劉彥濤，許正龍，林雪嬌，孫達鋒，張衛(wèi)明，蔣建新*

(1. 北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，林業(yè)生物質材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083；2. 南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042 )

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甘露聚糖酶微水固相法改性皂莢多糖膠

劉彥濤1，許正龍1，林雪嬌1，孫達鋒2，張衛(wèi)明2，蔣建新1*

(1. 北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，林業(yè)生物質材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083；2. 南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042 )

作為功能性天然高分子，皂莢半乳甘露聚糖膠資源豐富?；诙嗵悄z吸水潤脹特點提出的微水固相酶法改性皂莢多糖膠，在微水吸脹過程同時滲入酶進行改性反應，微水吸脹后的胚乳片經壓片處理后呈蓬松多孔雪花片狀，反應比表面積加大。β-甘露聚糖酶降解皂莢多糖膠，加酶量在3000～4000 U/(g胚乳)范圍內，加水量為0.9倍胚乳片質量，在40 h反應時間后可得到最大低聚糖含量，為18.17%。微水固相法酶解半乳甘露聚糖可節(jié)約酶用量成本且易操作，避免了多糖膠溶液的高粘度性對酶解帶來的不便，對多糖膠酶法改性的工業(yè)化應用有重要意義。

皂莢；半乳甘露聚糖膠；微水固相；酶法改性

皂莢(GleditsiasinensisLam.)為豆科(Legminosae)蘇木亞科的多年生木本植物，可生長在多種環(huán)境條件下，在我國河北、山東、福建、江蘇、廣東等地區(qū)分布廣泛，可以作為天然植物應用于醫(yī)藥，食品和保健品等領域[1]。植物多糖膠是可提供各種功能性增值產品的高分子碳水化合物，半乳甘露聚糖的一個重要來源是植物多糖膠，是存儲性多糖，存在于種子胚乳細胞壁[2]。已有研究系統(tǒng)性表述了皂莢、野皂莢等種子組成和多糖膠性質[3]，并通過核磁共振方法研究表征了多糖的化學結構[4]，幾種種子的胚乳質量分數(shù)在30%～40%范圍，聚糖在種子胚乳中約占70%左右；其中1%濃度的皂莢多糖膠具有最高為274 mPa·s的表觀粘度。

植物多糖膠的改性分為化學改性和酶法改性，化學改性主要通過官能團衍生化和接枝聚合兩種方式實現(xiàn)。降低多糖膠的分支度會提高與其他多糖形成共凝膠的能力。降低多糖膠的分子量會使溶液黏度降低，可在食品中起到膳食纖維的作用[5]。酶法改性的兩種形式主要分為解聚主鏈和脫支鏈。β-甘露聚糖酶(EC 3.2.1.78)和α-半乳糖苷酶(EC 3.2.1.22)為半乳甘露聚糖膠改性主要用到的兩種酶[6-8]。β-1, 4-D-甘露聚糖酶(EC 3.2.1.78)，簡稱β-甘露聚糖酶，是能夠水解含β-1, 4-D-甘露糖苷鍵的內切水解酶，屬于半纖維素酶類[9-10]。不同的β-甘露聚糖酶產生的低聚糖性質不同，這說明酶的反應方式不同[11]。β-甘露聚糖酶存在于各種生物體，包括植物、細菌、真菌和軟體動物中。通常，β-甘露聚糖酶若來源于真菌，則其作用偏酸性，而細菌產的β-甘露聚糖酶作用接近中性或偏堿性，穩(wěn)定性也較好。不同植物產生的β-甘露聚糖酶的分子量、溫度和pH作用范圍、等電點、底物專一性、酶動力學常數(shù)等都有一定的差異。本研究采用微水固相法利用β-甘露聚糖酶降解皂莢多糖膠半乳甘露聚糖，主要探究了適當加水比及均相反應溫度等條件下，不同加酶量和反應時間范圍對改性產物低聚糖和單糖含量的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗原料、試劑及標準品

皂莢莢果由河北涉縣供銷社提供，手工剝離得到皂莢種子，使用烘烤法分離種子中的胚乳膠。將一定量種子放入微波爐中預處理一定時間，取出后使用粉碎機擊打，從種皮和胚中分離胚乳片。

無水乙醇、3,5-二硝基水楊酸鈉、無水亞硫酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等均為分析純。

單糖標準品包括L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-木糖，購于美國Sigma-Aldrich公司；系列葡聚糖標準分子量樣品DXT3k、DXT25k、DXT160k、DXT760k、DXT1185k的平均分子量范圍為3.6×103Da～1.2×106Da，均購自日本TosoHaas公司；低聚糖標準品1, 4-β-D-甘露四糖(純度不低于95%)、1, 4-β-D-甘露三糖(純度不低于95%)、1, 4-β-D-甘露二糖(純度不低于95%)購自愛爾蘭Megazyme公司。β-1, 4-D-甘露聚糖酶(EC 3.2.1.78)，簡稱β-甘露聚糖酶(β-mannanase)，為能夠水解含β-1, 4-D-甘露糖苷鍵的內切水解酶，由中國科學院微生物研究所提供。

1.2 儀器與設備

高速萬能粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)，SHJ-I水浴恒溫磁力攪拌器(金壇市美特儀器制造有限公司)，立式壓力蒸汽滅菌器(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠)，UV-2000型紫外-可見分光光度計(尤尼柯(上海)儀器有限公司)，Waters e2695高效液相色譜儀(美國Waters公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 β-甘露聚糖酶活力的測定

DNS溶液的配制：稱取3.15 g(精確至0.001 g)3, 5-二硝基水楊酸鈉，加入500 mL去離子水后在45 ℃水浴中不斷攪拌。隨后，向溶液中緩慢加入100 mL濃度為5 mol/L的氫氧化鈉溶液，同時不斷攪拌直至溶液清澈透明。在加入氫氧化鈉溶液的過程中要注意溶液溫度不超過48 ℃。之后再向溶液中逐步加入91.0 g(精確至0.001 g)四水酒石酸鈉、2.50 g(精確至0.001 g)重蒸苯酚和2.50 g(精確至0.001 g)無水亞硫酸鈉。繼續(xù)在45℃水浴中恒溫攪拌并補加300 mL去離子水，期間不斷攪拌至全部溶解。待溶液冷卻至室溫后，轉移到棕色容量瓶，加入去離子水定容至1 000 mL，混合均勻并在室溫下避光保存7天。用燒結玻璃過濾器過濾后將濾液儲存在棕色瓶中，避光保存，有效期為6個月。

那么推什么？一言以蔽之，就是推進廉潔政治建設。干部清正、政府清廉、政治清明，是習近平總書記推進反腐倡廉建設思想的目標和理念。干部清正，不僅僅對執(zhí)政黨自身的建設和國家政權體系的建設有利，更是對整個社會風氣的健康發(fā)展有重要作用。清廉是共產黨領導的人民政府應有的本質特征。政治清明，是社會主義國家的內在要求。中國共產黨領導廣大人民群眾進行民主政治建設，理應是清明的政治。

配制pH為6的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，并用其配制質量濃度為10 g/L(0.1 mol/L)的皂莢膠溶液。取1 mL質量濃度為10 g/L的皂莢膠溶液，加入0.1mL用蒸餾水適當稀釋的酶溶液，再加入0.9 mL乙酸-乙酸鈉緩沖液，于40℃水浴中恒溫反應(底物濃度增加會使酶的最適溫度相應提高)，用DNS顯色法測定還原糖含量。酶活力單位(U)定義為在40 ℃、pH為6.0的條件下，1 min內催化質量濃度為5 mg/mL的皂莢膠(GSG)底物生成1μmol還原糖(以甘露糖表示)所需的酶量。

1.3.2 β-甘露聚糖酶微水固相改性皂莢多糖膠

以水溶液中酶解皂莢半乳甘露聚糖膠為基礎，預實驗后設定實驗所需β-甘露聚糖酶用酶量及反應溫度等條件。所用原料為扁皂莢種子，使用烘烤法粉碎去除種子外殼，得到皂莢胚乳片，為微水固相法酶解所用半乳甘露聚糖。在一定溫度的少量水溶液中溶解一定量的β-甘露聚糖酶，隨后加入胚乳片進行吸水溶脹的水合過程，2 h左右后待胚乳片吸脹完全處于半干狀態(tài)，使用三輥研磨機壓片處理為雪花片狀，隨后進入均相反應器完成酶解反應。一定反應時間后放入高壓蒸汽滅菌鍋，在121 ℃下高溫滅酶20 min。取出后放于65 ℃烘箱內烘干水分，使用粉碎機粉碎并通過120目篩(顆粒尺寸小于0.125 mm)，得到淡黃色粉末樣品。

1.3.3 β-甘露聚糖酶微水固相改性產品表征

樣品通過高效液相色譜法表征微水固相法酶解所得產物。

使用HPLC測定單糖量。將樣品稀釋至適當濃度，通過0.22 μm濾膜過濾。高效液相色譜為Waters 2695 HPLC系統(tǒng)，配有Aminex HPX-87P柱(300 mm×7.8 mm，Bio-Rad)及2414 RID示差折光檢測器。柱溫85 ℃，檢測器溫度35 ℃，進樣量為10 μL，流動相為雙蒸水，流速0.6 mL/min。使用單糖標準品包括L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-木糖來隨柱進行校準。

使用Waters 2695 HPLC系統(tǒng)測定低聚糖產物。配備SUGAR PAK I(6.5 mm×300 mm；Waters)和2414RID示差折光檢測器。在檢測過程中，柱溫恒定在85 ℃，檢測器溫度為30 ℃。流動相為雙蒸水，流速為0.5 mL/min。進樣量為10 μL。

通過凝膠滲透色譜(GPC)分析樣品分子量分布。GPC系統(tǒng)柱為TSK PWXL保護住、TSKgelG6000 PWXL和TSKgelG3000 PWXL(TosoHaas)，并配有示差折光檢測器。流動相為pH 6.8的磷酸鹽緩沖液，濃度為0.2 mol/L，流速為0.6 mL/min。將樣品稀釋至0.1 g/L左右濃度，在進樣前通過0.22μm濾膜。測定時柱溫保持在35 ℃。使用一系列平均分子量為3.6×103Da～1.2×106Da的葡聚糖標準溶液校正柱子。使用軟件Empower2(Waters)計算得到平均分子量Mw和Mn。

2 結果與分析

β-甘露聚糖酶耐高溫，選擇最適溫度60 ℃左右水合，水合過程中胚乳片吸水膨脹，最終變得柔軟有彈性，水合后的胚乳片經對輥機輥壓成雪花片狀，裝入均相反應器反應。反應溫度80 ℃，轉速60 r/min。β-甘露聚糖酶的酶活為362 732 U/g。以不加酶樣品作為空白對照。

β-甘露聚糖酶微水固相法酶解皂莢多糖膠胚乳片，采用不同水量和加酶量酶解，反應40 h，各項參數(shù)如表1所示。

表1 β-甘露聚糖酶微水固相法降解皂莢多糖膠40h工藝參數(shù)

β-甘露聚糖酶1#2#3#4#5#6#7#8#9#胚乳片重量(g)20．020．020．020．020．020．020．020．020．0水合加水比1∶0．71∶0．71∶0．71∶0．81∶0．81∶0．81∶0．91∶0．91∶0．960℃水(g)14．014．014．016．016．016．018．018．018．0加酶量(U/g胚乳)200030004000200030004000200030004000甘露聚糖酶(g)0．11030．16540．22050．11030．16540．22050．11030．16540．220580℃均相反應時間(h)404040404040404040

β-甘露聚糖酶可以水解甘露五糖、甘露六糖的主要產物為DP2～3和DP2～4的低聚糖，甘露四糖進一步水解為甘露三糖和甘露二糖。實驗的結果是使用β-甘露聚糖酶微水固相改性皂莢多糖膠半乳甘露聚糖，可得到平均聚合度均在5以下的產物，高效液相色譜測定得到一定含量甘露二糖、三糖和四糖，表明微水固相方法的可行性。其中二三四糖及總低聚糖的變化趨勢如圖1所示。

由圖1可見，一定含水量條件，低聚糖含量基本隨酶量增加而增加，其中較少水量(0.7)情況最多酶量所得低聚糖含量略低，推測是由于水量過少，胚乳片吸脹過程未能吸收所有的酶，導致均相反應所利用的酶量不足。隨著水量的增加，同等加酶量的樣品所得低聚糖含量增加，表明在微水環(huán)境的前提下，水量的增多有助于酶對胚乳片的作用，增加低聚糖的產生。在加水量在0.8以上時，低聚糖得率較高，酶含量和水含量的增加對低聚糖的總量影響不大，實驗所得低聚糖含量最多為18.17%，在0.9倍固體重量加水量和4 000 U/g胚乳加酶量得到。而通過對比可看出，反應產生的低聚糖中甘露二糖和甘露三糖較多，甘露四糖較少，在β-甘露聚糖酶微水固相酶解40h內的反應過程中，更易作用于甘露四糖產生越來越多的三糖和二糖，需要繼續(xù)探究不同時間段微水固相酶解得到低聚糖的情況。

圖1 不同加水比和β-甘露聚糖酶量微水固相法降解皂莢多糖膠所得低聚糖含量(80℃，40h)

酶解所得單糖到四糖的總和按1～9號順序分別為16.71%，21.81%，20.86%，21.03%，29.89%，30.09%，25.96%，29.04%，31.76%。在適宜用水量較高用酶量條件下產生的甘露糖單糖可達10%以上，說明一定反應時間內，適宜加水和加酶量條件下，酶解過程中的轉糖基作用形成越來越多單糖，這對酶解反應產生低聚糖產生不利影響。

2.2 β-甘露聚糖酶微水固相法降解24 h內產品表征

根據階段試驗結果改進工藝，選取合適含水量和更大加酶量，在微水前提下選取最適水量(0.9)，使用4 000 U/(g胚乳)和5 000 U/(g胚乳)加酶量進行反應，80 ℃均相反應6 h，12 h，18 h和24 h后得到產品。具體參數(shù)如表2所示。

圖2 不同時間和β-甘露聚糖酶量微水固相法降解皂莢多糖膠所得低聚糖含量(80℃)

β-甘露聚糖酶改性1#2#3#4#5#6#7#8#胚乳片重量(g)20．020．020．020．020．020．020．020．0加水比1∶0．91∶0．91∶0．91∶0．91∶0．91∶0．91∶0．91∶0．960℃水(g)18．018．018．018．018．018．018．018．0加酶量(U/g胚乳)40005000400050004000500040005000甘露聚糖酶(g)0．22050．27570．22050．27570．22050．27570．22050．2757均相反應時間(h)66121218182424

表3 β-甘露聚糖酶微水固相法長時間降解皂莢多糖膠工藝參數(shù)

24 h內的β-甘露聚糖酶微水固相改性所得低聚糖和低聚糖含量變化情況如圖2所示，在24 h內，4 000 U/(g胚乳)的加酶量下反應所得的低聚糖均遠少于40 h所得，單糖含量較40 h較少但差距不大。隨著時間的增加，甘露二糖和甘露三糖的含量是逐漸增加的趨勢，兩者的總量最高為13.13%，此時加酶量為5 000 U/(g胚乳)，其中所有樣品甘露四糖的得率過低，在高效液相色譜中未檢測出，這可能是由于24 h的反應時間內，β-甘露聚糖酶依然主要作用在較易降解的甘露四糖，生成甘露三糖和甘露二糖，在18 h之后，酶量的增加對低聚糖含量的影響不大。在這種實驗條件下仍有10%的甘露糖單糖生成，降解所得1～8號樣品單糖和寡糖總和分別為10.90%，12.14%，19.35%，20.42%，20.37%，24.73%，23.53%，25.72%。減少反應時間不能保證減少甘露糖單糖的生成。

2.3 β-甘露聚糖酶微水固相法降解72～96 h產品表征

根據以上實驗結果改進條件，選取適合加水比1∶0.9進行實驗，加酶量分別為4 000 U/(g胚乳)，5 000 U/(g胚乳)和6 000 U/(g胚乳)，由于實驗過程中發(fā)現(xiàn)若繼續(xù)加大酶量，微水狀態(tài)下酶液過稠，無法使胚乳片進行良好的吸脹，所以確定最大加酶量為6 000 U/(g胚乳)，反應時間加長，為72 h和96 h，各項參數(shù)如表3。

圖3所示為不同加酶量在反應時間為72 h和96 h時的低聚糖含量變化，在最大反應時間和用酶量條件下的低聚糖得率最高，為17.33%，產物的單糖含量均在10%以上，較之前方法并沒有明顯減少，反應得到產物按照1～6編號順序單糖到四糖的總含量分別為25.26%，25.34%，25.10%，24.54%，26.78%，31.15%。可看出，在反應72 h左右時，酶量的增加對低聚糖和單糖的影響都不明顯，隨著反應時間繼續(xù)延長，在96 h后酶量增加會使低聚糖和單糖含量相應增加，但較40 h反應時4 000 U/(g胚乳)加酶量的結果仍然較低，而在較長反應時間情況下，4 000 U/(g胚乳)及以上加酶量下產物單糖到四糖的總量也相對減少，推測原因可能為長時間的反應中，適量的β-甘露聚糖酶更多作用于半乳甘露聚糖分子產生長鏈聚糖，產生四糖及以下糖基較少，轉糖基作用也有所減弱。

圖3 β-甘露聚糖酶量微水固相法降解72～96h皂莢多糖膠所得低聚糖含量(80℃)

2.4 β-甘露聚糖酶微水固相法降解皂莢多糖膠分子量分布

根據以上對各條件下的產物進行分子量測定分析，結果如圖4。采用GPC對β-甘露聚糖酶微水固相改性皂莢多糖膠得到的樣品進行重均分子量(Mw)和數(shù)均分子量(Mn)的測定，未加酶的樣品為對照。與糖含量測定結果相吻合，Mw和Mn的值與原膠相比有明顯的下降，Mn值的降低是由于酶解過程中生成了一定量的小分子，而多分散性(Pi=Mw/Mn)表示多糖的均勻性，下降表明反應生成不同長度大小的聚糖。與72 h和96 h反應時間所得產物相比，40 h反應的重均分子量(Mw)和數(shù)均分子量(Mn)均較低，試驗條件范圍內，降解產品的分子量及多分散性與反應時間無明顯規(guī)律。

圖4 不同條件下β-甘露聚糖酶微水固相改性皂莢多糖膠產物的分子量(Mw和Mn)和多分散指數(shù)(Pi=Mw/Mn)變化

3 結 論

(1)24 h短時間和72～96 h較長時間，微水固相酶解反應得到低聚糖含量較40 h偏低，同時仍得到10%左右甘露糖單糖副產物，在0.9倍加水比和3 000～4 000 U/(g胚乳)的加酶量降解40 h 低聚糖含量達到最大值18.17%。

(2)在反應中仍然存在產物中有大量甘露糖單糖等問題，可能是因為轉糖基作用或酶的純度略有缺陷，固相反應可能存在反應器中物料不均勻的情況。以本研究為基礎，可使用熒光標記法，進一步研究酶在微水固相中擴散規(guī)律。微水固相法酶解半乳甘露聚糖可節(jié)約酶用量成本，適合實際生產，對多糖膠的工業(yè)化應用有重要意義。

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β-Mannanase Modified Gleditsia sinensis Gum Using Micro-water-solid-phase Methods

Liu Yantao1, Xu Zhenglong1, Lin Xuejiao1, Sun Dafeng2, Zhang Weiming2, Jiang Jianxin1*

(1.College of Material Science and Technology, MOE Engineering Research Center of Forestry Biomass Materials and Bioenergy,Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants, Nanjing 210042, China )

Galactomannan gums are functional natural polymers, which are rich in the seeds ofGleditsiasinensis. Modification of galactomannan in micro-water-solid-phase is a innovative method proposed based on the swelling characteristics of the polysaccharide gums. While swelling in small amount of water, the enzymes were absorbed for the modification reaction, and imbibed endosperms were fluffy with snow flake after the pressure treatment. Modification of galactomannan using β-mannanase in micro-water-solid-phase obtained a maximum oligosaccharide content of 18.17 %, with the amount of enzyme in 3000-4000 U/(g endosperm) , water∶endosperm=0.9 and reaction for 40 h. Enzymatic modification of galactomannan in micro-water-solid-phase saves the cost of enzyme. It is easily operated and successfully avoids the inconvenience of high viscosity of gum solution. This new method is suitable for the practical production and has a significant impact on the industrial application of polysaccharide gum modification.

Gleditsiasinensis; Galactomannan gums; micro-water-solid-phase; enzymatic modification

10.3969/j.issn.1006-9690.2016.06.003

2016-05-23

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600803)和國家自然科學基金項目(31270624)。

劉彥濤(1991—), 男, 碩士研究生，主要從事多糖利用研究工作。

*通訊作者： 蔣建新，教授，博士生導師，研究領域為林產化工及生物質能源。E-mail:jiangjx@bjfu.edu.cn

Q539

A

1006-9690(2016)06-0012-05