淺談β-葡萄糖苷酶及其在食品工業中的應用

劉洋 趙維萍 蔡華 黃貝貝 朱儀

【摘要】β-葡萄糖苷酶廣泛存在于動物、植物、微生物中，可以水解非還原性末端的β-D-葡萄糖苷鍵，從而釋放出β-D-葡萄糖的配基，也可以水解對硝基苯-β-D-半乳糖以及β-D-木糖苷。本文從β-葡萄糖苷酶的簡介、主要酶學性質、及其在食品工業中的應用等方面進行綜述，探討β-葡萄糖苷酶的研究進展。

【關鍵詞】β-葡萄糖苷酶；食品工業

β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，EC 3.2.1.21）屬于水解酶類，通常又被稱為纖維二糖酶（Cellobiase），龍膽二糖酶（Gentobiase）和苦杏仁苷酶（Amygdalase）等?？梢运夥沁€原性末端的β-D-葡萄糖苷鍵，從而釋放出β-D-葡萄糖的配基，也可以水解對硝基苯-β-D-半乳糖以及β-D-木糖苷。目前已經有很多β-葡萄糖苷酶在工業生產中得到了應用，尤其在食品工業中的應用最為廣泛。

一、β-葡萄糖苷酶簡介

（一）β-葡萄糖苷酶的來源

β-葡萄糖苷酶分布較為廣泛，特別在植物的種子和微生物中尤為普遍，該酶首次是在苦杏仁汁中被Liebig與wohler發現（1837年）。此后，科研人員相繼從動物、植物和微生物中發現了大量的β-葡萄糖苷酶，并進行了生理生化方面的研究。

（二）β-葡萄糖苷酶的分類

根據酶對底物水解的專一性，β-葡萄糖苷酶可分為芳香基-β-葡萄糖苷酶、烴基-β-葡萄糖苷酶、多底物特異性β-葡萄糖苷酶三類。根據酶的結構相似性和催化結構域的氨基酸序列相似性進行分類，β-葡萄糖苷酶可以歸類于糖苷水解酶的GH1、GH2、GH3、GH5、GH9、GH30、GH39和GH116家族中（統計數據截止2018年6月），其中GH1和GH3家族中的β-葡萄糖苷酶最多，研究的也最為透徹。

二、β-葡萄糖苷酶的酶學性質

（一）β-葡萄糖苷酶的底物特異性

多數β-葡萄糖苷酶可以同時水解多種糖苷鍵，如C-O，C-N，C-S及C-F鍵等。在眾多的底物中，β-葡萄糖苷酶往往對纖維二糖或對硝基苯-β-D-葡萄糖苷（pNPG）的水解能力最好。

（二）β-葡萄糖苷酶的最適pH和pH穩定性

β-葡萄糖苷酶通常表現出廣泛的pH適應性和穩定性，大多數β-葡萄糖苷酶最適pH都偏酸性。只有少數β-葡萄糖苷酶的最適 pH位于中性或偏堿性，如唐婧從Klebsiella sp.中分離出的β-葡萄糖苷酶，最適反應pH為10，該酶在pH為11.0的環境中還可以呈現80%的剩余酶活。

（三）β-葡萄糖苷酶的最適溫度及溫度穩定性

β-葡萄糖苷酶的最適反應溫度范圍可分布在30～110℃區間內，在這些不同來源的β-葡萄糖苷酶中，古細菌來源的β-葡萄糖苷酶無論是在最適反應溫度，還是在熱穩定性方面，都要普遍高于其他微生物。如Pyrococcus furiosus來源的的β-葡萄糖苷酶，最適反應溫度可達102～105°C，且100°C下的半衰期可達85 h。

三、β-葡萄糖苷酶在食品工業中的應用

（一）釀酒和飲料行業

在釀酒及飲料行業中，產品的質量和口感是人們最為關注的地方，由于許多釀酒及飲料生產的食品原料中都有結合態糖苷鍵形式的香味前體，這些香味前體可以被β-葡萄糖苷酶水解，生成各種具有芳香氣味的苷元釋放出來，從而提高產品的風味和口感，為企業生產帶來更好的經濟效益。早在1970年開始，利用黑曲霉發酵制備的β-葡萄糖苷酶就成為一種商品，主要用于釀酒和果汁等工業領域。

（二）大豆異黃酮水解

異黃酮廣泛存在于豆科植物中，大豆中天然存在的異黃酮一共有12種，通常情況下都是以糖苷結合的形式存在，這種天然存在的糖苷，必須經過葡萄糖苷酶水解成大豆異黃酮苷元后才能被人體吸收和利用。目前β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶是水解大豆異黃酮領域中常用到的兩種酶，由于大豆異黃酮中多數糖苷的連接鍵是β-糖苷鍵，所以研究和使用最多的還是β-葡萄糖苷酶。

（三）食品添加劑

食用色素作為一種重要的食品添加劑，可以增加人們對食品的吸引力，食用色素根據來源可分為合成和天然的兩種。由于價格便宜的合成色素的安全性逐漸受到了人們的質疑，使得天然色素產業得到了快速發展，其中梔子藍色素便是一種被廣泛使用的天然色素，可添加在各種食品的生產加工過程中，增加食品的感官。目前通過發酵法可以生產梔子藍色素，將原料梔子果實直接粉碎后與氨基酸以及發酵菌種混在一起發酵培養，利用發酵菌種產生的β-葡萄糖苷酶水解底物梔子苷從而產生藍色素。

（四）茶葉增香

茶葉中含有幾百種芳香物，且很多香氣物質是由糖苷類前體物質存在，需要經過內源水解酶水解成游離態而呈現出芳香性，所以芳香物質的轉化對茶葉的質量和特色有著決定性的作用，β-葡萄糖苷酶是茶葉中重要的水解酶類之一，可以直接或間接地控制或影響著茶葉香氣的形成。

（五）食品安全

木薯作為一種理想的經濟作物，其用途十分廣泛，可以用來生產木薯淀粉、燃料乙醇、木薯酒等，其中的副產物木薯渣、木薯酒精糟還可以用于動物飼料的生產。但是由于木薯原料中含有有毒物質生氰糖苷，限制了其在食品工業上的應用。而β-葡萄糖苷酶恰恰可以水解木薯中的有毒物質，大大提高了木薯相關食品的安全性等。

四、展望

隨著基因組學技術的應用和全基因組序列測序技術的日趨成熟，更多微生物的全基因組序列被測出并被共享，科研工作者可以結合序列篩查和定位分析等技術，獲得越來越多新型的β-葡萄糖苷酶。目前國內對β-葡萄糖苷酶相關領域的研究還多數集中在產β-葡萄糖苷酶菌株的篩選、酶的純化、基因克隆、異源表達、酶學性質和酶的固定化等方面。今后可以在的如何更好地提高β-葡萄糖苷酶在工業應用中的效率和酶的催化機理等方面展開進一步的研究。

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作者簡介：劉洋（1986.01—），男，漢族，安徽六安人，博士，滁州學院生物與食品工程學院，助教，研究方向：食品生物化學與酶工程。