殼聚糖降解酶及伽馬輻射降解殼聚糖的研究概述

楊貴杰+高星愛+解嬌+劉海燕+鳳鵬+金榮德+樸魯東+趙新穎

摘 要：該文主要概述了殼聚糖降解酶及伽馬輻射降解殼聚糖方面的研究。

關(guān)鍵詞：伽馬輻射；殼聚糖酶；殼聚糖

中圖分類號 TQ929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）22-37-02

1 殼聚糖降解酶及伽馬輻射降解殼聚糖的研究

殼聚糖酶（chitosanase，EC 3.2.1.132），全名為殼聚糖-N-乙酰-氨基葡糖苷水解酶（chitosan-N-acetylglucosaminohydrolase），是一種對線性的殼聚糖具有水解專一性的酶。它是能分解殼聚糖的一種配糖類水解酶，根據(jù)酶的氨基酸序列的相似性，可將目前測得序列的殼聚糖酶分別歸屬糖苷水解酶5號、8號、46號、75號和80號（http：//afmb.cnrs-mrs.fr/CAZY/）[1]。根據(jù)底物專一性差別將殼聚糖酶進(jìn)一步細(xì)分為4類，即殼聚糖酶Ⅰ、殼聚糖酶Ⅱ、殼聚糖酶Ⅲ和殼聚糖酶IV[2-3]，第一類酶可以水解 GlcN-GlcN鍵及GlcNAc-GlcN鍵；第二類酶只能水解GlcN-GlcN鍵；第三類酶既可水解GlcN-GlcN鍵，又可水解GlcN–ClcNAc；第四類酶可以水解GlcN-GlcN鍵，GlcN-GlcNAc鍵及GlcNAc-GlcN鍵（表1）。

表1 微生物分泌的殼聚糖酶的家族和亞屬

[ Family 8 ＼& Family 46&80 ＼&Subclass II＼&Subclass III＼&Subclass I＼&Subclass IV＼&＼&＼&＼&＼&CMCase activity （+）＼&CMCase activity （-）＼&＼&Inverting mechanism＼&Bacillus sp.

No 7-M[4]＼&B.Circulans

WL-12[3]＼&B.Circulans

MH-K1[5]＼&Streptomyces

sp.N174[6]＼&Amycolatopsis.

sp.Cso-2[7]＼&]

注：-○-；葡萄糖胺殘基（N-acetyl-β-D-glucosamine residue）；-●-；葡萄糖殘基（D-glucosamine residue）。

殼聚糖酶被更廣泛的分為外切酶和內(nèi)切酶2種類型。內(nèi)切型殼聚糖酶的作用以任意釋放二聚體、三聚體、四聚體等低聚糖混合物為主，外切型的作用則從殼聚糖的非還原末端開始降解生成單糖/二糖殘基—氨基葡萄糖[8]。

γ射線是一種電磁波，它具有能量較高，穿透性較強(qiáng)，與物質(zhì)作用無選擇性等特點(diǎn)。近10a來，國內(nèi)外采γ射線輻照方法降解殼聚糖研究甚多[9-11]。研究表明，殼聚糖降解形成的低聚糖，比天然甲殼素和殼聚糖具有更多、更優(yōu)良的生物學(xué)功能[12-14]。相對于化學(xué)法和酶解法，輻照法具有操作簡便、可控性好，無須添加物的反應(yīng)，節(jié)省能源，且生物相容性不受影響等特點(diǎn)（陳巍，2006）。殼聚糖輻射降解有2種途徑：一是直接作用，即糖苷鍵的成鍵電子被γ射線激發(fā)，引起鍵斷裂；二是間接作用，即輻射產(chǎn)生的電子、自由基等產(chǎn)物通過化學(xué)反應(yīng)加速糖苷鍵的斷裂[15]。甲殼素溶液中的輻照能量主要來源于水，能產(chǎn)生氫氧（·OH），水化電子（e-aq）和氫（·H）等自由基[16]，其中氫氧自由基主要參與降解殼聚糖分子鏈的反應(yīng)[17]。李忠彥等研究表明，γ-射線輻射降解主要機(jī)理為：溶液中氫自由基，通過氫原子吸引，與殼聚糖分子反應(yīng)，在碳原子處形成自由基，從而使糖苷鍵斷裂發(fā)生重排，生成低聚殼聚糖[18]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，前人的研究主要包括以下幾個方面：

2.1 殼聚糖狀態(tài)和輻照劑量方面 波蘭的Relleve[19]等人采用脫乙酰度為88%的固態(tài)殼聚糖在0～120kGy的輻照劑量下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著輻照劑量的不斷加大，殼聚糖的分子量也隨之降低。但是高德玉等[20]研究結(jié)果表明，溶液態(tài)殼聚糖可比固態(tài)殼聚糖輻射降解效率提高50倍左右。張志亮等[21]研究結(jié)果表明，2%的殼聚糖溶液在濃度為2%的醋酸溶液中，在2kGy的輻照劑量下，殼聚糖的分子量明顯降低。翟茂林等[22]，康斌等[23]探究了采用輻照前先將粉末狀的殼聚糖用蒸餾水或一定濃度的雙氧水浸潤，然后再進(jìn)行γ輻射降解，這樣既可使殼聚糖分子膨脹并伸展，加快降解的速度，又能保證大部分的射線被殼聚糖吸收。康斌等[15]，龍德武等[23]，Choi et al[24]等人分別在固體狀態(tài)和浸潤狀態(tài)下進(jìn)行的研究結(jié)果，同樣得出輻照劑量100kGy能有效降解殼聚糖的結(jié)論。

2.2 預(yù)處理氣體與輻照機(jī)理方面 很多學(xué)者指出殼聚糖降解過程中參與的影響因素。被N2O氣體預(yù)處理的殼聚糖溶液中的水化電子自由基能迅速轉(zhuǎn)化氫氧自由基參加反應(yīng)[17]。被O3氣體預(yù)處理的殼聚糖溶液中的水化電子自由基能迅速轉(zhuǎn)化氫氧自由基和氧氣參加反應(yīng)[25]。被O2氣體預(yù)處理的殼聚糖溶液先是產(chǎn)生過氧化氫然后迅速轉(zhuǎn)化成氫氧自由基和水化電子參加反應(yīng)[26]（圖1）。

圖1 輻照降解過程中的影響因素

吳孝懷等研究了臭氧氣體預(yù)處理后殼聚糖的降解反應(yīng)和機(jī)理，結(jié)果表明，氧作為一種強(qiáng)氧化劑的引入，以進(jìn)一步降低殼聚糖的分子量，有利于節(jié)省殼聚糖降解時的輻照成本。

2.3 輻射與降解產(chǎn)物關(guān)系方面 胡健等[27]分析輻照強(qiáng)度及輻照時間與降解產(chǎn)物平均分子量，還原糖分子量及分子量均一性之間關(guān)系，結(jié)果表明，降解產(chǎn)物平均分子量及還原糖分子量，隨輻照強(qiáng)度及輻照時間增加而減小，且降解產(chǎn)物分子量均一程度隨輻照劑量增加而提高。

3 結(jié)語

綜上所述，輻照降解殼聚糖制備的寡聚糖分子量不一，需要進(jìn)一步分離特定分子量，前人的研究主要集中在氣體預(yù)處理，輻照與殼聚糖降解方面，重視產(chǎn)物分析多，對尤其是酶的協(xié)同作用對輻照降解中酶生化機(jī)制方面研究更少。氣體預(yù)處理使得殼聚糖降解的速率更快、降解產(chǎn)物的分子量更小。一般單一的殼聚糖酶對殼聚糖的降解程度有限，而且增加酶量也難以提高水解程度。因此，今后應(yīng)進(jìn)一步研究和開發(fā)制備寡聚糖的簡便方法。

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