利用来源自Limosilactobacillus rudii的热稳定菊粉蔗糖酶，通过酶促反应将蔗糖转化为菊粉和菊粉型低聚果糖（FOS）

《Food Bioscience》：Enzymatic production of inulin and inulin-type FOS from sucrose by the thermostable inulosucrase from Limosilactobacillus rudii

　　

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  从Limosilactobacillus rudii中克隆并鉴定出一种新型且具有热稳定性的菊粉蔗糖酶。
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  在45、50和55℃下，截短后的Laru-ISase△150-695的半衰期（t_1/2）分别为34.31小时、11.81小时和2.59小时。
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  重组的Laru-ISase△150-695能够以50.63%的转化率生产101.3克/升的菊粉和菊粉型低聚果糖（FOS）。
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  Laru-ISase△150-695在1小时内产生的总果聚糖的重量平均分子量为2.49×10⁶道尔顿。

引言

碳水化合物活性酶（CAZymes）是一类负责碳水化合物合成、修饰和降解的关键酶。其中，糖苷水解酶家族（GH）在CAZymes数据库中占比最大，它们能够催化复杂碳水化合物的降解，并通过转糖基化反应实现碳水化合物及其衍生物的合成（Vincent等人，2013年）。GH68、GH70和GH77家族被研究得最为透彻。GH68家族中的酶包括左旋蔗糖酶（LSase，EC 2.4.1.10）、菊粉蔗糖酶（ISase，EC 2.4.1.9）和β-果呋喃糖苷酶（Ffase，EC 3.2.1.26），这些酶主要以蔗糖为供体来合成果聚糖（如左旋甜菜糖、菊粉）或FOS（Xu等人，2019年）。这三种酶都可以催化蔗糖的水解和果聚糖的合成，分别对应于水解（H）和转糖基化（T）反应。蔗糖分解为葡萄糖和果糖基团后，这两个过程就开始了。（Charoenwongpaiboon等人，2019年）。

菊粉是一种已被广泛认可的具有安全性的果聚糖。早在2003年，美国食品药品监督管理局（FDA）就将菊粉列为“公认安全”（GRAS）物质。2018年，FDA进一步将菊粉定义为功能性膳食纤维，允许将其添加到食品中以提升营养价值。菊粉具有类似于可溶性膳食纤维的作用，如促进肠道蠕动和缓解便秘（Alonso-Allende等人，2024年；Kaewkumsan等人，2025年）。由于菊粉对消化酶的抵抗力，它可以到达肠道并被肠道微生物群利用，从而产生某些类型的短链脂肪酸（Maqsood等人，2025年；Sheng等人，2023年）。此外，菊粉在调节脂质代谢、增强矿物质吸收、调节免疫系统、对抗肥胖以及缓解糖尿病和结直肠癌方面也表现出显著效果（Jung等人，2025年）。

这些生物活性与多糖的结构特性密切相关（Mezhoudi等人，2025年）。菊粉的性质和功能主要由其聚合度（DP）或分子量（M_w）决定。微生物来源的菊粉与植物来源的菊粉的根本区别在于它们的DP或M_w：植物菊品的DP通常在2到60之间，M_w不超过10⁴克/摩尔，而微生物来源的菊粉的M_w可高达10⁷克/摩尔（Zhang等人，2024年）。微生物来源的菊粉的M_w因所使用的ISase而异。例如，由Alkalihalobacillus krulwichiae JCM 11691产生的菊粉的DP为3-27，与植物菊粉相似（Yokoi等人，2021年）。然而，由Lactobacillus产生的菊粉的M_w通常可达10⁶-10⁷克/摩尔。临床试验还表明，微生物来源的菊粉能够显著抑制摄入葡聚糖后人体血糖水平的升高，表明其具有调节糖代谢的功能（wada，2013年）。

到目前为止，已经鉴定出大约20种能够产生菊粉的微生物菌株。除了A. sydowi IAM 2544外，大多数产菊粉的菌株都属于乳酸菌（LAB）。最近，还从古菌Halalkalicoccus jeotgali B3T（Ghauri等人，2020年）和Halomicrobium sp. IBSBa（Abaramak等人，2021年）中分离出了微生物ISase，进一步扩展了微生物来源。大多数ISase在弱酸性或中性条件下表现出最高的酶活性，最适温度范围为35至60℃。在工业生物催化中，平衡pH适应性和催化活性对于高效生产至关重要（Hu等人，2025年）。与此同时，已有三种ISase的晶体结构被确定，包括来自Lactobacillus johnsonii NCC533（Pijning等人，2011年）、H. jeotgali B3T（Ghauri等人，2021年）和Lactobacillus reuteri 121（Ni等人，2025年）的酶。尽管这些酶来自不同的微生物，但它们的整体构象相对相似，都包含五个β-折叠结构域，每个结构域由四个反平行的β-链组成。大约20个β-链共同形成一个漏斗状的催化口袋，这个催化口袋构成一个五叶片的β-螺旋结构。然而，ISases的热稳定性较低、酶活性以及转糖基化/水解（T/H）比率仍是其实际应用中的问题。为了克服这些瓶颈，挖掘微生物基因组数据库以发现具有优异特性的新型、稳健的酶已成为重要的研究方向（Lv等人，2026年）。本文报道了一种来自Limosilactobacillus rudii的新型微生物ISase的克隆和鉴定结果，包括其最适pH值、温度、金属离子依赖性和热稳定性，并优化了从蔗糖酶生产菊粉的酶学条件。该鉴定的ISase属于GH 68家族的新成员，它的发现不仅扩展了微生物ISase的来源范围，也为蔗糖酶向菊粉的转化提供了一个有前景的生物催化剂。

部分摘要

材料与试剂

Escherichia coli DH5α和BL21（DE3）感受态细胞由中国上海的Sangon Biotech有限公司提供。目标基因通过Sangon Biotech有限公司（中国上海）插入pET-22b(+)表达载体中。用于SDS-PAGE的氨苄西林、异丙基β-D-1-硫代半乳吡喃糖苷（IPTG）等试剂均为分析级或电泳级。

目标基因的鉴定及重组质粒的构建

以Lactobacillus johnsonii NCC 533中的菊粉蔗糖酶的氨基酸序列为模板，进行了BLASTP分析。

Laru-ISase的系统发育关系分析

Limosilactobacillus rudii这种细菌最早于2021年在脊椎动物的肠道微生物群中发现（Li等人，2021年）。该物种的另一个菌株STM3_1是从Rhabdomys pumilio的胃肠道中分离出来的。作为乳酸菌家族的新成员，Limosilactobacillus rudii sp. nov.、Limosilactobacillus balticus sp. nov.、Limosilactobacillus agrestis sp. nov.和

结论与未来展望

本研究克隆并研究了一种新型的菊粉蔗糖酶（ISase）。通过去除前149个和后86个残基，得到了重组的Laru-ISase△150-695。该酶能够顺利表达，并用于从蔗糖中生产具有β-(2,1)键连接的菊粉和菊粉型低聚果糖（FOS）。Laru-ISase△150-695在45、50和55℃下的半衰期分别为34.31小时、11.81小时和2.59小时。鉴于大多数ISases的热稳定性较差，重组的Laru-ISase△150-695具有良好的

CRediT作者贡献声明

Jingrong Yang：研究工作。Dawei Ni：软件开发。Tarek A.A. Moussa：实验方法。Xiaoyong Liu：资源获取。Wenli Zhang：数据分析。Wei Xu：撰写、审稿与编辑。Wanmeng Mu：指导。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：我，Wei Xu，来自江南大学，是《Journal of Food Bioscience》的接收编辑。但我保证在提交过程中将严格遵守该杂志的所有规定。如果其他作者也有利益冲突或个人关系，他们也应予以声明。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2025YFE0119200）、国家自然科学基金（编号22278183、22308118）、江苏省自然科学基金（编号BK20231045）、山东省博士后创新计划（SDCX-ZG-202502110）以及山东省自然科学基金（编号ZR2023QC040）的财政支持。

Jingrong Yang|Dawei Ni|Tarek A.A. Moussa|Xiaoyong Liu|Wenli Zhang|Wei Xu|Wanmeng Mu