单宁酸与单宁酶及其应用紧迫性

杨顺楷   四川 成都

1.研究工作背景简介

  单宁是水溶性的多酚化合物，分子量从3000到20000 Da。它们在植物界有很广泛的分布，通常在根部，木材，树皮，果实和叶片均有单宁存在。它是植物次生代谢产物，构成了除纤维素，半纤维素，及木质素以外，排位在第四位的植物生物质大宗组份。没食子酸（3,4,5-三羟基苯甲酸）或者它的多聚衍生物能够酯化成为多聚醇，儿茶素，三萜，或黄酮单元，形成的可水解单宁被称为单宁酸。从18世纪末到19世纪初，就已经发现真菌发酵襐树没食子时，产生的单宁酶可以水解单宁酸，释放出没食子酸和葡萄糖。

  单宁酶严格从酶学含义即是单宁酰水解酶（EC 3.1.1.20）,酶学分类属于酯酶超家族。它在植物，动物和微生物，包括细菌，酵母和真菌均有分布。使用该酶的抑制剂二异丙酯氟磷酸酯可以成功抑制其活性，这就意味着该水解酶存在有一个丝氨酸活性位点。基于对细菌，酵母和真菌单宁酶序列分析研究表明，虽然该酶呈现出有些趋异序列，但是它们都拥有一个共同的五肽活性位点基序（Motif），即Gly-X-Ser-X-Gly，属于典型的丝氨酸水解酶；它拥有酯酶活性和缩酚酸活性，即是说它能水解单宁中的酯键（醇性部分的没食子酰酯）和缩酚键（没食子酸的没食子酰酯）。单宁酶的双重活性归因于同功酶或单一酶的双功能。由于来自不同生源的单宁酶呈现出分子质量范围在50-320KDa；真菌和酵母的单宁酶均是糖蛋白，带有二到八个亚基，常常形成杂合或均一的寡聚体，而细菌单宁酶主要是在液相以单体形式存在。

  自从发现单宁酶以来，该酶已经在食品，饲料，饮料，药物和化学工业得到广泛运用。由于单宁化学结构具有多量的酚环和酚羟基，它们能够螯合金属离子，聚合形成大分子，致使与多糖和蛋白质形成强相互作用，引起收敛性，于是出现沉淀效应。这样就将植物单宁作为抗营养剂及抗微生物物质。

  单宁酶已经用于速溶茶制造业，用以解决茶乳凝，从而延长产品的货架寿命期。还用于对茶多酚复合物的脱酯作用，特别是作用于没食子儿茶素类；也还用于果酒，果计，啤酒和咖啡风味软饮料的澄清，以及用于食材和动物饲料营养改进的脱除单宁加工过程；也还可以用于高档皮革加工单宁的鞣制工艺，以及环境保护用于对生物降解污染单宁的废水处理。还有一种特别重要的单宁酶应用就是酶法生产没食子酸。因为它在药物工业和化学工业上具有很重要的应用价值。没食子酸具有多种潜在的治疗价值，包括抗癌和抗微生物活性。没食子酸还是制造抗菌药物三甲氧苄二氨基嘧啶的中间体，以及其它多种已经广泛使用的没食子酸衍生物，例如焦性没食子酸和有效的食品抗氧剂—没食子酸丙酯。

  传统的没食子酸生产工艺使用硫酸（国内用碱法）化学水解天然产物没食子单宁，但是它释放出大量的高盐度有机污染物，废水处理十分困难；于是一种酶催化工艺已经成为一种应用单宁酶酶法制造没食子酸产品，替代对环境有污染问题存在的旧工艺成为必然趋势，可望成为一种具有吸引力的绿色生产工艺。尽管全球科技工作者对单宁酶的研究具有广泛兴趣和较长的历史，但是令人惊奇的是有关单宁酶在分子水平积累的知识却很少。而这一单宁酶基础研究已经成为了限制单宁酶大规模应用的关键因素之一。

  迄今为止，对单宁酶的研究主要仍然集中在对产生单宁酶微生物的筛选实验研究方面，即选择具有有用性状微生物菌株，结果选择出来的菌株大多数是真菌，投入直接应用的方式是不用分离出酶或是仅仅制备粗酶提取物。时至今日，仅有少数单宁酶基因被分子克隆和试验其重组表达实验，涉及的微生物有米曲霉，酵母和细菌。虽然在现存的细菌和其它物种单宁酶之间仅有很少的酶蛋白序列相似性，但是经研究发现生源不同的单宁酶之间，在它们的生物催化和底物结合位置上分享有其相似性，即存在有保守的丝氨酸五肽基序结构（Motif），虽然对其涉及的残基尚未鉴定。近年澳大利亚学者首次报道了乳杆菌（Lactobacillus plantarum）单宁酶的晶体结构分析，并已经测定脱辅基酶和伴同没食子酸及其他底物的双功能复合物的结构，是首次发现蛋白分子的空间细节，包括生物催化和底物结合位点。这一基础研究就为适合于单宁酶多方面应用和酶分子结构修饰提供分子基础。

2. 科技成果转化应用的紧迫性

  笔者作为申请人身份所在研究所，早在1992年被国家自然科学基金立项资助项目（1993-01到1995-12月，批准文号：39270016），就开展了微生物单宁酶及其应用多方面的应用，已经取得多项阶段研究开发成果：

1）人才培养已经有1名博士和数名硕士毕业；

2）黑曲霉单宁酶酶法发酵转化五倍子单宁酸公斤级制备没食子酸中试发大实验，2004年11月已经通过四川省科技厅的省部级技术鉴定；

3）新世纪初参与了同攀枝花市科技局同该市民营企业宇森酒业公司2轮科技合作项目，借助黑曲霉单宁酶固体培养解决滇橄榄果酒酶法去沉淀，以及滇橄榄渣资源化再利用；

4）2013年以来，应杭州求本植物科技公司需求，开展黑曲霉单宁酶生物转化中药饮片余甘子酶法加工提升没食子酸含量实验研究，已经符合《中国药典》2010和2015版（一部）对余甘子饮片没食子酸含量要求。

  可见科研院所已经留存储备了不少符合国民经济发展需求的科研阶段性成果，需要得到推广应用，此处的微生物单宁酶研究就是一个典型例子。关于提到的微生物酶法转化五倍子单宁酸制造没食子酸，我们已经取得公斤级酶法制备没食子酸中试发大实验成果；但是近年国内精细化学品行业鉴于传统酸碱法加工五倍子原料量近万吨，进行没食子酸生产，结果产生大量高含盐量的有机废水，治理十分困哪；于是自然联想到进行生物酶法生产。

  普世（上海）-PSPSL放眼全球，结果搜寻到了一位德国专家，经过初步交流对方也仅仅是停留在实验室研究阶段；加之国内这一家最大的五倍子加工生产没食子酸化工企业经过改制成为民营，难于介入这种创新型《生物制造》项目的实施；加之国内一些“老牌”林化工“专家权威”小集团为固守利益，也实施干扰，说什么“国内一直在探索酶水解生产没食子酸，由于时间长，得率低的原因没有得到推广”云云，致使得较长时期以来国内自身创新型《生物制造》成果很难介入行业实施应用。现在，即使地方政府强调环境保护，也仅仅是将这种产生工业污染的企业园区，从接近市区搬迁到远离市区之地—“污染搬家而已”。

  因此在这强调建设生态园林工业园区之时，原有地方国营企业改制成为“民营”—私有化的恶果就体现出来，科技成果很难顺畅地进行转化。最近听说这家企业又已经转卖给天津一家企业。看来科技成果转化确实困难。在这“双创”时期，如何破解这些“干扰因素”，乘党的19大迈上新征程的大好形势，产学研各方要有深化改革的紧迫性，扎实推进科技成果转化，为建设生态型家园而努力奋斗。