α-葡萄糖苷酶為水解酶的一種。α-葡萄糖苷酶廣泛存在于動物、植物和微生物體內(nèi)，它可從非還原末端水解低聚糖和多聚糖的α-1,4-葡萄糖苷鍵，也能作用于淀粉的α-1,6-糖苷鍵，在高葡萄糖苷受體環(huán)境中還可催化轉(zhuǎn)糖苷反應。研究表明α-葡萄糖苷酶在不同領域的開發(fā)和應用都具有很好的經(jīng)濟和社會效益。
1、α-葡萄糖苷酶的簡介
α-葡萄糖苷酶(EC.3.2.1.20，α-Glucosidases) 為淀粉水解酶類中的一種，主要在細胞外起作用。它從多糖的非還原末端水解底物的α-葡萄糖苷鍵，產(chǎn)生α-D-葡萄糖，通常把它們歸類于水解酶第3類,主要水解二糖、低聚糖、芳香糖苷，能以蔗糖和多聚糖為底物。同時，
它還具有轉(zhuǎn)糖苷作用，可將低聚糖中的，α-1，4-糖苷鍵轉(zhuǎn)化成α-1，6-糖苷鍵或其他形式的鏈接，從而得到非發(fā)酵性的低聚異麥芽糖或糖酯、糖肽等。按一級結構可將α-葡萄糖苷酶歸為水解酶13類的31家族。α-葡萄糖苷酶通常按底物專一性分為3個類型。Ⅰ型α-葡萄糖苷酶水解芳基葡萄糖苷如對--硝基苯酚α-D-葡萄糖吡喃苷(pNPG ) ，且水解速率比低聚麥芽糖快。Ⅱ型α-葡萄糖苷酶對麥芽糖具有高活性，而對芳基葡萄糖苷活性低。Ⅲ型α-葡萄糖苷酶與Ⅱ型類似，但它水解低聚糖和淀粉的速率基本一樣。
2、α-葡萄糖苷酶來源及分布
α-葡萄糖苷酶在自然界分布廣泛，種類繁多，性質(zhì)各異，幾乎存在于所有生物體內(nèi)。目前已經(jīng)進行研究的α-葡萄糖苷酶除少數(shù)來源于植物和動物外，絕大多數(shù)均來自于微生物中。細菌、霉菌及酵母菌等一些菌株能分泌此酶，其中產(chǎn)酶較多的是黑曲霉，市場上銷售的α-葡萄糖苷酶產(chǎn)品大都為黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)所
得。
3、微生物α-葡萄糖苷酶研究現(xiàn)狀
微生物來源的α-葡萄糖苷酶相對分子量一般在50~120kDa之間。不同來
源的α-葡萄糖苷酶的相性質(zhì)則差異很大。同一種屬的微生物，除少數(shù)外，它們所產(chǎn)生的α-葡萄糖苷酶性質(zhì)差異也較大。例如，枯草桿菌屬的不同α-葡萄糖苷酶分子量一般在65~120kDa，有些屬酸性水解酶，有些屬中性水解酶，最適溫度各異，底物專一性也不盡相同，有的主要降解直鏈淀粉、有的水解麥芽糖和低聚麥芽糖、有的具有較寬的底物專一性，可水解多種底物。 不同的嗜熱菌產(chǎn)生的α-葡萄糖苷酶，分子量差異較大，嗜熱溫度低的為65℃，最高可達到 100℃。
3.1枯草桿菌α-葡萄糖苷酶
1991年Bradley等研究了嗜熱枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) 和熱溶芽孢桿菌(Bacillus caldolyticus) α-葡萄糖苷酶。2種酶均具有胞內(nèi)低聚-1,4-α-葡萄糖苷酶活性，經(jīng)薄層分析，它們水解直鏈低聚麥芽糖產(chǎn)生麥芽糖和葡萄糖，并水解普魯蘭。二者均不水解Pnpg、麥芽糖、異麥芽糖、異麥芽三糖或潘糖。2種酶均由二亞基組成，分子量分別為55kDa和60kDa，最適pH分別為7.5和7.0，對底物p-硝基-α-D-麥芽糖苷的K m分別為2.96mM和1.31mM。他們在1993年進一步研究了嗜熱芽孢枯草桿菌轉(zhuǎn)化株(H-17) α-葡萄糖苷酶。此酶為胞內(nèi)酶，具有水解低聚-1,4-糖苷鍵活性，也可水解直鏈麥芽低聚糖產(chǎn)生麥芽糖和葡萄糖，同時還具有普魯蘭酶活性，水解普魯蘭產(chǎn)生麥芽糖、葡萄糖及( 異構) 潘糖。此酶對pNPG、麥芽糖、異麥芽糖、異麥芽三糖、( 異構)潘糖無活性，但對淀粉有輕微的水解作用。原酶為二亞基，亞基分子量為5.5kDa，等電點pI4.8，最適pH7.5,5Mm Tris溶液可80％抑制其活性，對p-硝基苯酚-α-D麥芽糖苷K m值為1.46Mm，最適酶活力溫度65℃，其嗜熱活性需要最低濃度0.02%的巰基乙醇或 0.005Mm的EDTA。氨基酸分析發(fā)現(xiàn)H-17株產(chǎn)生的酶與枯草桿菌2S產(chǎn)生的酶相比，前者具有較多數(shù)量的疏水氨基酸殘基，是酶熱穩(wěn)定性和水解活性增加的原因。
3.2 出芽短梗霉菌胞內(nèi)α-葡萄糖苷酶
出芽短梗霉菌(Aureobasidium pullulasns)可產(chǎn)胞內(nèi)α-葡萄糖苷酶，1993年Badal等將此酶經(jīng)Trition X-100溶解、Q-Sephacry處理，羥磷灰石、辛基---瓊脂糖柱層析、Sephacryl S -200 (丙烯葡聚糖凝膠) 過濾可純化124倍，酶活達到316.82 U蛋白。在50℃時最適Ph4.0，穩(wěn)定pH范圍3.0~6.0，在60℃時穩(wěn)定，最適活力溫度為60℃。部分純化的酶分解麥芽糖、異麥芽糖、蔗糖和海藻糖，水解相對速率分別為100，60，47，和50，對多聚糖無活性或活性很低，酶活性不需要金屬離子參與。
3.3芽孢桿菌α-葡萄糖苷酶
Takii等研究的嗜熱脂肪芽孢桿菌( Bacillus stearothmophilus)ATCC12016α-葡萄糖苷酶可從非還原末端專一性水解麥芽糖和α-葡聚糖的α-1,4-糖苷鍵。它的核苷酸序列推斷為1665個堿基對，由555個殘基組成，分子量為6.52kDa。此酶與蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)ATCC7064、嗜熱葡萄糖苷酶地衣芽孢桿菌( Bacillus thermoglucosidasius)KPI006、卡爾斯伯酵母(Saccharomyes carlsbergensis)CBII、枯草桿菌(Bacillus sp.)SAM1606枯草桿菌等的葡萄糖苷酶和變性鏈球菌(Streptococcus mutans) 的右旋葡萄糖苷酶及大腸桿菌 ( Escherichia coli)ECLII6 的海藻糖6-磷酸水解酶具有40%~57% 的序列相似性( 所有這些酶均顯示出于蠟狀芽孢桿菌( B.cereus) 葡萄糖苷酶相似的X衍射二級結構。他們認為此酶位于N-端的一個活性中心，為(α/B)桶狀折疊結構。
2009 年Arzu 等對地衣芽孢桿菌(Geobacillus sp. )A343和嗜熱菌A343的嗜熱α-葡萄糖苷酶性質(zhì)進行了研究。他們從地衣芽孢桿菌A343和嗜熱菌A343中部分純化分離出2種嗜熱的α-葡萄糖苷酶。A343的α-葡萄糖苷酶最適溫度60℃、Ph6.8、對pNPG底物的Km值為1.38Mm.A343α-葡萄糖苷酶最適溫度65℃、Ph8.5。 通過20種底物專一性和薄層層析分析證明A343α-葡萄糖苷酶具有較高的轉(zhuǎn)糖苷活性，而A343α-葡萄糖苷酶有較寬的底物專一性。A343α-葡萄糖苷酶底物為麥芽糖、糊精、松二糖、麥芽三糖、麥芽戊糖、麥芽四糖、麥芽六糖、苯基葡萄糖吡喃。A343α-葡萄糖苷酶更多的水解糊精、松二糖、麥芽糖、苯基葡萄糖吡喃苷、麥芽三糖、麥芽四糖、麥芽戊糖、麥芽六糖、異麥芽糖、蔗糖和曲二糖等的α-1,2、α-1，3、α-1,4、α-1,6鍵。60℃保溫5h，A343 和A333 的活性保留分別為 92 %和83% 。經(jīng)試驗測試它們能抵抗許多變性劑#抑制劑和金屬離子2種α-葡萄糖苷酶的轉(zhuǎn)糖苷活性和淀粉水解能力均具有潛在的開發(fā)價值。
3.4 曲霉α-葡萄糖苷酶
黑曲霉(Aspergillus niger)在以木薯淀粉為碳源的培養(yǎng)基中可產(chǎn)生2種葡萄糖淀粉水解酶: α-葡萄糖酶和α-淀粉酶。2種酶經(jīng)硫酸銨沉淀、離子交換層析和2次凝膠過濾層析可純化為2種純酶，葡萄糖淀粉酶 1和葡萄糖淀粉酶2，分子量分別為74kDa和96kDa，等電點 pI分別為3.8和3.95，最適 pH則分別為4.2和4.5，穩(wěn)定pH范圍 3.5~9.0。這2種酶均有嗜熱性，最適溫度分別為60℃和65℃，在60℃時酶活性可穩(wěn)定1h。酶動力學分析表明2種酶水解支鏈淀粉均比直鏈淀粉更有效，說明2種酶均具有α-葡萄糖苷酶的水解活性。
3.5 其他微生物的α-葡萄糖苷酶
疏棉狀嗜熱絲孢菌(Thermomyces lanuginosus)在生長過程中可用右旋糖作為碳源，它們在早期的發(fā)育過程中能產(chǎn)生一種具有降解右旋糖的α-葡萄糖苷酶。酶活高峰期在培養(yǎng)22 h后出現(xiàn)，在菌種培養(yǎng)的穩(wěn)定期，由于其他蛋白酶的影響，酶的活力極快地降低。此酶是一種高活性的水解葡聚糖苷的α-葡萄糖苷酶。
4 α-葡萄糖苷酶研究發(fā)展趨勢
1982年日本林原生化研究所成功篩選出α-葡萄糖苷酶生產(chǎn)菌種，使該酶得以實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，產(chǎn)品大量應用于淀粉加工業(yè)和食品工業(yè)。此后，各種新型的α-葡萄糖苷酶及其新的應用受到空前的重視。
從α-葡萄糖苷酶研究的歷史進程分析，對它的研究可分為3個方面: ① 主要集中在生α-葡萄糖苷酶的微生物菌種的篩選方面，涉及菌種培養(yǎng)、酶活力提高、酶分離純化和酶的基本理化性質(zhì)研究；②集中在酶的氨基酸序列分析、酶的結構分析、酶的催化機理研究等; ③集中在酶的應用開發(fā)，包括酶的水解底物專一性、酶水解底物的條件和速度、酶催化反應產(chǎn)物及應用開發(fā)、新型α-葡萄糖苷酶開發(fā)及應用等。
目前，α-葡萄糖苷酶已廣泛應用于淀粉水解、酒精發(fā)酵、低聚異麥芽糖生產(chǎn)、化學合成、代謝機理研究、臨床檢測和疾病治療等領域。國外對α-葡萄糖苷酶的研究較深入，經(jīng)文獻檢索已報道的各類α-葡萄糖苷酶研究達幾十種，日本、美國、丹麥等國家已實現(xiàn)微生物發(fā)酵α-葡萄糖苷酶的工業(yè)化生產(chǎn)。我國對α-葡萄糖苷酶研究還處于起步階段，主要集中在第一方面的研究，對酶的結構、催化機制、酶應用和酶產(chǎn)品開發(fā)等方面的報道很少，更沒有工業(yè)化α-葡萄糖苷酶的產(chǎn)品，研究和生產(chǎn)用酶基本上全部依賴進口。今后我國α-葡萄糖苷酶的研究和產(chǎn)品開發(fā)任重而道遠。
