多β-葡萄糖苷酶在工業生产中得到了应用，尤其在食品工业中的应用最为广泛。

一、β-葡萄糖苷酶简介

（一）β-葡萄糖苷酶的来源

β-葡萄糖苷酶分布较为广泛，特别在植物的种子和微生物中尤为普遍，该酶首次是在苦杏仁汁中被Liebig与wohler发现（1837年）。此后，科研人员相继从动物、植物和微生物中发现了大量的β-葡萄糖苷酶，并进行了生理生化方面的研究。

（二）β-葡萄糖苷酶的分类

根据酶对底物水解的专一性，β-葡萄糖苷酶可分为芳香基-β-葡萄糖苷酶、烃基-β-葡萄糖苷酶、多底物特异性β-葡萄糖苷酶三类。根据酶的结构相似性和催化结构域的氨基酸序列相似性进行分类，β-葡萄糖苷酶可以归类于糖苷水解酶的GH1、GH2、GH3、GH5、GH9、GH30、GH39和GH116家族中（统计数据截止2018年6月），其中GH1和GH3家族中的β-葡萄糖苷酶最多，研究的也最为透彻。

二、β-葡萄糖苷酶的酶学性质

（一）β-葡萄糖苷酶的底物特异性

多数β-葡萄糖苷酶可以同时水解多种糖苷键，如C-O，C-N，C-S及C-F键等。在众多的底物中，β-葡萄糖苷酶往往对纤维二糖或对硝基苯-β-D-葡萄糖苷（pNPG）的水解能力最好。

（二）β-葡萄糖苷酶的最适pH和pH稳定性

β-葡萄糖苷酶通常表现出广泛的pH适应性和稳定性，大多数β-葡萄糖苷酶最适pH都偏酸性。只有少数β-葡萄糖苷酶的最适 pH位于中性或偏碱性，如唐婧从Klebsiella sp.中分离出的β-葡萄糖苷酶，最适反应pH为10，该酶在pH为11.0的环境中还可以呈现80%的剩余酶活。

（三）β-葡萄糖苷酶的最适温度及温度稳定性

β-葡萄糖苷酶的最适反应温度范围可分布在30～110℃区间内，在这些不同来源的β-葡萄糖苷酶中，古细菌来源的β-葡萄糖苷酶无论是在最适反应温度，还是在热稳定性方面，都要普遍高于其他微生物。如Pyrococcus furiosus来源的的β-葡萄糖苷酶，最适反应温度可达102～105°C，且100°C下的半衰期可达85 h。

三、β-葡萄糖苷酶在食品工业中的应用

（一）酿酒和饮料行业

在酿酒及饮料行业中，产品的质量和口感是人们最为关注的地方，由于许多酿酒及饮料生产的食品原料中都有结合态糖苷键形式的香味前体，这些香味前体可以被β-葡萄糖苷酶水解，生成各种具有芳香气味的苷元释放出来，从而提高产品的风味和口感，为企业生产带来更好的经济效益。早在1970年开始，利用黑曲霉发酵制备的β-葡萄糖苷酶就成为一种商品，主要用于酿酒和果汁等工业领域。

（二）大豆异黄酮水解

异黄酮广泛存在于豆科植物中，大豆中天然存在的异黄酮一共有12种，通常情况下都是以糖苷结合的形式存在，这种天然存在的糖苷，必须经过葡萄糖苷酶水解成大豆异黄酮苷元后才能被人体吸收和利用。目前β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶是水解大豆异黄酮领域中常用到的两种酶，由于大豆异黄酮中多数糖苷的连接键是β-糖苷键，所以研究和使用最多的还是β-葡萄糖苷酶。

（三）食品添加剂

食用色素作为一种重要的食品添加剂，可以增加人们对食品的吸引力，食用色素根据来源可分为合成和天然的两种。由于价格便宜的合成色素的安全性逐渐受到了人们的质疑，使得天然色素产业得到了快速发展，其中栀子蓝色素便是一种被广泛使用的天然色素，可添加在各种食品的生产加工过程中，增加食品的感官。目前通过发酵法可以生产栀子蓝色素，将原料栀子果实直接粉碎后与氨基酸以及发酵菌种混在一起发酵培养，利用发酵菌种产生的β-葡萄糖苷酶水解底物栀子苷从而产生蓝色素。

（四）茶叶增香

茶叶中含有几百种芳香物，且很多香气物质是由糖苷类前体物质存在，需要经过内源水解酶水解成游离态而呈现出芳香性，所以芳香物质的转化对茶叶的质量和特色有着决定性的作用，β-葡萄糖苷酶是茶叶中重要的水解酶类之一，可以直接或间接地控制或影响着茶叶香气的形成。

（五）食品安全

木薯作为一种理想的经济作物，其用途十分广泛，可以用来生产木薯淀粉、燃料乙醇、木薯酒等，其中的副产物木薯渣、木薯酒精糟还可以用于动物饲料的生产。但是由于木薯原料中含有有毒物质生氰糖苷，限制了其在食品工业上的应用。而β-葡萄糖苷酶恰恰可以水解木薯中的有毒物质，大大提高了木薯相关食品的安全性等。

四、展望

随着基因组学技术的应用和全基因组序列测序技术的日趋成熟，更多微生物的全基因组序列被测出并被共享，科研工作者可以结合序列筛查和定位分析等技术，获得越来越多新型的β-葡萄糖苷酶。目前国内对β-葡萄糖苷酶相关领域的研究还多数集中在产β-葡萄糖苷酶菌株的筛选、酶的纯化、基因克隆、异源表达、酶学性质和酶的固定化等方面。今后可以在的如何更好地提高β-葡萄糖苷酶在工业应用中的效率和酶的催化机理等方面展开进一步的研究。

参考文献

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作者简介：刘洋（1986.01—），男，汉族，安徽六安人，博士，滁州学院生物与食品工程学院，助教，研究方向：食品生物化学与酶工程。