李学红，王冰，陆勇，张勇

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州，450002)

4-α-糖基转移酶及其应用研究进展*

李学红，王冰，陆勇，张勇

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州，450002)

4-α-糖基转移酶(EC 2.4.1.25)主要催化葡萄糖片段在α-葡聚糖分子中的转移反应，在淀粉改性、制备大环糊精和功能成份的糖基化等方面具有重要应用价值。文中针对目前国内外关于4-α-糖基转移酶的制备及应用研究进展进行了综述。

4-α-糖基转移酶，淀粉，改性，糖基化，应用，进展

4-α-糖基转移酶(EC 2.4.1.25)是自然界存在的最为多样性的一大类酶，属于α-淀粉酶超级家族的第13组，是生物体内淀粉代谢过程中最重要的酶之一[1］。4-α-糖基转移酶主要催化葡萄糖链在 α-葡聚糖分子中的转移，完成转糖基反应。这种转糖基反应可以是催化葡萄糖链从一个α-葡聚糖分子转移到另一个α-葡聚糖分子上，发生歧化反应，也可以催化α-葡聚糖分子内葡萄糖链的转移，发生环化反应。除此之外，4-α-糖基转移酶通常还显示有淀粉水解酶活性，因此也可以被看成是一种多功能酶[2］。

近年来随着生物技术的发展，4-α-糖基转移酶的规模制备已成为可能，其在实际领域的应用潜力也越来越受到人们的关注。研究表明，4-α-糖基转移酶应用于淀粉中，可以改变淀粉的分子结构、调整其链的长度、促成大环糊精的生成以及对淀粉主链具有缓慢适度降解等功能，从而达到对淀粉理化特性进行优化以及提高淀粉基食品品质的目的[3］。此外，4-α-糖基转移酶的转糖基作用还可用于制备糖基化功能产品，以提高原成分的功能特性[4］。

目前，国外尤其是欧美、日本和韩国，在4-α-糖基转移酶特别是克隆的耐热高转移活性酶的高效制备及其对淀粉分子的改性等领域的应用研究已取得一定成果。国内对4-α糖基转移酶的研究还处于起步阶段，主要集中于酶基因的克隆与实验室制备。因此，本文通过对国内外4-α-糖基转移酶的制备及应用研究进展进行综述，希望借此提高对这一新型食品改良剂的关注度，同时起到促进国内该酶制备及应用技术的研究开发。

14-α-糖基转移酶的制备

4-α-糖基转移酶广泛分布在微生物和植物组织中，其中来源于微生物的4-α-糖基转移酶被称为麦芽糖转葡糖基酶，而来源于植物的被称为岐化酶或D-酶[5］。由于4-α-糖基转移酶在原有微生物和植物体内的含量均很低，直接提取难以满足研究和应用需求，所以其制备主要是通过将酶基因克隆到大肠杆菌等宿主细胞中并经过宿主细胞的过量表达来进行的[6］。

从20世纪90年代日本最早通过生物技术获得高效表达4-α-糖基转移酶的菌株开始，到目前为止，人们已经从多种微生物、植物中提取到该酶的基因并成功表达到宿主细胞中，获得了催化功能略有差异的不同来源的4-α-糖基转移酶产品[7-8］。而且由于嗜热酶在工业中应用的诸多优势，获得该酶的耐热类型一直是研究开发的重点。该过程主要涉及将极端耐热菌中4-α-糖基转移酶基因克隆至常温宿主细胞进行过量表达，通过常温发酵获得大量耐热酶产品。目前具有高转移活性的耐热酶的开发已取得很大的成功。

例如，Yoshinobu等将水生栖热菌ATCC中的4-α-糖基转移酶基因克隆在大肠杆菌中，成功得到高产耐热4-α-糖基转移酶的菌株，通过常温发酵培养即可实现酶的大量制备，该酶最适温度75℃，在80℃时仍保持催化活力的稳定[7］;Yoshihisa等将来源于超嗜热古菌的4-α-糖基转移酶基因(gtpK)在E.coli上过量表达，获得的酶最适温度达100℃，最适pH6-7，具有高糖基转移活性[8］;另外，Hiromi等将嗜热高温球菌、海栖热孢菌中的4-α-糖基转移酶基因高水平表达在E.coli细胞中，也分别获得了耐热及高转移酶活性4-α-糖基转移酶的高产菌株[9-10］。

4-α-糖基转移酶的高转移酶活性和低水解酶活性，在实际领域特别是在淀粉工业中有其独特的应用价值，但也存在只需要利用糖基转移活性的情况。对此，Kazutoshi等采用易错PCR(error-prone PCR)手段对栖热菌4-α-糖基转移酶基因进行突变，敲除编码水解活性的片段，然后将此改造过的基因克隆到大肠杆菌中，获得了几乎完全丧失水解活性的耐热转移酶。这种酶作用于底物具有糖基转移反应效率高、转糖基化产物累积多的优势[11］。此外，考虑到大肠杆菌可能存在的不安全性，Kang等还尝试使用更为安全的枯草杆菌作为宿主细胞、利用双启动子手段来制备耐热转移酶，虽然获得的菌株产酶率有所下降，但却代表了耐热4-α-糖基转移酶的未来开发方向[12］。

在4-α-糖基转移酶的制备领域，国内相关研究也取得了一定成果。例如，2007年王光水等将链霉菌糖基转移酶基因MalQ插入原核表达载体pTrc-CKS中，以及将大肠杆菌MalQ基因插入原核表达载体pET-DsbA中，通过转化大肠杆菌并辅以IPTG诱导，获得了有效表达该酶的工程菌[13-14］。2008年刘佳欢等将水生栖热菌4-α-糖基转移酶基因转化大肠杆菌，也获得了成功表达[15］。

24-α-糖基转移酶在淀粉工业上的应用

2.1 对淀粉的理化特性进行优化

正如前所述，4-α-糖基转移酶具有歧化、环化和低水解活性的多功能催化机制，可以对天然淀粉分子结构进行改造从而优化淀粉的理化性质。通过离子色谱对酶处理前后的淀粉进行分析对比，结果已表明，4-α-糖基转移酶可以使支链淀粉侧链长度分布范围变宽，低聚合度(DP1-8)的较短分支和高聚合度(DP＞19)的较长分支数量增加，同时轻度水解连接支链淀粉丛的主链，使淀粉分子量下降，并伴有少量不同聚合度环状葡聚糖的生成[16］。4-α-糖基转移酶对淀粉分子结构的这种改变，会导致淀粉糊化温度降低、糊透明度提高，淀粉凝胶质构指标得到改善且不易发生老化[3］。

例如，将工程菌耐热4-α-糖基转移酶作用于大米淀粉，可以将大米淀粉中直链淀粉含量从30%降至23%左右，支链淀粉侧链长度分布范围变宽，特别是出现一些超长支链，使淀粉糊黏度下降、透明度上升，凝胶时间减短、最终的凝胶强度增加，且酶处理大米淀粉凝胶在4℃和70℃间显示了良好的热可逆性，冻融稳定性也大为提高[17-19］。进一步将耐热 4-α-糖基转移酶处理马铃薯淀粉和玉米淀粉，发现类似于大米淀粉的结构改变，改性后的淀粉糊化和凝胶温度下降，熔点范围变宽、结晶度降低，在浓度大于3%时凝胶表现很好的热可逆特性，同时淀粉老化速度减缓[20-22］。但进一步研究也发现，4-α-糖基转移酶对不同来源种类的淀粉，其改性效果还是存在差异，如对小麦淀粉、红薯淀粉和豆类淀粉的凝胶特性的改变就并不显著，这也说明该酶对淀粉分子的调整存在底物结构依赖性[23］。

此外，使用嗜热4-α-糖基转移酶改性糯米淀粉，再用嗜热麦芽糖淀粉酶进一步处理，还可得到高分支化的支链淀粉簇，相比一般淀粉，支链淀粉簇具有更高的水溶解性和回生稳定性[24］。

2.2 用于大环糊精的制备

当淀粉底物含有较多直链淀粉时，4-α-糖基转移酶倾向于环化催化反应机制。现有研究已表明，4-α-糖基转移酶作用于直链淀粉可以导致聚合度(DP)为十几至上百范围的大环糊精的生成，且不同来源的4-α-糖基转移酶其生成的大环糊精聚合度也不同[25］。例如，来源于马铃薯的 D-酶作用于直链淀粉，可以产生最小聚合度为17(CD17)的较宽范围的大环糊精混合物，而且大环糊精产率与直链淀粉底物的分子量密切相关。当使用合适分子量范围的直链淀粉底物，其大环糊精的产率可高达98%[5］。而酵母源的4-α-糖基转移酶作用于直链淀粉，主要产生最小聚合度为11的相对低聚合度的大环糊精[26］。目前通过生物技术开发得到的一些耐热、高转移活性工程菌株，其耐热酶转化直链淀粉主要生成主要聚合度为22-50的大环糊精混合物。如水生栖热菌4-α-糖基转移酶(TSαGT)作用于马铃薯直链淀粉，控制合适的反应条件可以产生聚合度主要为23～26的大环糊精(图1)，产率达到85%以上[25］。由于导致大环糊精产率低的主要原因是转移酶的水解活性，日本学者将TSαGT基因中的水解基因剔除，用丧失水解酶活的新酶作用于直链淀粉，结果使大环糊精的产率几乎提高到 100%[11］

大环糊精具有不同于常见小环糊精的独有特性，诸如可包埋大分子化合物、在水中有很高的溶解性以及乳化特性等，预计在未来食品领域将是一种不可多得的新型绿色品质改良剂[27］。

2.3 用于糖原的制备

图1 TSαGT作用于马铃薯直链淀粉所得大环糊精的MALDI-TOP-MASS图

糖原的制备通常有两种途径，一是从动物的组织中直接提取，二是以1-磷酸葡萄糖为底物，通过α-葡聚糖磷酸化酶和分支酶的共同作用进行合成。而4-α-糖基转移酶的开发利用为糖原的制备提供了第3条途径。其过程是以淀粉为原料，先使用异淀粉酶将淀粉去分支为短链直链淀粉，然后利用4-α-糖基转移酶的转糖基作用将直链淀粉的短链适当延长，再利用淀粉分支酶的α-1，6-糖苷键的生成功能将适当长度的直链淀粉合成糖原。研究表明，该途径是目前最有效的糖原制备方法，而且通过调整3种酶的作用条件，还可以将所得糖原的分子量控制在3.0×106-3.0×107[28］。

34-α-糖基转移酶用于提高淀粉基食品的品质

淀粉是人们日常生活许多食品的主要基础构成成分，如米饭、馒头、面条和米糕等。因为这些食品大多数是在淀粉凝胶态下被食用，因此其中淀粉凝胶的质构特性也决定着食品的品质和口感。4-α-糖基转移酶可以改善淀粉凝胶的特性，从而对于淀粉质食品品质的提高具有积极作用。

例如，米糕作为一种传统小吃食品，是由糯米或大米米粉经混合、调味再经蒸制而制成的，其口感香甜滋润，耐贮藏。米糕加工中遇到的最主要问题，就是贮存期间发生老化导致的食用品质的下降。在米糕加工过程中加入适量高转移活性4-α-糖基转移酶处理，发现米糕中直链淀粉含量从16.6%下降至12.7%，支链淀粉分子量显著下降，侧链长度分布范围变宽，低聚麦芽糖含量增加。通过对米糕进行质构分析显示，酶处理对米糕的硬度、胶着性和咀嚼性均有一定程度改善。利用DSC分析冷藏后米糕在40-60℃的热焓△H，发现酶处理组△H比空白组低1.0 mJ/mg，这说明4-α-糖基转移酶可显著降低米糕在冷藏期间老化的发生[29］。

在面包加工过程中，适量4-α-糖基转移酶的加入也可显著提高面包的品质。因为酶的歧化反应及限量水解作用，一方面会导致面团体系中低聚麦芽糖含量增多、酵母发酵速度加快，更多CO2产生使面包体积显著增加;另一方面，小麦淀粉凝胶特性的改善有效提高面包的口感质地;另外，由于直链淀粉含量的降低，酶处理面包在储藏期间老化速率明显减缓，更易被消费者接受。通过扫描电子显微镜(SEM)观察也发现，酶处理面包的微观结构显示为更加规律而均匀的多孔网状结构[30］。

此外，4-α-糖基转移酶处理淀粉还可以作为脂肪替代物添加至蛋黄酱中，生产低脂蛋黄酱产品。有研究显示，将4-α-糖基转移酶处理后的大米淀粉制成15%的淀粉糊并辅以0.1%的黄原胶添加到蛋黄酱中，产品体系的动态流变学、粘度、稳定性、色泽及扫描电镜结果与对照组非常相似，可替代蛋黄酱中50%的油脂而对产品的品质不造成不良影响[31］。

44-α-糖基转移酶通过转糖基反应用于功能成分的改性

4-α-糖基转移酶具有切断并重新生成α-1，4糖苷键的能力，从而实现糖基的转移。而且该酶表现为对于α-1，4糖苷键的专一性，而对于受体专一性不强。受体不仅可以是单糖、双糖或低聚麦芽糖，还可以是糖醇、异黄酮或抗坏血酸等。许多具有生理功能的分子可以通过4-α-糖基转移酶的转糖基反应进行改性，使理化性质得到进一步提高。

4.1 异黄酮类功能成分的糖基化改性

异黄酮属于酚类化合物，是植物的次生代谢产物，具有抗氧化、抗癌和预防心血管疾病等诸多功能。植物异黄酮主要以游离苷元和糖苷两种形式存在，目前得到广泛开发与应用的主要有大豆异黄酮、葛根素、染料木素等以及它们的葡萄糖苷，但这些化合物通常水溶性较低，实际应用受到限制。研究表明，异黄酮糖苷的亲水性与糖基的数目有直接相关性，随着糖基的增多、苷元所占比例变小，相应其亲水性也会增大[26］。通过向异黄酮糖苷进行转糖基反应，就可使这些水不溶物变成水溶性物质[32］。

例如，染料木苷是大豆异黄酮的主要成分，水生栖热菌4-α-糖基转移酶能够以可溶性淀粉为供体、将淀粉中的葡萄糖链转移到染料木苷的葡糖基上，形成带有1～22个葡聚糖的染料木苷混合物，进一步利用β-麦芽糖酶水解葡聚糖链，可得到比原有结构多一个葡萄糖或麦芽糖分子的染料木苷糖衍生物。溶解度测定结果表明，染料木苷在水中溶解度为0.023mmol/L，而染料木苷葡萄糖和麦芽糖衍生物的溶解度分别达到 83.7 mmol/L 和 1013.4 mmol/L[32］。进一步的生物活性研究表明，染料木苷糖衍生物具有与染料木苷同样的对金属硫蛋白基因和6-磷酸脱氢酶基因转录的调控作用，还原能力甚至还略微增强[33］。同样，利用4-α-糖基转移酶还可以制备葛根素的糖基衍生物，其水溶性可增加100倍以上。通过还原力分析、超氧化物歧化酶活力分析和羟自由基清除活性分析等表明，葛根素糖基衍生物拥有葛根素同样的抗氧化能力，两者均能有效降低机体低密度脂蛋白的氧化，显示出很好的保健功能[34-35］。

4.2 甜菊甙的糖基化改性

甜菊糖是一种天然的甜味剂，是从甜叶菊叶子中提取的八种双萜糖苷的混合物，其中甜菊苷、甜菊双糖A苷、甜菊双糖C苷的含量占到90%以上。甜菊糖中的甜菊苷和甜菊双糖C苷约占80%，有一定的苦味，严重影响甜叶菊糖的味质。为此，利用糖基化反应对甜菊苷结构进行改造，可有效改善甜菊糖的甜味特征。

例如，以玉米淀粉或环糊精为供体，利用环糊精糖基转移酶的4-α-转糖基作用可以获得葡萄糖基和麦芽糖基甜菊糖，产物中两者的比例分别为66%和24%，转化率接近100%[36］。经糖基化改性后的甜菊糖其不良甜质得到有效改善。

4.3 抗坏血酸的糖基化改性

抗坏血酸的性质很不稳定，容易被热和或氧化剂破坏，其贮存和应用都受到很大限制。利用4-α-转糖基作用，可以将淀粉、麦芽糊精或环糊精供体中的葡糖基团接入L-抗坏血酸的C2位，经葡萄糖淀粉酶的水解后形成2-O-α-D-葡萄糖-L-抗坏血酸，转化产率达到60%[37］。最近报道有利用分子筛作吸附剂、褐藻酸钠-氯化钙体系作载体以及戊二醛作交联剂制备固定化环糊精糖基转移酶，以β-环糊精为供体，连续进行抗坏血酸的糖基化反应，最后反应体系中抗坏血酸糖苷的含量达到21g/L，产率是游离酶反应的2倍，为酶法连续化生产抗坏血酸糖苷提供了一条可行的途径[38］。

抗坏血酸糖苷具有体外性质稳定、体内抗氧化活性高的特点，不仅可应用于食品中，应用于在化妆品中还具有美白、促进胶原蛋白生成等多种功效。

5 存在问题与展望

图2 L-抗坏血酸(a)和2-O-α-D-葡萄糖-L-抗坏血酸(b)的化学结构

到目前为止，通过对高转移活性4-α-糖基转移酶基因的转化及高效表达，基本可以实现该酶的规模制备，但存在的问题是，至今人们对4-α-糖基转移酶的多功能催化机制仍未完全明了，从而也影响了该酶在实际领域的深入应用。

如前所述，4-α-糖基转移酶主要具有歧化和环化两种转移酶活性，由于这两种催化活性对淀粉分子的改造方式不同，所得改性淀粉的性质也不同。歧化反应更利于凝胶的形成而环化反应使糊透明度、冻融稳定性及抗老化性更好。两种催化活性具有底物结构依赖性。不同来源的淀粉由于其结构不同，酶对其进行歧化或环化作用的选择及反应程度也不同，导致酶改性后的淀粉结构变化趋势及相应凝胶特性存在较大差异。因此，找出歧化和环化的发生与底物结构间的对应关系，是今后4-α-糖基转移酶研究领域亟需解决的问题。

对此，将来的研究可以尝试使用明确组成及结构的系列淀粉底物，如使用不同直链淀粉含量的混合淀粉、不同聚合度的直链淀粉以及不同聚合度的支链淀粉等作为底物，对该类酶对淀粉的双催化特性及规律进行系统研究，了解其不同催化方式对淀粉分子结构的要求。通过对4-α-糖基转移酶的多功能催化机制的阐明，不但可以达到对原有淀粉分子结构进行一定的优化改造，还可以人为控制酶的歧化和环化反应进程，从而实现制备具有特定功能特性的酶改性淀粉产品。

相信随着4-α糖基转移酶技术的快速进步与提高，不久的将来，4-α糖基转移酶必将称为一种新型的绿色食品改良剂在食品工业中得到广泛的应用。

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ABSTRACT4-α-glucanotransferases(EC 2.4.1.25)can catalyze the intermolecular or intramolecular transglycosylation of malto-oligosaccharides and have perspective applications in modification of starches，production of largering cyclodextrins and transglycosylation of some functional ingredients.This paper reviews the production of 4-α-glucanotransferases and their promising applications in food industry.

Key words4-α-glucanotransferases，starch，modification，transglycosylation，application，advance

Research Advances on 4-α-glucanotransferases and Their Applications

Li Xue-hong，Wang Bing，Lu Yong，Zhang Yong
(College of Food and Bioengineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzgou 450002，China)

博士，副教授。

*国家自然科学基金资助项目(31171757);郑州轻工业学院博士启动基金项目(2007BSJJ004);2011年郑州市科技创新团队项目

2011-12-27