固定化β-葡萄糖醛酸酶高效转化甘草苷制备天然高倍甜味剂的研究

为解决天然甜味剂甘草苷(GL)水解过程中选择性低、副产物甘草酸(GA)过多的问题，研究人员系统评估了三种来源的β-葡萄糖醛酸酶(β-GUS)，发现帽贝(Patella vulgata)来源的酶效率最高，经壳聚糖珠固定化后，在40℃下48小时可生产61 mg/L目标产物GAMG（甜度达蔗糖1000倍），且副产物显著减少，为天然甜味剂的绿色制造提供了新策略。

　　

甘草作为传统药食两用植物，其核心活性成分甘草苷(Glycyrrhizin, GL)的甜度是蔗糖的190倍，但过量摄入可能引发高血压等副作用。更令人振奋的是，GL水解产物甘草酸单葡萄糖醛酸苷(Glycyrrhetic acid 3-O-mono-β-D-glucuronide, GAMG)不仅甜度跃升至蔗糖的1000倍，还具有更好的溶解度和更低的苦涩后味。然而，现有生物转化工艺面临关键瓶颈——传统β-葡萄糖醛酸酶(β-Glucuronidase, β-GUS)在催化GL水解时，会不可控地产生大量副产物甘草酸(Glycyrrhetinic acid, GA)，极大增加了纯化成本和工艺复杂度。

针对这一挑战，研究人员开展了一项系统性研究。通过比较帽贝(Patella vulgata)、牛肝和重组大肠杆菌三种来源的β-GUS，发现帽贝来源的酶展现出独特优势：在40℃下6小时即可转化82%的GL，生成57 mg/L GAMG。更突破性的是，研究团队创新性地采用壳聚糖珠固定化技术，使酶在80℃高温下仍保持活性，固定化酶储存30天后仍保留70%活性，实现了GAMG的"近乎纯态"生产。这项发表于《Food Research International》的研究，为天然高倍甜味剂的工业化生产提供了兼具高效性和经济性的解决方案。

研究主要采用三大关键技术：1）多源β-GUS酶学特性比较（包括最适pH、温度及pNPG底物动力学分析）；2）壳聚糖珠共价固定化工艺优化；3）HPLC定量监测GL转化率及GAMG/GA生成量。

Screening of free β-GUS from different sources
通过比较三种游离酶的催化效率，发现帽贝β-GUS在40℃、pH 5.0条件下表现最优，其K_m值为0.48 mM，催化效率(k_cat/K_m)达4.3×10³ s^-1M^-1，显著高于牛肝酶组的1.2×10³ s^-1M^-1。

Immobilization of β-GUS from P. vulgata
戊二醛交联的壳聚糖珠固定化使酶比活性提升2.3倍，在80℃处理6小时仍能转化45% GL生成40 mg/L GAMG，且GA/GAMG比值从游离酶的0.81降至0.62。

Conclusions
该研究不仅证实海洋来源β-GUS在甜味剂生产中的独特价值，更通过固定化技术突破温度限制。固定化酶在连续批次反应中展现的稳定性，使GAMG生产成本有望降低30-40%，这对于满足全球年增长率8.2%的天然甜味剂市场需求具有重要产业意义。值得注意的是，该工艺同时产生的GA作为化妆品原料可形成产业链协同，体现了绿色生物制造的循环经济理念。