β-1,3-葡聚糖酶的結構、功能及應用研究進展

魏夏森，余賽男，張哲一，高海燕*，秦 臻*

（上海大學生命科學學院，上海 200444）

β-1,3-葡聚糖是一類廣泛存在于自然界中的高分子多糖，其主鏈由葡萄糖單元通過β-1,3-糖苷鍵連接。一些天然β-1,3-葡聚糖同時還含有不同比例和大小的通過β-1,6-糖苷鍵連接的支鏈。例如褐藻中的昆布多糖側鏈含有30%左右的β-1,6連接支鏈結構，并因此具有水溶性[1]。天然β-1,3-葡聚糖廣泛分布于真菌、細菌和植物中，常見的β-1,3-葡聚糖包括昆布多糖、可得然多糖、酵母葡聚糖、茯苓多糖、香菇多糖、胼胝質等。由于β-1,3-糖苷鍵的連接方式及分子間的氫鍵相互作用，長鏈β-1,3-葡聚糖在天然狀態下通常會呈現不同的螺旋型三級結構[2]，這些特殊的三級結構賦予β-1,3-葡聚糖多樣的生物功能，包括調節免疫力[3]、促進腸道益生菌增殖[4]、調節血糖平衡及降低膽固醇[5]等。β-1,3-葡聚糖的生物活性及其特殊的三級結構使其在食品、日化、醫療等領域受到廣泛關注。

β-1,3-葡聚糖酶是一類能夠水解以β-1,3-糖苷鍵連接的葡聚糖的酶系，在β-1,3-葡聚糖的生物降解、重構以及開發應用中發揮著重要作用。自然界中，β-1,3-葡聚糖酶廣泛分布于古生菌、細菌、真菌、高等植物及動物中。β-1,3-葡聚糖酶在食品和醫藥領域有著廣泛的應用價值，如制備低分子質量β-1,3-葡寡糖、降低啤酒發酵液黏度、抑制果蔬采后病原真菌等。盡管目前研究者對β-1,3-葡聚糖酶的表達純化、分子結構、酶學性質、催化機制等做了大量研究，然而不同類型β-1,3-葡聚糖的復雜結構限制了β-1,3-葡聚糖酶的廣泛應用。不同家族、不同作用模式的β-1,3-葡聚糖酶系需要協同參與復雜β-1,3-葡聚糖的高效降解。因此，充分認識不同類型β-1,3-葡聚糖酶的結構、功能、催化模式，對于β-1,3-葡聚糖酶的應用及進一步的分子改造具有重要意義。本文總結典型β-1,3葡聚糖酶的結構、功能及應用領域的研究進展，旨在為其后續催化機理研究及其在食品、醫藥等領域的應用提供參考。

1 β-1,3-葡聚糖酶的分類及其催化機制

β-1,3-葡聚糖酶根據其催化方式可以分為內切型和外切型兩種類型。內切β-1,3-葡聚糖酶（EC3.2.1.39）又被稱為昆布多糖酶，是一種專一性水解β-1,3-葡聚糖糖鏈中β-1,3-糖苷鍵的酶類，在自然界β-1,3-葡聚糖的分解、重構中發揮關鍵生物學功能，在β-1,3-葡聚糖酶系中具有重要意義。內切β-1,3-葡聚糖酶從糖鏈內側水解β-1,3-葡聚糖，產生一系列不同聚合度的寡糖。外切β-1,3-葡聚糖酶（EC3.2.1.58）則從糖鏈的非還原端逐一水解β-1,3-葡聚糖底物，水解產物一般為葡萄糖或單一寡糖，在β-1,3-葡聚糖的降解過程中起輔助作用。

基于其序列進化關系，根據CAZy數據庫（http://www.cazy.org/）的分類，已發現的β-1,3-葡聚糖酶可歸屬于12 個糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GH）家族。其中，內切β-1,3-葡聚糖酶可以歸屬于9 個GH家族（圖1）：GH16、GH17、GH55、GH64、GH81、GH128、GH152、GH157和GH158；已發現的外切β-1,3-葡聚糖酶可以歸屬于6 個GH家族：GH3、GH5、GH17、GH55、GH128和GH132。

β-1,3-葡聚糖酶具有兩種水解機制，分別是保留型機制和反轉型機制[6]。保留型水解機制的催化過程分為兩個步驟，首先，活性中心的谷氨酸殘基作為廣義酸（質子供體），給糖苷鍵氧提供一個質子來切去離去基團，使β-1,3-糖苷鍵斷裂，并形成酶-糖基中間體。隨后，活性中心的谷氨酸殘基作為廣義堿，協助水分子攻擊酶-糖基中間體的異頭碳位置。最終，底物的β-1,3-糖苷鍵被水解，形成最終的水解產物。異頭碳的兩次反轉導致底物的構象得到保留，因此稱為保留型機制。反轉型機制的β-1,3-葡萄聚糖酶涉及兩個保守的催化殘基，分別為廣義酸及一個廣義堿。在反應歷程中，廣義酸首先提供一個質子給底物的異頭碳，同時廣義堿從水分子中去除一個質子，增加了其親核性，促進其攻擊異頭物的中心，從而使糖鍵斷裂，生成水解產物（圖2）。

圖2 糖苷水解酶的兩種催化機制[6]Fig.2 Two catalytic mechanisms of glycoside hydrolase[6]

2 β-1,3-葡聚糖酶的來源及制備

β-1,3-葡聚糖酶主要來源于真菌、細菌、植物、昆蟲以及軟體動物中。表1統計了目前已報道的具有應用潛力的不同來源的典型β-1,3-葡聚糖酶。目前已報道的產β-1,3-葡聚糖酶的細菌主要有熱球菌（Pyrococcus furiosus）[7]、多黏類芽孢桿菌（Paenibacillus polymyxa）[8]、芽孢桿菌（Bacillus lehensisG1）[9]、鏈霉菌（Streptomycessp.）[10]等。真菌和植物也是β-1,3-葡聚糖酶的重要來源，主要包括煙曲霉（Aspergillus fumigatus）[11]、棘孢木霉（Trichoderma asperellum）[12]、白腐菌（Phanerochaete chrysosporium）[13]、大麥[14]、葡萄[15]等。天然來源的β-1,3-葡聚糖酶資源豐度、性質穩定，顯示出特定的催化活性，表現出獨特的應用潛力，如土壤芽孢桿菌（Paenibacillus terrae）[16]產生的β-1,3-葡聚糖酶可有效抑制植物病原真菌的生長，在植物保護等方面發揮重要的作用；來源于魁蚶（Arca inflata）[17]的β-1,3-葡聚糖酶活力較高，對腫瘤壞死因子等表現出免疫增強效果。來源于哈茨木霉（Trichoderma harzianum）[18]的β-1,3-葡聚糖酶是生產β-1,3-寡糖苷的理想候選酶，可用于寡糖的工業制備。

表1 具有應用潛力的典型β-1,3-葡聚糖酶Table 1 Typical β-1,3-glucanases with potential applications

除了發掘具有優良特性的天然來源β-1,3-葡聚糖酶，異源重組表達技術也可以用于β-1,3-葡聚糖酶的挖掘和制備，從而擴展其來源、提高表達量、擴大β-1,3-葡聚糖酶的應用范圍。目前，β-1,3-葡聚糖酶的重組表達制備宿主主要包括大腸桿菌、畢赤酵母、芽孢桿菌等。大腸桿菌表達系統相對于酵母表達系統來說技術更成熟、操作相對簡單，被廣泛應用于新型β-1,3-葡聚糖酶的發掘和制備，例如拮抗酵母（Pichia guilliermondii）[19]、駝鹿瘤胃微生物宏基因組[20]、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）[21]等來源的β-1,3-葡聚糖酶都是通過大腸桿菌重組制備獲得。來源于稻瘟病菌的β-1,3-葡聚糖酶MoGluB可通過大腸桿菌系統高效表達，并表現出抗真菌的作用[22]。雖然大腸桿菌原核表達具有生長迅速、成本低廉等優點，但是，由于原核表達系統無法識別真核轉錄和翻譯元件，并且不具有翻譯后加工修飾功能，會導致部分真核基因無法被有效表達。因此，近年來研究者也常用真核表達系統表達β-1,3-葡聚糖酶，例如畢赤酵母、芽孢桿菌等表達體系[23]。畢赤酵母在誘導表達過程中，自身所分泌的蛋白量較少，因此目的蛋白的表達量相對較高，但由于部分β-1,3-葡聚糖酶對于酵母細胞壁具有水解作用，因此，其適用性需要進一步實驗驗證。異源重組表達技術目前已成為β-1,3-葡聚糖酶酶學研究及制備應用的重要方法。同時，結合結構生物學、分子生物學、定向進化等研究方法對異源重組表達得到的β-1,3-葡聚糖酶進行分子改造，可進一步提高酶的催化性能及應用價值。Feng Jianwei等[24]從堆肥中發現了一種嗜熱β-1,3-葡聚糖酶，通過定點突變使160位氨基酸由賴氨酸變為谷氨酸，使其酶活力提高了17%。Muhammed等[25]利用modeler和I-TASSER程序對一種來源于酵母Wickerhamomyces normusNCYC 434的β-1,3-葡聚糖酶進行同源建模，隨后通過SPDBViewer和AUTO-MUTE增強模型的熱穩定性，發現突變體E186R的熱穩定性最好，其熔解溫度提高了9.58 K。

3 β-1,3-葡聚糖酶的結構與催化機制

3.1 內切型β-1,3-葡聚糖酶

內切型β-1,3-葡聚糖酶又稱昆布多糖酶，可以特異性地從β-1,3-葡聚糖鏈內部隨機水解切斷β-1,3-糖苷鍵，產生長短不一的低聚糖。已有報道的內切型β-1,3-葡聚糖酶主要分布于GH16、GH17、GH64與GH81 4 個GH家族。到目前為止，GH16、GH17、GH64、GH81、GH128與GH158 6 個GH家族的內切型β-1,3-葡聚糖酶結構和催化機制已得到解析，而GH55、GH152、GH157中鮮有關于內切型β-1,3-葡聚糖酶結構的報道，其詳細的催化機制還有待進一步明確。

3.1.1 GH16家族內切型β-1,3-葡聚糖酶

目前已報道的GH16家族β-1,3-葡聚糖酶全部為內切型，廣泛分布于細菌、真菌及古生菌中，以細菌來源為主。GH16家族β-1,3-葡聚糖酶三級結構富含β-折疊，這些鏈彎曲折疊成兩個面對面反向平行的片層結構，構成一個供長鏈底物結合的狹長催化凹槽。GH16家族β-1,3-葡聚糖酶三維結構整體呈一種果凍卷結構，又稱三明治夾心結構（圖3）。Fibriansah等[26]于2007年報道了一例來源于Nocardiopsissp.的GH16家族內切型β-1,3-葡聚糖酶（BglF）結構，將其定義為經典的三明治狀β-折疊果凍卷結構。GH16家族的β-1,3-葡聚糖酶遵循典型的保留水解機制，在反應歷程中會形成不穩定的酶-糖基中間體[27]。GH16家族β-1,3-葡聚糖酶的底物特異性與催化凹槽構造直接相關，對不同的底物具有不同的水解能力，例如，來源于海洋細菌Zobellia galactanivorans的β-1,3-葡聚糖酶ZgLamA對昆布多糖底物（laminarin）的催化效率要比對混合鏈葡聚糖（mixed-linkage glucan，MLG）（β-1,3-1,4-葡聚糖）高將近22 倍。這是由于ZgLamA催化中心呈現出彎曲凹槽的構象，有利于結合螺旋型的β-1,3-葡聚糖而不是直線型的β-1,3-1,4-葡聚糖（圖3B）。

圖3 GH16家族典型β-1,3-葡聚糖酶結構[26,28-34]Fig.3 Typical β-1,3-glucanase structure of GH16 family[26,28-34]

3.1.2 GH17家族內切型β-1,3-葡聚糖酶

GH17家族β-1,3-葡聚糖酶包括內切型和外切型兩種，且大部分是內切型，主要來源于植物。目前，得到結構解析的GH17家族β-1,3-葡聚糖酶均為內切型。GH17家族蛋白呈典型的（β/α）8 TIM（triose-phosphate isomerase）桶狀結構（圖4），由8 個α-螺旋和8 個β-折疊環繞而成，在整個酶的表面形成了一個能夠容納長鏈底物的狹長催化凹槽并貫穿而過。桶狀結構核心區域的β鏈是高度保守的，主要差異都發生在蛋白外圍的環結構和螺旋結構處。GH17家族內切型β-1,3-葡聚糖酶與GH16家族類似，遵循典型的保留型水解反應機制，反應歷程中會形成不穩定的酶-糖基中間體。

圖4 GH17家族典型β-1,3-葡聚糖酶結構[14,35-38]Fig.4 Typical β-1,3-glucanase structure of GH17 family[14,35-38]

Wojtkowiak等[35]獲得了馬鈴薯內切型β-1,3-葡聚糖酶（GLUB20-2）突變體E259A與昆布多糖共結晶的晶體結構（圖4B），這是研究者得到的首個GH17家族糖苷水解酶與寡糖分子的復合晶體結構。即使將其活性位點突變，GLUB20-2E259A仍具有殘存活性，質譜分析揭示該突變體用兩種方式切割了昆布六糖，分別產生兩個昆布三糖分子或者一個昆布四糖分子和一個昆布二糖分子。GLUB20-2的催化凹槽形成了兩端開口中間彎曲的峽谷型幾何構象，該構象排除了直線型底物如β-1,4-葡聚糖與結合位點結合的可能，這表明活性位點裂隙的幾何形狀決定了酶的底物特異性。

3.1.3 GH64家族內切型β-1,3-葡聚糖酶

目前，已報道的GH64家族蛋白全部為內切型β-1,3-葡聚糖酶，主要來源于細菌。GH64家族內切型β-1,3-葡聚糖酶又稱為昆布五糖型β-1,3-葡聚糖酶，特點是催化水解β-1,3-葡聚糖的水解產物以昆布五糖為主。GH64家族內切型β-1,3-葡聚糖酶遵循典型的反轉型催化機制，催化中心附近的天冬氨酸殘基作為廣義堿，而谷氨酸殘基作為廣義酸參與水解反應。Wu等[39]獲得了一種來源于馬特鏈霉菌（Streptomyces matensis）的GH64家族β-1,3-葡聚糖酶（LPHase）。LPHase由兩個結構域組成，C末端是由α-螺旋和β-折疊構成的α/β結構域，N末端是由兩組反向平行的β-折疊組成的結構域，兩個結構域之間形成了U型催化凹槽（圖5）。Qin Zhen等[40]報道了一種來源于巴倫氏類芽孢桿菌（Paenibacillus barengoltzii）的GH64家族β-1,3-葡聚糖酶（PbBgl64A）與昆布六糖的結合形式，即兩條寡糖鏈形成一個螺旋，同時與PbBgl64A的催化凹槽結合（圖5B、C）。這兩條鏈的構象與三螺旋β-1,3-葡聚糖中的三螺旋結構幾乎相同。這表明β-1,3-葡聚糖可以直接以三螺旋形式結合在GH64家族內切型β-1,3-葡聚糖酶的催化凹槽中。GH64家族β-1,3-葡聚糖酶與三螺旋β-1,3-葡聚糖底物的結合方式與植物病程相關抗真菌甜蛋白和β-1,3-葡聚糖螺旋糖鏈的結合方式相似，表明這是一種糖苷水解酶直接結合多糖四級結構底物的新型結合方式[41-42]。

圖5 GH64家族典型β-1,3-葡聚糖酶結構[39-40]Fig.5 Typical β-1,3-glucanase structure of GH64 family[39-40]

3.1.4 GH81家族內切型β-1,3-葡聚糖酶

GH81家族蛋白廣泛分布于細菌、真菌、植物和古生菌中，且全部為內切型β-1,3-葡聚糖酶。到目前為止，已有3 種GH81家族β-1,3-葡聚糖酶的晶體結構得到解析，分別是來自耐鹽芽孢桿菌（Bacillus halodurans）的BhGH81、來自熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）的CtLam81A[43]和來自米黑根毛霉（Rhizomucor miehei）的RmLam81A[44]。GH81家族內切型β-1,3-葡聚糖酶由3 個結構域組成，其中N端結構域呈現β-折疊夾層結構，包含兩組反向平行的β-折疊片層。C端結構域呈現典型的（α/α）6-桶狀結構。N端和C端中間的小結構域包含2 個反向平行的β-折疊和2 個α-螺旋。3 個結構域共同組成了一條縱向的狹長催化凹槽（圖6）。

圖6 GH81家族典型β-1,3-葡聚糖酶結構[44,46]Fig.6 Typical β-1, 3-glucanase structure of GH81 family[44,46]

Ma Junwen等[45]報道了一種來源于米黑根毛霉（Rhizomucor miehei）的GH81家族β-1,3-葡聚糖酶（RmLam81A），揭示了其底物識別和催化機制。研究表明RmLam81A可以結合三螺旋β-1,3-葡聚糖，遵循典型的反轉型水解機制，通常是通過一步反應實現的，催化中心的保守天冬氨酸殘基作為廣義酸質子化糖苷鍵上的氧原子，而谷氨酸殘基作為廣義堿則對其去質子化，從而使糖苷鍵斷裂完成水解過程。Pluvinage等[46]報道了一種來源于耐鹽芽孢桿菌（B.halodurans）的GH81家族β-1,3-葡聚糖酶（BhGH81），將542位谷氨酸突變為谷氨酰胺或者將466位天冬氨酸突變為天冬酰胺，BhGH8均完全失活，這表明Glu542和Asp466是其關鍵催化殘基。此外，該酶與多糖鏈的復合結構表明其至少能結合兩個單獨的β-1,3-葡聚糖鏈（圖6B），這意味著該酶可能可以直接與三螺旋β-1,3-葡聚糖結合（圖6C）。

3.2 外切型β-1,3-葡聚糖酶

外切型β-1,3-葡聚糖酶的水解模式是從β-1,3-葡聚糖糖鏈末端開始，依次切斷糖鏈的β-1,3-糖苷鍵，產生葡萄糖或單一寡糖。已發現的外切型β-1,3-葡聚糖酶可以歸屬于6 個GH家族：GH3、GH5、GH17、GH55、GH128和GH132，其中大部分屬于GH55以及GH5家族。目前GH5、GH55、GH128家族的外切型β-1,3-葡聚糖酶晶體結構均已得到解析，而GH3、GH17與GH132家族則鮮有結構解析。

GH55家族β-1,3-葡聚糖酶主要來源于細菌及真菌，且絕大部分屬于外切型。GH55家族蛋白具有兩個平行的右手β-螺旋結構域，構成一種類似于胸腔肋骨的結構，N末端和C末端的分別有7 個和10 個由右旋β-螺旋結構域組成的線圈，并通過一段氨基酸殘基連接，該殘基包括兩個反向平行的β-折疊，催化位點位于兩個結構域之間（圖7A）。Bianchetti等[47]發現來源于鏈霉菌的（Setreptomycessp.）的外切型β-1,3-葡聚糖酶（sacteLam55A），其底物復合物結構顯示GH55家族外切型β-1,3-葡聚糖酶具有一個口袋型催化凹槽，具有6 個糖基結合位點，能夠從糖鏈非還原末端逐一切下葡萄糖單糖（圖7B）。GH55家族蛋白遵循反轉催化機制，廣義酸首先提供一個質子給底物異頭碳，同時廣義堿從水分子中奪走一個質子，增加了其親核性，促進其攻擊異頭物的中心，從而斷裂糖苷鍵，產生水解產物。Papageorgiou等[48]發現了來源于嗜熱毛殼菌（Chaetomium thermophilum）的β-1,3-葡聚糖酶（CtLam55），通過結構比較和定點突變確定了Glu654是關鍵催化殘基。

圖7 GH55家族典型β-1,3-葡聚糖酶結構[13,47-48]Fig.7 Typical β-1,3-glucanase structure of GH55 family[13,47-48]

3.3 GH128家族β-1,3-葡聚糖酶

在近年的研究中，還發現了一些新型的β-1,3-葡聚糖酶，在CAZy數據庫中歸屬于GH128家族。GH128家族β-1,3-葡聚糖酶屬于GH-A超家族，具有碳水化合物結合區域和（α/β）8-桶狀結構[49]，且該桶狀結構是所有已知GH128家族中最短的，平均僅有240 個氨基酸殘基[50]，該家族兼具內切型和外切型β-1,3-葡聚糖酶。

Santos等[50]利用序列相似性網絡聚類將GH128家族分為7 個亞群，并對每種亞群的底物結合方式進行分析，發現GH128家族β-1,3-葡聚糖酶的底物結合模式與疏水關節緊密相關，并且在這7 種亞群中，糖鏈會以“彎曲狀”和“扁平狀”這兩種不同的形態與酶進行結合，此外第三亞群的GH128家族β-1,3-葡聚糖酶還可以直接與三螺旋β-1,3-葡聚糖糖鏈結合。

3.4 其他家族β-1,3-葡聚糖酶

除了上述家族典型的β-1,3-葡聚糖酶外，在GH3及GH5家族中也發現了少量的外切β-1,3-葡聚糖酶，它們具有典型的（β/α）8 TIM桶狀結構，均遵循保留型催化機制。GH132家族β-1,3-葡聚糖酶被稱為SUN-蛋白，被發現存在于絲狀真菌和酵母中[51]。目前關于GH132家族蛋白的相關報道較少，尚不清楚其蛋白結構和催化機理。GH158家族β-1,3-葡聚糖酶隸屬于GH-A超家族，目前僅有一例GH158家族β-1,3-葡聚糖酶的結構解析被報道。Déjean等[52]獲得了一種來源于單形擬桿菌（Bacteroides uniformis）的GH158家族β-1,3-葡聚糖酶（BuGH158），其由一個N末端的（β/α）8 TIM桶結構域和一個C末端免疫球蛋白（immune globulin，Ig）樣結構域組成。此外，該酶對可得然多糖與昆布多糖具有較高水解活性。

4 β-1,3-葡聚糖酶的應用

4.1 β-1,3-葡聚糖酶在抗真菌中的應用

果蔬在采后運輸、貯藏和銷售期間的腐爛、劣變等問題是影響果蔬品質、保存期和人體食用安全性的重要因素。由植物病原真菌引起的腐敗是果蔬采后損失的主要原因。真菌是一種真核生物，細胞壁是真菌細胞生存的必要條件，細胞壁的降解會導致真菌細胞失去滲透壓平衡，因此破壞細胞壁完整性成為一種潛在的抗真菌手段。β-1,3-葡聚糖酶是生防微生物分泌的一種重要抑菌蛋白，植物自身在抵御真菌侵染過程中也會誘導產生β-1,3-葡聚糖酶[53]。β-1,3-葡聚糖酶能夠降解細胞壁β-1,3-葡聚糖糖鏈，致使病原菌菌絲斷裂或畸形，造成病原真菌原生質泄漏，同時抑制其孢子萌發。此外，這一過程還可以釋放真菌細胞壁碎片誘導物，誘發植物免疫誘抗作用，間接促進植物寄主體內植保素的積累，增加其抗病能力[54]。基于β-1,3-葡聚糖酶的生物防治手段能夠有效防治植物真菌病害，具有不產生抗藥性、只針對靶標病原菌而不傷害其他有益生物、無農藥殘留、無毒無污染等優勢。因此，探索β-1,3-葡聚糖酶在果蔬采后保鮮中的作用，發展基于β-1,3-葡聚糖酶的新型綠色生物防腐保鮮劑是果蔬綠色保鮮技術的潛在發展趨勢之一。婁樹寶等[55]測定了大豆葉片β-1,3-葡聚糖酶的活性和對霉菌的抑菌作用，結果表明，在接種大豆疫霉菌48 h后，植物體β-1,3-葡聚糖酶活性達到峰值，利用接種48 h后提取的β-1,3-葡聚糖酶粗酶液進行抑菌實驗，發現β-1,3-葡聚糖酶粗酶液對大豆疫霉菌的菌絲生長和孢子萌發有明顯的抑制作用。陳小云等[56]研究表明，β-1,3-葡聚糖酶對于蘋果、梨、香蕉等水果采摘后抑菌抗病有明顯的效果，可以很好地防止真菌造成的采后腐爛，這一特點可以為熱帶水果貯藏保鮮所利用。Rajninec等[57]發現來自叉葉茅膏菜（Drosera binate）的β-1,3-葡聚糖酶粗蛋白對立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）、茄鏈格孢（Alternaria solani）和梨孢鐮刀菌（Fusarium poae）的生長有抑制作用。

4.2 β-1,3-葡聚糖酶制備功能性低聚糖

β-1,3-葡寡糖也被稱為昆布寡糖，是一種具有良好生物活性的食品功能因子，具有調節機體免疫力、抗感染、調節腸道菌群平衡等活性。由可得然多糖或昆布多糖水解制備的β-1,3-葡寡糖可作為一種新型益生元應用于功能食品開發。此外，一些小分子質量的可溶性β-1,3-低聚糖可以作為免疫激活劑誘導植物產生免疫反應，從而提高植物抗病性。而β-1,3-葡聚糖酶水解β-1,3-葡聚糖制備β-1,3-低聚糖具有特異性強且副產物少等優點，被認為是一種有潛力的低聚糖生產方法。Wang Yanxin等[22]發現GH55家族β-1,3-葡聚糖酶（AcGluA）能夠將昆布多糖水解為一系列寡糖，而高劑量的寡糖可以誘導水稻幼苗產生免疫反應，從而對稻瘟病產生抗性，這說明β-1,3-葡聚糖酶的水解產物具有顯著的生防效果，對β-1,3-低聚糖的應用具有一定指導作用。Li Kuikui等[58]從纖維化纖維微細菌（Cellulosimicrobium cellulans）克隆純化得到了一種新型的β-1,3-葡聚糖酶（GcGluE），對其進行底物特異性和水解產物分析，發現該酶對可得然多糖表現出最高水解活性，水解產物主要為二糖和三糖。此外，可得然多糖經過勻質化預處理后，GcGluE對其降解效率將提高7.1 倍，具有一定應用潛力。Gao Minjie等[18]獲得了來源于哈茨木霉（Trichoderma harzianum）的β-1,3-葡聚糖酶，在發酵118 h后酶活力最高可達198.57 U/mL。根據該酶的特性，建立了酶法水解β-1,3-葡聚糖制備多功能低聚糖的方法，這使β-1,3-葡聚糖酶在工業化生產低聚糖方面具有一定的應用前景。

4.3 β-1,3-葡聚糖酶釀酒工業中的應用

β-1,3-葡聚糖酶除了在抗真菌及寡糖制備中具有重要作用，還可以應用于釀酒工業中。在釀酒工業中，大麥是生產啤酒的主要原料，而生產加工過程中，某些微生物分泌到胞外的高聚β-1,3-葡聚糖增加了發酵液的黏度，造成過濾困難，最終可能在啤酒中形成絮狀凝膠，使啤酒產量下降并增加釀酒成本。呂麗麗等[59]研究發現，如果在發酵過程中加入適當的β-1,3-葡聚糖酶，則可以顯著降低高聚葡聚糖的含量，從而降低發酵液黏度，達到精益啤酒和改善過濾工藝的目的。

4.4 β-1,3-葡聚糖酶制備酵母原生質體

酵母菌細胞壁的主要化學成分是β-葡聚糖，一類是構成酵母菌細胞壁的骨架且含量較多的β-1,3-葡聚糖，另一類是起填充作用的含量較少的β-1,6-葡聚糖。制備酵母菌原生質體的關鍵在于分解細胞壁中不溶的β-1,3-葡聚糖，因此β-1,3-葡聚糖酶是制備原生質體的重要制劑[60]。段會軻等[61]利用木霉菌株LE02所產的β-1,3-葡聚糖酶對啤酒酵母葡聚糖進行酶解增溶，通過β-1,3-葡聚糖酶酶解技術和超濾分離技術還可以獲得大分子質量的水溶性酵母葡聚糖。

4.5 β-1,3-葡聚糖酶清除生物被膜

生物被膜是指由微生物和其胞外分泌物組成的復合組織。鼠傷寒沙門氏菌、假單胞菌等食品中關鍵的腐敗菌會產生生物被膜，生物被膜會導致常用的消毒劑、抗生素的殺菌效果減弱，造成食品安全隱患。β-1,3-葡聚糖作為念珠酵母菌生物被膜的重要成分之一，在胞外基質發揮耐藥性的過程中起到了重要作用。而β-1,3-葡聚糖酶在清除生物被膜方面具有一定功效，可以在食品工業中對腐敗菌起到一定的控制作用。Nett等[62]研究發現用低濃度的β-1,3-葡聚糖酶處理念珠菌后，顯著增強了抗真菌藥物氟康唑和兩性霉素B對于該菌的作用效果。Mitchell等[63]也通過實驗證明，隨著胞外基質中β-1,3葡聚糖的水解，抗真菌藥物的敏感性也逐漸增強，這說明β-1,3-葡聚糖酶在清除生物被膜方面有一定功效。

4.6 β-1,3-葡聚糖酶與幾丁質酶協同作用

β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質酶均具有降解真菌細胞壁β-1,3-葡聚糖和幾丁質以及肽聚糖的作用，二者在防御植物病蟲害方面具有廣譜抗性，能夠減少化學農藥的使用，降低環境污染。Mauch等[64]發現幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶聯合作用時的抑菌效果優于單個酶，表明二者在抑制病原菌生長的過程中發揮協同作用。Cota等[65]對西紅柿進行感染互隔交鏈孢霉（Alternaria alternata）抗病實驗時，發現β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質酶協同作用能夠顯著抵御此類病菌對西紅柿貯藏時的影響。這說明β-1,3-葡聚糖酶與幾丁質酶在果蔬菜后抑菌保鮮方面具有協同效應，比單個菌種抑菌能力更強，具有良好的應用前景。

5 結 語

β-1,3-葡聚糖酶因能夠特異性水解β-1,3-葡聚糖，在功能性寡糖制備、果蔬保鮮、生物醫藥、植物抗病等領域都具有重要的應用前景。目前研究者已對一系列不同家族β-1,3-葡聚糖酶的結構、功能及應用展開研究。在此背景下，如何獲得具有良好應用性能的新型β-1,3-葡聚糖酶并實現其高效發酵制備，將是β-1,3-葡聚糖酶后續研究的重點。但由于天然β-1,3-葡聚糖底物的復雜性，現有β-1,3-葡聚糖酶對于不同類型底物的催化效率還有待進一步提高，部分不溶性β-1,3-葡聚糖底物的酶解仍然存在一定困難。此外，酶結構與功能的研究是探索酶催化機理、挖掘酶的催化特性以及進行酶分子改造研究的重要基礎。針對天然β-1,3-葡聚糖底物的復雜性以及β-1,3-葡聚糖酶系的多樣性，研究不同β-1,3-葡聚糖酶家族對于底物的結合差異和催化機理，明確β-1,3-葡聚糖酶對于復雜葡聚糖分子的底物識別機制，探索基于β-1,3-葡聚糖酶的多酶組合催化體系，是實現β-1,3-葡聚糖酶高效應用的發展趨勢。