用于修饰淀粉的碳水化合物酶

第 4卷 第 4期 2 0 0 4年 12月 中 国 食 品 学 报 Journ — a — l of Chinese Institute of Food Science and Technology Vo1．4 No．4 Dec．2 0 0 4 用于修饰淀粉的碳水化合物酶 Kwan—Hwa Park Jin—Hee Park Hee—Seob Lee Hye-Young Chae Sung—Soon Park Yang—Do Choi Cheon—Seok Park Tae—Wha Moon Shuang—Yan Tang ( 韩国国立汉城大学食品科学技术系与农业新研究中心 韩国庆熙大学食品科学技术系) 摘要 用各种碳水化合物酶处理的被修饰淀粉的功能特性在食品科技界被广泛关注。酶被 用于修饰淀粉，改 变其结构特性 ，以便在食品和其它工业 中应用。水解直链 淀粉的酶如环糊精 降解酶 能用于生产各种 直链淀 粉。 "-3去比例酶与淀粉反应 ，支链淀粉的支链将被改变，得到的被修饰淀粉在冻融过程 中很稳定，在食品工 业中有极大的应用前景。作者试图将地衣芽孢杆菌 (bacillus lichen@rmis)中的麦芽基因淀粉酶 (maltogenic amylase)基因引入土豆基因组来改造土豆淀粉 ，生产新型碳水化舍物。在该转基因土豆淀粉 中，支链淀粉的 支链长度有重新分配。 关键词 淀粉修饰 环糊精酶 d一葡聚糖转移酶 文章编号 1009—7848(2004)04—0007—04 碳水化合物是食品科技中重要的领域之 一 。 最近在淀粉结构和淀粉食品功能上有很大进 展。由于蛋白质工程和碳水化合物酶分子生物学 的发展使人们获得更多的被修饰淀粉，如 1所 示。改造的碳水化合物食品将很快在市场上出 现。文章将对最近在食品工业上与淀粉有关的碳 水化合物工程的一些进展情况进行概述。 喵 上连接带电基团 功能特征 图 1 修饰淀粉的 3种途径 Fig．1 Three me~ods for starch modification 1 用环糊精降解酶获得含各种直链淀粉 的淀粉 改造淀粉的一个有效方法是除去直链淀粉的 收稿日期 ：2004—11_o8 作者简介 ：Kwan—Hwa Park，男 ，1943年出生，教授 长链。最近对环糊精酶包括普鲁蓝酶 (neopullu— lanase)、环状麦芽糊精酶 (cyclomahodextrinase) 和麦芽基因淀粉酶 (mahogenic amylase)对直链 淀粉和支链淀粉的底物特异性的研究发现，环糊 精酶水解直链淀粉产生麦芽糖，但很难对支链淀 粉产生作用【11。这个特异性可以用该酶催化位点 的几何形状及底物的分子大小来解释。 该酶在溶液中以双体形式存在。两单体的相 互作用表面处形成一个狭窄且深 的凹槽 (见图 2)。图2表示，ThMA双体的催化位点及各种底 物，包括直链淀粉、支链淀粉、B一环糊精，契合 到该 ThMA催化位点的狭长的凹槽 中。相对小的 分子，如 B一环糊精和直链淀粉与凹槽中的活性 基团契合良好，但大分子支链淀粉和混合淀粉与 ThMA的催化基团很难接触 1。图3为土豆淀粉 在酶处理前后的碘吸收光谱。 因此环糊精酶能被用于生产无直链淀粉或含 各种不同长度直链淀粉。用环糊精酶部分降解的 淀粉能被广泛应用于食品。大米淀粉中直链淀粉 与支链淀粉的比例大大影响米饭的口味。含 5％- 15％直链淀粉的低直链淀粉大米适于用在冷冻米 饭球、冷寿司和袋装米饭中，这种新型淀粉在粘 度和胶状淀粉的回生上有良好特性。 维普资讯 http://www.cqvip.com p一环糊精 直链淀粉 支链淀粉 (环糊精酶双体形式) 图 2 环糊精酶双体结构图 Fig．2 Schematic diagram of cyclomahodextrinase in dimenc unit 2 用去比例酶生产的温度可逆性淀粉凝 胶 d一葡聚糖转移酶 (d—GTase)在植物中被称 作去比例酶。它能水解淀粉形成环糊精。该酶还 能攻击 ct-1，4一糖苷键，转移供体分子的寡糖基 到另一个寡糖受体上，形成一个新的d一1，4一糖 苷键 ，如图4所示。当d—GTase与土豆淀粉反 应，支链淀粉的支链大小有相当程度的改变，且 该过程不产生小的寡糖。对支链淀粉的支链分布 表明：小于 1O的短支链增加了，而大于 DP11的支链减少了。直链淀粉被水解，且寡糖 基被转移到支链淀粉的短分枝上，这样就从淀粉 波长 (nm) 图 3 土豆淀粉在环糊精酶处理前后的碘吸收光谱 Fig．3 IMine absorption spectra of potato starch before and after enzymatic modification 图 4 o【一GTase催化的反应 Fig．4 Reactions catalyzed by et-GTase 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷 第4期 用于修饰淀粉的碳水化合物酶 9 图 5 大米支链淀粉在 a—GTase处理前后的支链分布 Fig．5 Distribution of side chain le gth of rice amylopectin before(A)and after(B)ot—glucanotransferase treatment 混合物中除去了直链淀粉。反复加热和冷却该溶 液可形成凝胶结构的可逆改变嘲。 从 Thermus aquaticus中克隆 ot—GTase，并对 该酶进行纯化和性质研究 。该酶与底物反应能 改变支链淀粉的支链分布，如图5所示。反复加 热和冷却该溶液可形成凝胶结构的可逆改变。 凝胶化的淀粉的一个很好的特性是冻融稳定 性，可被用于冷冻或低温保存的食品。 3 转基因植物生产修饰淀粉 许多酶都参与直链和支链淀粉的生物合成， 如淀粉合成酶、分枝酶和去分枝酶。Jobling等用 反意义负调节法降低了3种淀粉合成酶同工酶的 活性[51。转基因淀粉的分析表明支链淀粉的支链 重新分布，直链淀粉消失。淀粉表现出冻融稳定 性，在 5轮冻融后没出现脱水收缩。冻融稳定性 在凝胶表观上十分明显。冷冻前，淀粉溶液澄 清；冻融后，对照淀粉分离为不透明凝胶部分和 澄清水相，短链支链淀粉仍保持澄清，冻融稳定 性十分好。 来 自地衣芽孢杆菌的麦芽基因淀粉酶基因被 引入土豆基因组，改造土豆淀粉I61。对碘染淀粉 的最大吸收和平均支链长度进行测定。转基因淀 粉的平均支链长度与对照相差不大 ，但转基因植 物淀粉 A链的含量减少了，Bl链增加了。且 A 链 的减少 ，Bl链的增加与 BLMA在转基 因株中 的表达量相关 ，该结果表明 A链 比 B链更容易 与 BLMA反应。 4 结论 目前还没有大量关于将酶修饰和转基因植物 共同用于生产被修饰淀粉的研究。过去 l0年中， 在淀粉结构和各种碳水化合物酶的性质方面的研 究取得了很大进展，推动了淀粉及相关化合物特 性的提高，使合成优质淀粉成为可能，很快将有 各种新的淀粉产品出现。 参 考 文 献 1．Kamasaka H．，Sugimoto K．，Takata H．，et a1．Bacillus stearothermophilus neopuHulanase selective hydrolysis of amy— lose to maltose in the presence of amylopectin．App1．Environ．Microbio1．，2002，68： 1 658-1 664 2．Kim T．J．，Nguyen V．D．，l ee H．S．，et a1．Modulation of the multisubstrate specificity of Thermus maltogenic am ylase bv monomer／dimer equilibrium．Biochemistry．2001，4O：14 182～14 190 3．Binnema D．J．and Euverink G．J．W．，EP093244J4(1998-04—16) 4．Park J．H．Characterization of 4-ct—glucanotransferase from Thermis scotoductus and its applications to carbohydra~ en— gineering．Ph．D 山esis．Seoul National University，2004 维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国 食 品 学 报 2004年第4期 5．Jobling S．A．，Westcott R⋯J Tayal A．，et a1．Production of a freeze—thaw stable potato starch by antisense inhibition of three starch synthase genes．Nature Biotechno1．，2002，20：295~299 6．Park S．S．Development and molecular analysis of potato plants transformed’vitll a gene for Bacillus maltogenic amylase． Ph．D thesis．Seoul National University．1998 Carbohydrate Enzymes for Structured and M odified Starch Kwan—Hwa Park Jin—Hee Park Hee—Seob Lee Hye—Young Chae Sung-Soon Park Yang—Do Choi Cheon—Seok Park Tae-Wha Moon Shuang-Yan Tang (JDepartment of Food Science and Technology and Center for Agricultura]Biomaterials，Seoul National University,Korea, Department of F00d Science and Technology．Kyunghee Univershity,Korea) Abstract The functional properties of modified starch produced by treatment of va~ous carbohydram enzymes are of great interest in food biotechnology．For new applications in food and any other industries，many biotechnological attempts have been made to modify starch and to change its structural properties by enzymes，An am ylose—varied starch can be produced by amylose-hydrolyzing enzyme such as cyclodextrin—degrading enzyme．When a disproportionating enzyme reacts with starch，the side chains of am ylopectin can be altered．The resulting modified starch is freeze—thaw stable and shows a great potentials for being utilized in food industry．We also attempted to engineer potato tuber to produce novel ca出。一 hydrate by introducing the gene corresponding to maltogenic amylase from Bacillus licheniformis into the potato chromo— some．Th e redistribution of side chain length of amylopectin were observed in transgenic starch． Key words Starch modification Cyclodextrinase et-glucanotransferase 欢迎订阅2005年 《粮食与油脂》 《粮食与油脂》系由上海市粮食科学研究所、上海市粮油学会主办的有关粮食、油脂、食品综合 性专业期刊。主要报道粮油新产品开发、粮油加工新技术、新产品、新工艺、粮油资源综合利用、粮 油机械、粮油检测、粮油功能性食品、新型食品添加剂；粮油市场、行情分析、粮油期货、粮油论 坛、粮油食品信息等。内容着重新颖性、实用性、服务性、可读性。特色鲜明、资料权威、信息 丰富、贴近读者。使您了解当前国内外粮油、食品行业发展趋向，获知粮油市场最新商情 ：把握机 遇、共创未来。 《粮食与油脂》月刊，大 16开，56页，每月 10日出版，每期定价5元，全年60元。 邮发代号：4—675，请向全国各地邮局 (所)订阅。 也欢迎汇款至本刊订阅：全年订费为 72元 (含邮寄费)。 地址：上海市外马路 1469号 邮编： 200011 电话： (021)63781733 传真： (021)63773264 维普资讯 http://www.cqvip.com