普鲁兰酶：剪切支链淀粉的神奇力量

普鲁兰酶（EC3.2.1.41），又称为支链淀粉-6-葡聚糖水解酶、α-糊精内-1,6-a-葡糖苷 酶、普鲁兰α-1,6-葡聚糖水解酶或极限糊精酶，是一类能够专一性地切割普鲁兰糖、支链淀粉以及其它多糖中α-1,6-糖苷键的脱支酶。

该酶最早被发现时因其能水解普鲁兰多糖中的α-1,6-糖苷键，故称其为普鲁兰酶，属于淀粉酶类。

根据作用位点的不同， 普鲁兰酶可分为I型普鲁兰酶（type I pullulanase）和II型普鲁兰酶（type II pullulanase），前者只能水解α-1,6-糖苷键，而后者不仅能作用于α-1,6-糖苷键，还能水解α-1,4-糖苷键， 同时具有普鲁兰酶和α-淀粉酶的活性。

由于I型的普鲁兰酶与II型相比来说，对α-1,6- 糖苷键的水解特异性更高，更能彻底的水解支链淀粉中的α-1,6-糖苷键，因此I型的普鲁兰酶在糖化工业上的应用前景更广阔。 

由于普鲁兰酶专一催化水解支链淀粉中α-1,6-糖苷键的特性，在复合酶糖化生产葡萄糖工业中，若糖化酶和普鲁兰酶协同作用，不仅可以增加葡萄糖的产量，还可以提高葡萄糖的质量，总之，普鲁兰酶的特性决定了其在工业上的应用价值。 

淀粉是一种多糖类物质，作为自然界中能量的主要来源，也是人类饮食中常见的碳水化合物，玉米、小麦、大米、马铃薯、木薯等农作物中就含有大量的淀粉。

淀粉是一种混合物，由约20%-25%的直链淀粉和约75%-80%的支链淀粉共同组成，来源不同的淀粉原料两组分也会有所差异，薯类淀粉中支链淀粉的比例（约80%）稍高于谷物类淀粉（约75%），而糯米和蜡质玉米中支链淀粉含量几乎是100%。

淀粉原料中支链淀粉的比例不同导致对它们在进行水解的难易程度以及水解后的产物组成也有所不同。 

直链淀粉是指以线性的葡萄糖为单位，通过α-1,4-糖苷键连接而成的没有分支结构的聚合物，每个直链淀粉分子中大约含有300-3000个葡萄糖单体。

支链淀粉是由多个葡萄糖残基以α-1,4-糖苷键连接构成主链，再通过α-1,6-糖苷键连接在主链上，进而形成分支结构，其中每隔大约20到25个葡萄糖单为就会有一个分支点，因此支链淀粉中大约含有4%到5%的α-1,6-糖苷键。 

低聚异麦芽糖（Isomaltooligosaccharide, IMO），是功能性低聚糖的一种，也称为分枝低聚糖。

低聚异麦芽糖是指由葡萄糖残基之间至少通过一个α-1,6-糖苷键连接而成的一类低聚糖，其主要成分包括异麦芽糖（Isomaltose, IG2）、异麦芽三糖（Isomaltotrise,IG3）和潘糖（Panose, P）。

麦芽糖是由两分子的葡萄糖之间通过α-1,4-糖苷键连接。

异麦芽糖是由两分子的葡萄糖之间通过α-1,6-糖苷键连接。

潘糖则是由异麦芽糖和葡萄糖之间通过α-1,4-糖苷键结合而成。

而异麦芽三糖由异麦芽糖和葡萄糖之间通过α-1,6- 糖苷键结合而成。

自然界中的低聚异麦芽糖一般不以游离状态存在，主要是作为支链淀粉或多糖的组成成分，因此，在复合酶糖化生产葡萄糖时，除了生成葡萄糖外，还会有少量的低聚异麦芽糖，这必然会影响到葡萄糖的质量以及工业生产效率。

普鲁兰酶广泛存在于动植物和微生物中。在20世纪50年代，植物普鲁兰酶被首次报道能作用于支链淀粉，Ilka Schindle等人于2001年从菠菜中提取得到了普鲁兰酶。

在微生物中首次发现普鲁兰酶则是由Bender等人于1961年通过产气气杆菌发酵而获得，并对其酶学性质进行了研究。

随后世界各国学者经过更深入的研究，从不同的微生物中获得了此酶。

不同微生物来源的普鲁兰酶及其部分性质 

从自然界筛选到的天然产普鲁兰酶菌株，表达量一般都比较低，这就限制了其在工业上面的应用。

随着酶工程技术的发展，越来越多的科研工作者将基因工程技术应用到普鲁兰酶的研究与开发中，以此来提高酶的表达量，增加酶的稳定性，未来该酶的研究趋势主要集中在三个方面。

第一个是通过基因工程的手段，构建重组菌来提高普鲁兰酶的酶活和产量，实现该酶产业化。

其次是通过定点突变进一步提高该酶的应用稳定性。

最后是从工业应用角度着手，以普鲁兰酶工业化应用为目标，解决该酶在其应用中出现的问题，目前该酶主要应用于淀粉糖、酿 造以及饲料（以淀粉为原料）等食品行业。 

普鲁兰酶基因的异源表达

目前国内只有较少的一些高校以及相关的科研单位（中国农业科学院、江南大学、 天津科技大学等）在进行普鲁兰酶的研究，而且大部分得到的普鲁兰酶酶活偏低，亦或者酶学性质不佳。

现在市场上普鲁兰酶基本以丹麦诺维信公司和美国杰能科公司为主。 

在以淀粉为原料的加工行业中，淀粉中α-1,6-糖苷键的含量相对较高，然而大部分淀粉酶水解α-1,6-糖苷键的能力非常弱，这就使得淀粉的利用率不高。

普鲁兰酶作为一种淀粉脱支酶，由于其能高效地水解支链淀粉、糊精中的α-1,6-糖苷键，使其在以淀粉为原料的加工行业中得到了广泛的应用，极大地提高了淀粉原料的转化率和生产效率。

抗消化淀粉(Resisant starch, RS)是一类不能在人体小肠中被消化吸收，然而在结肠内却可以被微生物利用的淀粉，由于它对人体脂质代谢和血糖水平等方面有非常重要的生理功能，被广泛应用于脂肪食品、碳水化合物等方面。

据Kettlitz报道，采用普鲁兰酶催化水解淀粉可得到含量60%的抗消化淀粉。 

缓慢消化淀粉(Slowly digestible starch, SDS)则是指可以在小肠中被消化吸收但速度缓慢的淀粉，其有助于维持血糖的稳态，因此，可以将缓慢消化淀粉应用于保健食品和功能性饮料的开发中。 

高浓度的葡萄糖浆生产一般都采用全酶法，在以淀粉质为原料的生产中，由液化和糖化两个步骤组成，如果在糖化阶段加入普鲁兰酶和糖化酶协同作用，不仅可以降低糖化酶的用量，缩短糖化时间，还可以显著地提高淀粉原料的水解率。

后来有学者研究发现，糖化酶既可以催化水解α-1,4-糖苷键，也可以作用于α-1,6-糖苷键，但是其水解α-1,6-糖苷键的速率比水解α-1,4-糖苷键的速率要慢很多，如果在液化后的淀粉中按一定的比例添加普鲁兰酶和糖化酶，可以D-葡萄糖的含量达到99.1%，可见复合酶中普鲁兰酶和糖化酶的比例也是非常关键的。

目前工业上已有复合糖化酶（葡萄糖淀粉酶与 普鲁兰酶），应用此复合酶可以使DE值达到99%，葡萄糖含量达到97%以上。 

酿造啤酒的主要原料是麦芽，在工业上为了最大限度地节约麦芽的用量，常采用外加酶法糖化，也就是增加一些淀粉质的原料作为辅助并加入合适比例的酶制剂进行糖化。

因此要使淀粉质原料糖化完全，则需要加入糖化酶和普鲁兰酶等，如果原料的分解不完全，那生产的啤酒发酵度显然达不到要求，而普鲁兰酶和糖化酶协同作用，则明显 提高了啤酒的发酵度。 

也有文献报道在黄酒糖化工艺阶段加入普鲁兰酶后，可以有效地将黄酒残糟中的淀粉原料等物质分解，显著地增加了黄酒的出酒率，而且减少了残渣对环境的污染。

淀粉糖与人们的生活息息相关，因此在国民经济中占有相当重要的地位。

而普鲁兰酶作为淀粉脱支酶的一种，在促进行业技术发展方面有巨大的作用，在诸多应用方面有着巨大的市场前景。

因此对普鲁兰酶的应用进行研究，不仅具有技术研究意义，也具有很高的经济意义。