普鲁兰酶的应用

概述^[1]

淀粉作为自然界能量的主要来源，广泛存在于植物细胞和种子中。普鲁兰酶(pullulanase)是一类淀粉脱支酶，因其能专一性水解普鲁兰糖(pullulan，麦芽三糖以α-1，6糖苷键连接起来的聚合物)而得名，属淀粉酶类，能够专一性切开支链淀粉分支点中的α-1，6糖苷键，切下整个分支结构，形成直链淀粉。与异淀粉酶不同的是，普鲁兰酶可以将最小单位的支链分解，限度的利用淀粉原料，而异淀粉酶虽然也能水解分支点的α-1，6糖苷键，但是不能水解由2～3个葡萄糖残基构成的侧枝。

结构^[1-2]

依据普鲁兰酶的底物特异性可以将其分成两大类：①类型I(EC3．2．1．41)，又称脱支酶，可特异性水解普鲁兰糖和具有分支结构寡糖的α-1，6糖苷键，形成麦芽三糖和线性的以α-1，4糖苷键连接的多聚物。②类型Ⅱ(EC3．2．1．1/41)，又称amylopullulanse(Apase)，既能水解普鲁兰糖和其他具有分支结构寡糖的α-1，6糖苷键，又能水解线性和分支结构的α-1，4糖苷键。Ⅰ型普鲁兰酶属于糖苷水解酶13家族(又称α淀粉酶家族)，这个家族中包含了30多种酶。大多数淀粉酶有4个高度保守的结构域(Ⅰ～Ⅳ)，组成催化域、底物结合域和金属离子结合域。与淀粉酶相似，普鲁兰酶有4个类似的保守结构域和(α/β)8的折叠桶形结构，如图。

结构域Ⅰ参与组成8个α螺旋和8个β折叠片结构，形成(α/β)8的折叠桶的中心。较小的结构域Ⅱ是一个环状结构，插入(α/β)8的折叠桶形结构的第三个α螺旋和第三个β折叠片结构中间，结构域Ⅱ折叠产生酶活性位点的裂缝结构和(α/β)8的折叠桶的桶壁结构。结构域Ⅲ的8个β折叠片折叠成希腊钥匙拓扑结构。结构域Ⅲ和结构域Ⅳ在空间上分别位于结构域Ⅰ的C-端和N-端。结构域Ⅳ有一个小的α螺旋和6个β折叠片折叠成反平行的β折叠结构形成β三明治型的空间结构。绝大多数Ⅰ型普鲁兰酶具有高度保守的7个氨基酸组成的结构域，YNWGYDP。

据推测这一保守区域与酶的底物结合和催化活性有关，保留了长期的选择压力。Ⅱ型普鲁兰酶被两个糖苷水解酶家族涵盖，即GH57家族和GH13家族。Ⅱ型普鲁兰酶也有4个高度保守的结构域。与Ⅰ型普鲁兰酶不同的是，多数Ⅱ型普鲁兰酶的结构域Ⅱ由两个超二级结构组成，其中一个结构位于结构域Ⅲ和结构域Ⅳ之间。普鲁兰酶有两个结构域Ⅳ。一株芽孢杆菌的普鲁兰酶有双功能区，分别有4个保守的结构域，个结构位于氨基酸462到645之间，另一个结构位于氨基酸1396到1581之间。对不同来源的Ⅱ型普鲁兰酶的4个保守结构域进行比较，发现结构域Ⅰ的最后一个氨基酸His、结构域Ⅱ个氨基酸Arg和结构域Ⅳ的个氨基酸His是保守的。这些普鲁兰酶都有具有水解α-1，4和α-1，6双重活性的单一位点。

应用^[2-3]

近年来，普鲁兰酶与其他淀粉酶协同作用，应用在以淀粉为原料的食品加工等部门，大规模地提高了淀粉的利用率和生产效率。Ⅰ型普鲁兰酶是研究较早且较清楚的一类酶，因其能专一性水解支链淀粉分支点中的α-1，6糖苷键，形成直链淀粉，故最早被应于生产高葡糖浆和麦芽糖浆。在高葡糖浆生产中，普鲁兰酶与葡萄糖淀粉酶协同作用，提高葡萄糖的产量和纯度。

在超高麦芽糖浆生产中，在糖化时加入普鲁兰酶有利于β-淀粉酶的作用，从而提高麦芽糖的含量。Ⅰ型普鲁兰酶还被用来生产“干爽啤酒”，添加普鲁兰酶后大麦发酵度可高达75%，大大减少了发酵液中的不溶性物质。在抗消化淀粉的生产中，Ⅰ型普鲁兰酶能将淀粉进行脱支处理后再经糊化老化处理增加抗消化淀粉的含量。Ⅱ型普鲁兰酶，尤其是高温Ⅱ型普鲁兰酶，能同时水解α-1，4和α-1，6糖苷键，在淀粉酶解制糖工业有着广泛的应用前景。碱性Ⅱ型普鲁兰酶在碱性条件下还可作为衣物洗涤剂和去污剂的有效添加成分，应用到洗涤剂工业中。

目前畜禽饲料以玉米－豆粕型日粮为主，其中的支链淀粉难以利用，造成饲料的浪费。尤其对于幼年的家禽，如仔鸡、仔猪等，它们的消化系统发育尚不健全，消化能力不如成年的，不能很好地吸收利用饲料，而且很容易引起肠道疾病，而剩余的养分又加速了肠道有害微生物的生长，使肠道渗透失调，或造成动物腹泻。添加一定Ⅰ型或Ⅱ型的普鲁兰酶，再在动物内源和外源淀粉酶的作用下，能有效促进动物对饲料中营养物质的消化吸收，减少浪费，缩短生长周期，提高饲料利用率，提高动物的抗病能力，减少疾病发生，节约粮食，提高经济效益。还可以提高鸡的产蛋效率和奶牛的产奶率等。

主要参考资料

[1]普鲁兰酶的研究进展

[2]GH57家族高温淀粉普鲁兰酶的结构与功能分析

[3]普鲁兰酶在食品工业中的应用