什么是4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶？

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶是自然界廣泛存在的一大類酶，同時它是一種多功能酶，屬于淀粉酶超級家族，與α-淀粉酶超級家族的13家族和70家族有著最為相似的催化機制。4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶是生物的體內(nèi)淀粉代謝過程中所需的酶里面最重要的酶之一。4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶最早是由和在馬鈴薯的塊蓮中發(fā)現(xiàn)的。后來的研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，在許多微生物中也發(fā)現(xiàn)該種酶的存在,許多細菌可生產(chǎn)該種酶，如浸麻芽孢桿菌，嗜熱 脂肪芽孢桿菌，環(huán)狀芽孢桿菌，肺炎克雷伯菌。這些酶都可作用于直鏈淀粉生成環(huán)糊精，然而不同菌體所生產(chǎn)的糖基轉(zhuǎn)移酶之間這一環(huán)化能力又有所差別，通常通過鑒定反應(yīng)底物中（CDn，聚合度為n的環(huán)糊精）的含量來衡量酶的環(huán)化能力。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶與淀粉

淀粉經(jīng)酶解的過程為生物轉(zhuǎn)化過程。目前常用淀粉酶對淀粉進行生物轉(zhuǎn)化，較為常見的有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脫枝酶、糖基轉(zhuǎn)移酶等。例如將α-淀粉酶應(yīng)用于食品及發(fā)酵工業(yè)中，用來生產(chǎn)淀粉糖漿，如果葡糖漿、麥芽糊精等；β-淀粉酶由于其終產(chǎn)物主要是麥芽糖，所以可以用來制備高麥芽糖漿及其產(chǎn)品；脫枝酶處理蠟質(zhì)大米淀粉可以生產(chǎn)慢消化淀粉，脫枝酶處理淀粉可以顯著提高淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉的含量；糖基轉(zhuǎn)移酶對淀粉α-1,4 鍵有 4 種作用方式，并且不同來源的糖基轉(zhuǎn)移酶這4種活性差異很大，但其在淀粉上的應(yīng)用仍處于研究階段。以4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶為例，它具有作用于淀粉生產(chǎn)大環(huán)糊精的特性。而大環(huán)糊精具有復雜的空腔結(jié)構(gòu)，并且其疏水內(nèi)腔具有一定的柔性，可以隨著客體分子的形狀發(fā)生相應(yīng)的變化，對不同大小的客體分子具有不同的包埋能力。同時，在4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶對淀粉的作用中，環(huán)化、偶合、水解等作用同時發(fā)生，可以得到復雜的產(chǎn)物，如中低分子量支鏈淀粉，中間物質(zhì)，環(huán)糊精，低聚糖等，這是α-淀粉酶、脫枝酶等無法實現(xiàn)的。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的催化作用原理

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶簡單來講主要催化α-1,4-糖苷鍵的斷裂，催化α-葡聚糖殘基在分子內(nèi)或者分子間的轉(zhuǎn)移，完成轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)。α-催化α-1,4-糖苷鍵，新生成的還原端轉(zhuǎn)移到本分子的非還原端，則發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，逆反應(yīng)則為偶合反應(yīng)。新生成的還原端如果轉(zhuǎn)移到其他分子的非還原端，則發(fā)生歧化反應(yīng)，其逆反應(yīng)生成的還原端一定程度上不轉(zhuǎn)移到另外的糖受體上，而是與水結(jié)合，則發(fā)生水解反應(yīng)。4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶催化的反應(yīng)大致可以概括為上述四種，因此可以被看成是一種多功能酶。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的全球開發(fā)激情

由于4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶在原有的微生物和植物的體內(nèi)的含量均很低，直接提取很難滿足研究及應(yīng)用需求，所以其制備方法主要是通過將該酶的基因克隆到大腸桿菌等宿主的細胞中，并經(jīng)過宿主細胞的過量表達來實現(xiàn)的。自從上個世紀末，由日本人最先通過生物技術(shù)獲得高效表達的4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的菌株開始，到現(xiàn)在為止，研究者已經(jīng)從多種微生物和植物中提取到該酶的基因并成功轉(zhuǎn)化到宿主細胞中，并實現(xiàn)表達，獲得了催化的功能稍有差異的不同來源的糖基轉(zhuǎn)移酶。在歐美和韓國等發(fā)達國家，在克隆表達糖基轉(zhuǎn)移酶，特別是耐熱的，高轉(zhuǎn)移酶活性的酶高效制備等領(lǐng)域的應(yīng)用研究己經(jīng)取得一定成果。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的應(yīng)用

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶可以用于催化直鏈淀粉制備大元環(huán)糊精（CA），關(guān)于這方面的報道相對較少，這是因為該酶研究工作較少，其重組表達量有待提高。此外，CA的制備底物直鏈淀粉價格昂貴，天然淀粉底物制備CA轉(zhuǎn)化率低，有研究者使用天然玉米淀粉制備CA，轉(zhuǎn)化率只有12.7%，這些因素導致CA的工業(yè)化受到限制。但如果使用4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶和淀粉蔗糖酶共同作用，催化蔗糖制備CA。該方法先采用淀粉蔗糖酶作用蔗糖，生成不同聚合度的直鏈糊精，再通過4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶催化直鏈糊精生產(chǎn)CA。這種雙酶共同作用法只需一步反應(yīng)，減少了CA的制備步驟，縮短了其制備周期，但CA 轉(zhuǎn)化率只有 9.6%。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的法規(guī)

根據(jù)《食品安全法》規(guī)定，衛(wèi)健委審評機構(gòu)組織專家對4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶食品添加劑新品種的安全性評估材料進行審查并通過，于2021年7月15日進行了公布（衛(wèi)健委2021年第6號公告）。

4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶的應(yīng)用

抗壞血酸的糖基化改性：抗壞血酸的性質(zhì)很不穩(wěn)寇，容易被熱和或氧化劑破壞，其貯存和應(yīng)用都受到很大限制 利用4-a-轉(zhuǎn)糖基作用，可以將淀粉、麥芽糊精或環(huán)糊精供體中的葡糖基團接入 抗壞血酸的 C2 位，經(jīng)葡萄糖淀粉酶的水解后形成 2-0-a-D 葡萄糖 抗壞血酸，轉(zhuǎn)化產(chǎn)率達到60%。

改善淀粉基食品品質(zhì)：米糕加工中遇到的最主要問題，就是貯存期間發(fā)生老化導致的食用品質(zhì)的下降，在米糕加工過程中加入適量高轉(zhuǎn)移活性4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶處理，發(fā)現(xiàn)米糕中直鏈淀粉含量從16. 6%下降至12.7%，支鏈淀粉分子量顯著下降，側(cè)鏈長度分布范圍變寬，低聚麥芽糖含量增加。通過對米糕進行質(zhì)構(gòu)分析顯示，酶處理對米糕的硬度、膠著性和咀嚼性均有一定程度改善。

功能成分的改姓：4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶具有切斷并重新生成4-a-糖昔鍵的能力，從而實現(xiàn)糖基的轉(zhuǎn)移而且該酶表現(xiàn)為對于4-a-糖昔鍵的專一性，而對于受體專一性不受體不僅可以是單糖、雙糖或低聚麥芽糖，還可以是糖醇、異黃酣或抗壞血酸等許多具有生理功能的分子可以通過4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶的轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)進行改性，使理化性質(zhì)得到進一步提高。

糖元的制備：4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶的開發(fā)利用可以為糖原的制備提供了第3條途徑。其過程是以淀粉為原料，先使用異淀粉酶將淀粉去分支為短鏈直鏈淀粉，然后利用4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶的轉(zhuǎn)糖基作用將直鏈淀粉的短鏈適當延長，再利用淀粉分支酶的4-a-糖昔鍵的生成功能將適當長度的直鏈淀粉合成糖原。研究表明，該途徑是目前最有效的糖原制備方法，而且通過調(diào)整種酶的作用條件，還可以將所得糖原的分子量控制在3.0×106 -3.0 ×107。

改善淀粉理化特性：4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶具有歧化、環(huán)化和低水解活性的多功能催化機制，可以對天然淀粉分子結(jié)構(gòu)進行改造從而優(yōu)化淀粉的理化性質(zhì)，通過離子色譜對酶處理前后的淀粉進行分析對比，結(jié)果已表明，4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶可以使支鏈淀粉側(cè)鏈長度分布范圍變寬，低聚合度（DPl-8）的較短分支和高聚合度(DP>19）的較長分支數(shù)量增加，同時輕度水解連接支鏈淀粉叢的主鏈，使淀粉分子下降，并伴有少不同聚合度環(huán)狀葡聚糖的生成。4-a-糖基轉(zhuǎn)移酶對淀粉分子結(jié)構(gòu)的這種改變，會導致淀粉糊化溫度降低、糊透明度提高，淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)指標得到改善且不易發(fā)生老化。