葡萄糖异构酶的用途及制备

背景及概述^[1]

葡萄糖异构酶为白色或浅黄色无定形粉末或液体。不溶于乙醇、氯仿和乙醚，溶于水。其能将D-木糖、D-葡萄糖、D-核糖等醛糖可逆地转化为相应的酮糖。由于可使葡萄糖异构化为果糖，故称为葡萄糖异构酶。根据目前已知的情况，本酶的来源有：①短乳酸杆菌及放线菌等所产生的木糖异构酶；②葡萄糖磷酸化异构酶；③来自大芽孢杆菌的葡萄糖异构酶；④从大肠杆菌中发现的异构酶。其中只有木糖异构酶有工业价值。木糖异构酶耐热性高，酶反应不需任何再生因子。其最适pH为6～10。

催化机制^[2]

葡萄糖异构酶的催化过程主要分为4个步骤：底物结合、底物开环、氢迁移反应（异构化）和产物分子的闭环，其中氢迁移反应被认为是整个反应过程的限速步骤。

通过中子衍射技术获得锈棕色链霉菌（的葡萄糖异构酶-Cｄ-环形葡萄糖（3KCL）、葡萄糖异构酶-Ni-线性葡萄糖的晶体结构，并结合之前报道的葡萄糖异构酶-Co（2GVE）和葡萄糖异构酶-ＭG-线性果糖（3CWＨ）的晶体结构，进一步详细阐明了底物开环及其氢迁移反应过程。他同时指出活性中心的水分子为葡萄糖分子的正确定位提供了较好的模板，使得葡萄糖分子的O1接近活性中心氨基酸K289，而O5接近双质子化的Ｈ54；中性的K289在底物结合后，剥夺葡萄糖分子的O1质子，而带上正电荷；双质子化的Ｈ5７-Ｈ54提供质子给O5，使得O5带上负电荷，K289和Ｈ54的去质子化与质子化促使C1-O5键断开，使葡萄糖开环形成线性结构。线性葡萄糖分子的C3-O3与C4-O4键的旋转使得O1与葡萄糖异构酶活性中心的K183氢键连接，从而对线性葡萄糖分子的稳定起到一定作用，有利于O1与Ｍ2金属离子形成配位键。在此基础上通过进一步Ｑ186E突变，研究突变前后葡萄糖异构酶的晶体结构活性中心的氢键网络，发现K289通过氢键与保守水分子作用而促使葡萄糖O1去质子化；而Ｑ186通过两分子水与K289进行氢键连接，并通过两个氢键直接与K183连接，从而使得K289与K183相互作用，稳定了线性葡萄糖的结构。

用途^[2]

葡萄糖异构酶可用作酶制剂，是我国GB2760—1996规定允许使用的食品用酶制剂，用于制造高果糖浆及其他果糖淀粉糖浆。这些糖浆可用于罐头、糖果、糕点、婴儿食品、果汁、冷饮及果脯等方面。

制备^[3]

用嗜酸链霉菌生产葡萄糖异构酶的方法，其目的在于用我们分离获得的嗜酸链霉菌菌种，通过发酵及固定化工艺制备葡萄糖异构酶制剂。本发明包括（1）依据pH值分段模式从土壤中分离嗜酸链霉菌，对于能够在pH5乃至pH4培养基上生长之菌株进行分析鉴别筛选出葡萄糖异构酶产生菌株。（2）经纯化的产酶菌株，在适宜培养条件下，依次经斜面孢子，摇瓶种子逐级扩大培养于含有适当碳源、氮源的接种培养基上，使种子生长旺盛。（3）生长良好的种子培养液接入发酵培养基中，在控制条件下进行发酵，从中收获葡萄糖异构酶，该酶经固定化后用于制备高果糖浆。

主要参考资料

[1] 实用精细化工辞典

[2] 葡萄糖异构酶及其在高果糖浆生产中的应用

[3] CN89107663.8用嗜酸链霉菌生产葡萄糖异构酶的方法