β-葡萄糖苷酶的研究进展

孙 智

（1.湖北三峡职业技术学院，湖北宜昌 443000；2.三峡大学，湖北宜昌 443002）

β-葡萄糖苷酶也称为β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，其可以水解释放出β-D-葡萄糖及相关配基。1837年研究人员在苦杏仁中发现了β-葡萄糖苷酶，随后研究调查得出β-葡萄糖苷酶在植物和昆虫及细菌体内广泛存在，β-葡萄糖苷酶参与了生物体内的糖代谢过程，对维持生物正常的生理功能有重要作用。β-葡萄糖苷酶参与EMP糖酵解的途径属于参与双歧杆菌糖代谢的有关酶系。哺乳动物和人体内的乳糖酶/根皮苷（LPH）水解酶也包含着芳基-β-葡萄糖苷酶，乳糖酶/根皮苷由于涉及成人型乳糖酶缺乏病得到广泛实验研究，同时β-葡萄糖苷酶可以使得水果和蔬菜及茶叶中的风味前体物质水解为有浓郁天然风味的香气物质，可以协助纤维素酶降解纤维素[1]。

1 β-葡萄糖苷酶简介

β-葡萄糖苷酶分布比较广泛，普遍存在于植物的种子和微生物中，动物中也存在着大量的β-葡萄糖苷酶，根据酶对底物水解所具有的专一性特点，β-葡萄糖苷酶主要有芳香基-β-葡萄糖苷酶和烃基-β-葡萄糖苷酶及多底物特异性β-葡萄糖苷酶三种类型。根据酶的结构和催化结构域的氨基酸序列等特点对其分类时，糖苷水解酶的GH1和GH3家族中所包含着的β-葡萄糖苷酶最多[2]。β-葡萄糖苷酶是纤维素酶当中不可缺少的重要方面，随着时代的进步发展，像目前我国的医疗、食品乃至其他行业领域内，都有β-葡萄糖苷酶的应用身影。最为关键的是，在我国经济等方面迅速发展的基础上，所带来了环境污染问题，鉴于严重的环境能源危机下，社会各界人士对β-葡萄糖苷酶提出了极高的关注程度。通过实际调查发现，在对β-葡萄糖苷酶实施水解过程中，还存在的很大的困难就是纤维素彻底降解为单糖。站在基因工程与蛋白质工程视角下进行分析，已经获取到了良好的β-葡萄糖苷酶。行业内的相关学者已经加紧开展了β-葡萄糖苷酶分子生物学的研究分析工作，从基础领域研究酶的催化机制及表达调控机制，以期更好地改善纤维素酶的催化效率。在不断优化调整的表达系统当中，β葡萄糖苷酶已经在大肠杆菌和酵母菌中得到高效表达。近年来在芽孢杆菌、丝状真菌以及植物中都有β-葡萄糖苷酶重组表达的报道。为了能够发挥出β-葡萄糖苷酶的应用价值，进行了深入的分析。

2 β-葡萄糖苷酶的酶学性质

2.1 β-葡萄糖苷酶的底物特异性

多数β-葡萄糖苷酶都能够同时水解多种糖苷键，β-葡萄糖苷酶在众多的底物中对纤维二糖或对硝基苯-β-D-葡萄糖苷（pNPG）都有着最好的水解能力。王后福等[3]研究对β-葡萄糖苷酶基因克隆，在构建高效表达的载体实现基因表达的情况下，有效测定分析所得表达产物的酶学性质，为饲用纤维素酶的开发利用提供相关依据。侯孟兰等[42]研究β-葡萄糖苷酶在甜菊糖苷降解代谢中所具有的功效，为之后通过抑制甜菊糖苷的降解，提高其含量的育种工作等提供相关理论依据，对β-葡萄糖苷酶的提取及酶活性测定方法优化，进一步对该酶性质初步分析。Jantaporn[5]研究认为，β-葡萄糖苷酶与潜在水解非挥发性糖苷的葡萄酒香气前体关系密切。

2.2 β-葡萄糖苷酶的最适pH和pH稳定性

β-葡萄糖苷酶具有比较广泛的pH适应性和稳定性特点，多数β-葡萄糖苷酶最适pH都呈现出偏酸性的特点，而仅仅少数β-葡萄糖苷酶的最适pH为中性或偏碱性。赵喜华等[6]研究认为，木质纤维素酶在生物质转化及轻工业生成过程中存在着显著的商业价值，而木质纤维素酶对pH的低耐受性和低比活性，应用成本高。β-葡萄糖苷酶（BGL）属于木质纤维素酶酶解过程中的限速酶，在对其研究的基础上有效增强β-葡萄糖苷酶的耐酸性能。

2.3 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为30～110℃，在这些来源不一的β-葡萄糖苷酶中，古细菌来源的β-葡萄糖苷酶的最适反应温度和热稳定性方面明显比其他微生物高。闫丹丹[7]研究认为，温度属于土壤酶活性的关键非生物影响因子，在土壤物质周转过程调控的时候，可以得到温度变化对有机质周转及其关键胞外酶活性的影响比较显著。周璞等[8]研究认为，固定化β-葡萄糖苷酶稳定性方面优于游离β-葡萄糖苷酶。

3 β-葡萄糖苷酶的应用

3.1 β-葡萄糖苷酶在改良果汁风味中的应用

β-葡萄糖苷酶在果汁处理之后，使用GC-MS分析酶处理前后果汁风味成分变化情况时，能够得出果汁风味成分都明显提高，这就使得经β-葡萄糖苷酶处理过的果汁香气组成更为饱满。彭邦远等[9]研究认为，刺梨汁中检测得到的游离态风味物质共有43种，而在杏仁β-葡萄糖苷酶酶解之后可以检出33种键合态风味物质，主要是以酮类和醛类为主且在键合态中也释放出新的风味物质。高倩[10]研究认为，经过β-葡萄糖苷酶的作用，红橙果汁中风味的种类和含量都显著增加，对红橙果汁的风味改善效果显著，具有增香的作用。刘芳舒[11]研究认为，杏仁β-葡萄糖苷酶可以更大程度上增强刺梨果汁风味品质，而刺梨果汁的最佳酶解工艺实施之后，果汁香气物质的成分及含量增加明显，酶解后呈现香味的物质提高约1.5倍，且增加了多种呈香成分，对刺梨汁香气增强和自然增香的作用都具有推动作用。

3.2 β-葡萄糖苷酶在果酒增香中的应用

用β-葡萄糖苷酶处理果酒后，使用GC-MS分析香气成分变化情况可以得到果酒苯甲醇和芳香醇等都显著提高，且经β-葡萄糖苷酶处理的果酒香气更浓郁，风味显著提高。刘晓柱等[12]研究认为，近年来我国在产β-葡萄糖苷酶酿酒微生物选育和β-葡萄糖苷酶应用到酒类酿造领域中研究逐渐深入，进一步扩大β-葡萄糖苷酶菌种的选择和应用提供相关理论支撑。张阳等[13]研究认为，对通过β-葡萄糖苷酶产生菌的筛选和酶固定化技术等不同策略提高β-葡萄糖苷酶在葡萄酒活性及稳定性方面，能够得到利用β-葡萄糖苷酶提高葡萄酒香气的重要作用。王兴吉等[14]研究认为，毛桃果酒酿造过程中加入β-葡萄糖苷酶处理，使得果酒品质和风味都得到增强。王凤梅等[15]研究认为，不同菌株中β-葡萄糖苷酶本身也存在着相同的理化性质，葡萄糖能够抑制该酶的活性，乙醇添加量对该酶活性无明显影响。

3.3 β-葡萄糖苷酶在纤维素降解中的应用

在纤维转化为葡萄糖的作用机理研究的时候，其主要包含着3种酶的作用，其中纤维素酶系中β-葡萄糖苷酶含量较少，且活力低，属于纤维素酶解的瓶颈，而如果β-葡萄糖苷酶可以在植物纤维的分解发酵中得到更好地利用，也能够更大程度上缓解资源紧缺的现象。詹雪娟[16]研究认为，β-葡萄糖苷酶具有强化酶解的作用，可以高效纤维素酶制剂的改造和构建提供更多思路。

4 结束语

随着基因组学技术的实际应用和全基因组序列测序技术的不断发展和逐渐成熟，更多微生物的全基因组序列也能够得以共享，科研工作者在有效结合序列筛查和定位分析等技术的情况下，获取的新型β-葡萄糖苷酶得以增加，以往国内对β-葡萄糖苷酶相关领域的研究通常是注重研究β-葡萄糖苷酶菌株的筛选，酶的纯化及酶的固定化等方面，在之后的研究中可以关注β-葡萄糖苷酶在各个领域实践应用中的效率和酶的催化机理等内容，充分激发出β-葡萄糖苷酶所具有的功效。