多酚氧化酶是一类含铜的 氧化还原酶 。编号:EC 1.10.3.1(编号:EC 1.14.18.1)。 催化 邻苯二酚 氧化成邻苯二 ,也能作用于单酚 单加氧酶 的 底物 。淡黄至暗 褐色 粉末或液体。溶于水,不溶于 乙醇 。有吸湿性。相对分子质量约为125000,最适pH为6.5,最适温度为2℃。
多酚氧化酶是种末端氧化酶类,可将 电子 直接传递给分子氧。它在茶中的主要作用是催化儿茶素形成邻醍,进一步形成 茶黄色素 等色素物质和香气成分等。
酶的简介
酶蛋白具有一般 蛋白质 的特性,在高温或低温条件下有易 变性 失活的特点。各类酶均有其活性的最适温度范围,一般在30C~50℃范围内酶活性最强。酶若失活、变性,则就丧失了 催化 能力。酶的催化作用具有专一性,如多酚氧化酶,只能使 茶多酚 物质氧化,聚合成茶多酚的 氧化产物 茶黄素、 茶红素 和茶褐素等; 蛋白酶 只能促使蛋白质分解为氨基酸。茶叶加工就是利用酶具有的这种特性,用技术手段 钝化 或激发酶的活性,使其沿着茶类所需的要求发生 酶促反应 而获得各类茶特有的色香味。如绿茶加工过程中的 杀青 就是利用高温钝化酶的活性,在短时间内制止由酶引起的一系列化学变化,形成绿叶绿汤的品质特点。 红茶 加工过程中的发酵就是激化酶的活性,促使 茶多酚 物质在多酚氧化酶的 催化 下发生氧化聚合反应,生成 查黄素 、 茶红素 等 氧化产物 ,形成红茶红叶红汤的品质特点。
研究概况
多酚氧化酶(,PPO)是自然界中分布极广的一种金属 蛋白酶 ,普遍存在于植物、真菌、昆虫的 质体 中,甚至在土壤中腐烂的植物残渣上都可以检测到多酚氧化酶的活性。由于其检测方便,是被最早研究的几类酶之一。自1883年Yoghid发现 日本 漆树液汁变硬可能和某种活性物质相关,1938年Keilin D.和Mann G.研究了蘑菇多酚氧化酶的提取和纯化,得到多酚氧化酶并将这类酶称为polyphenol oxidase。多酚氧化酶又称 酪氨酸酶 , 酪氨酸酶 , 苯酚 酶, 甲酚 酶, 苯二酚 氧化还原酶 ,是六大类酶中的第一大类氧化还原酶。
多酚 氧化酶的共同特征是能够通过分子氧氧化酚或多酚形成对应的醌。在广义上,多酚氧化酶可分为三大类:单酚单氧化酶(酪氨酸酶tyrosinase, ec 1.14.18.1)、 双酚 氧化酶(儿茶酚氧化酶catechol oxidse,EC.1.10.3.2)和 漆酶 (laccase,EC.1.10.3.1)。在这三大类多酚氧化酶中, 儿茶酚 酶主要分布在植物中,微生物中的多酚氧化酶主要包括漆酶和 酪氨酸酶 。现在大部分文献所说的多酚氧化酶一般是 儿茶酚氧化酶 和漆酶的统称。
自然界分布
植物中的多酚氧化酶及作用
在植物(如 苹果 、荔枝、菠菜、马铃薯、 豆类 、茶叶、 桑叶 、烟草等)组织中,PPO是与内囊体膜结合在一起的,天然状态无活性,但将组织匀浆或损伤后PPO被活化,从而表现出活性。在果蔬 细胞 组织中,PPO存在的位置因原料的种类、品种及成熟度的不同而有差异,绿叶中PPO活性大部分存在于 叶绿体 内;马铃薯块茎中几乎所有的亚细胞部分都含有PPO,含量大约与 蛋白质 部分相同;在茶叶中的PPO分为 游离态 和 束缚态 ,前者主要存在于细胞液中属可溶态PPO,而后者则主要存在于叶绿体、 线粒体 等 细胞器 中,与这些细胞器的膜系统或其他特异部位结合呈不溶态,ThanarajS.N.(1990)研究了茶树新梢中PPO活性及 多酚 含量对 红茶 品质的影响,发现PPO活性强,多酚含量高,对红茶品质有利,相反则利于绿茶的生产;新鲜的 苹果 中,多酚氧化酶几乎全部存在于 叶绿体 和线粒体中。从这两部分分别制备的PPO,其 底物 专一性稍有差异。刘乾刚认为,PPO在 细胞 内除了存在于叶绿体及 线粒体 上外, 细胞壁 也可能存在PPO,且对发酵产生影响,细胞只要轻微破损便有PPO的作用。多酚氧化酶是一种 质体 酶,有些研究人员认为多酚氧化酶可能仅存在于质体中,缺乏质体的组织就不存在多酚氧化酶,例如筛管和筛胞等,但是有质体的组织也可能没有多酚氧化酶,如C4植物叶。含有质体的植物组织不一定都存在多酚氧化酶,而多酚氧化酶一定在含有质体的植物组织中。
随 分子生物学 的发展,像西红柿、 苹果 等的多酚氧化酶的基因已被 克隆 。 浙江大学 赵东等对茶树多酚氧化酶的克隆及其序列进行了比较。从已经克隆的多酚氧化酶的基因看,均属于 基因家族 ,多则6-7个基因。这些基因的表达具有时空差异和组织特异性(PPO在幼龄组织中表达,在成熟组织中不表达),表明多酚氧化酶的基因在植物中所起的作用不同。 维管植物 组织发生褐变主要是PPO作用的结果,PPO 催化 多酚 氧化为醌,醌聚合并与细胞内 蛋白质 的氨基酸反应,结果产生 黑色素 沉淀。
微生物 漆酶
漆酶 是三大类多酚氧化酶中作用 底物 最广的一类。漆酶最早是在1883年由Yoshida首先从漆树液中发现的,后来人们又从大量的真菌体中发现了漆酶。漆酶来源很多,结构各异,不同来源的漆酶表现出来的催化特性相差较大。即便是同一来源,如同一白腐菌菌种,也可分泌出不同性质的漆酶组分,包括氧化能力、最适pH、底物专一性等,因此 催化 氧化作用也各不相同。 漆酶 分子中的铜离子是漆酶催化反应的活性中心,在催化氧化过程中起决定作用。
在真菌中, 漆酶 大多分布在 担子菌门 (Basidimycetes)、 多孔菌 ( Polyporus )、 子囊菌门 (A-somycetes)、脉孢菌(Neurospora)、柄孢壳菌(Po-dospora)和 曲霉属 ( Aspergillus )等真菌中。 蕈菌 中的 白腐菌 是目前获得漆酶的主要来源。Givaudan等还从稻根上的生脂固氮螺菌(Azo spirillum lipoferum)中分离出细菌 漆酶 。
黄乾明 等以粗毛栓菌( Trametes gallica)为出发菌,通过紫外诱变处理其担抱子、PDA-RBBR平板变色法初筛、 ABTS 法测定培养液 漆酶 酶活力复筛,获得1株漆酶高产诱变菌株 S-腺苷高半胱氨酸 12。
黄俊等(2006)从森林树木根部土壤中分离得1株具有漆酶活性的细菌菌株,并鉴定该细菌属于 克雷伯氏菌 ( 克雷伯氏菌属 )属,命名其为Klebsiella sp-601。这是首例报道 Klebsiella 细菌具有漆酶活性。
微生物 酪氨酸酶
酪氨酸酶 ,又叫 单酚氧化酶 ,它可以氧化L-酪氨酸合成L-多巴和 黑色素 。在高等动物和人类中 酪氨酸酶 的活性高低与黑色素的形成 速率 有关,缺乏此酶活性将引起 白化病 。
有报道说,一种假单胞菌( 假单胞菌属 sp.)具有高产酪氨酸酶的能力,另一种细菌即弗氏柠檬杆菌(Cibrobacter freundii)在L一酪氨酸诱导下能高效表达酪氨酸酶的催化活性,经小试试验可获得L-多巴产量9.5g/L,为其中试生产奠定了基础。
蔡信之 等分离并鉴定出嗜麦芽假单胞菌(Pseudomonas maltophilia)AT18能够稳定地产生 酪氨酸酶 ,并 催化 产生 黑色素 。他们已将该菌的酪氨酸酶基因(mel)片断 克隆 到E.coli质粒载体pUC18上,构建了产生黑色素的工程菌E.coli/pwSY。
现状展望
植物PPO的研究现状及展望
PPO与抗病性的关系人们已进行了广泛的研究。植物在抵御 病原菌 的侵染过程中,抗性相关酶发挥了重要作用,这主要包括了酚类代谢系统中的一些酶和病原相关蛋白家族PPO通过催化 木质素 及 醌类化合物 形成,构成保护性屏蔽而使 细胞 免受病菌的侵害,也可以通过形成醌类物质直接发挥抗病作用。目前已比较成功的有:黄瓜对黑星病的抗性, 苹果 对 轮纹病 的抗性,香蕉对束顶病的抗性,柠檬对流胶病的抗性, 甘薯 对蔓割病的抗性,水稻对白叶枯病的抗性等等。
茶叶中所有化学成分中,儿茶素与多酚氧化酶尤为重要,除绿茶、 黄茶 外,各种茶叶的加工都是基于儿茶素在多酚氧化酶 催化 下的氧化作用,即所谓的“发酵”过程。有的学者在 红碎茶 加工中,利用茶幼果作为外源PPO的载体,以一定比例用于红碎茶加工过程,结果发现能明显提高成茶的TF含量,减少TB含量。还有的学者进行了内源酶发酵研究,以期望能在 茶饮料 中有所应用,改善滋味。
多酚氧化酶是引起果蔬酶促褐变的主要酶类,PPO催化果蔬原料中的内源性 多酚 氧化生成 黑色素 ,严重影响制品的营养,风味及外观品质。这些情况对生产者与消费者均是不希望看到的,仅在少数几种食品的生产中,人们利用了PPO的作用,如茶叶、咖啡、 黑葡萄 中的多酚氧化酶。
微生物PPO的研究现状及展望
随着微生物发酵投入少、见效快、易控制等特点的凸显,开发微生物中的多酚氧化酶成了研究者关注的热点。微生物中的 漆酶 对氧化酚类或芳胺类等多种 底物 的氧化起 催化 作用,从而使其在含酚 废水 的处理、环境中酚类毒物的降解、饮料加工、食用和药用菌生产、饲料工业及医药卫生等各个领域有着广泛应用。而利用微生物发酵合成 酪氨酸酶 也已成为研制治疗 色素脱失 、 帕金森病 和 阿尔兹海默症 等疾患药物的努力方向。
由于自然界中存在着大量结构不同的多酚类物质,而催化这些酚类物质氧化的多酚氧化酶也是不同的。如果从微生物中筛选出有效的酶源或者利用酶修饰、基因异源表达和 基因工程 菌的构建等技术创造出有效的微生物酶源,这将着深远意义。
活性测定
常用检压法和 分光光度法 。前者应用多酚氧化酶(PPO)可 催化 儿茶素等 底物 在有氧条件下的 氧化还原反应 ,根据底物的氧化 速率 与单位酶浓度和单位时间内的耗氧量成正比这一原理,用瓦氏呼吸仪测定反应过程中的耗氧量求得PPO活性的大小,此方法设备简便,但操作复杂,误差较大。后者利用 苯二酚 和D-儿茶素在PPO催化下生成有色产物。其显色物质在460纳米处有最大吸收,吸收值在单位时间内的变化和单位酶活性成正比,计算PPO活性强度。操作方法简便,重现性好。与检压法原理相似的方法有氧 电极 法,应用也较多。
制备方法
由丝状菌(Alternaria; Asp. niger; Corio-lus)或 担子菌门 (Cyathus; Polyporus cinereus; Pycno porus coc-cineus; Polyporus; Trametes ) 的培养液,用室温以下的水提取后,再在低温下用冷的 乙醇 、含水乙醇或丙 处理而得。亦可由蘑菇提取而得。
应用领域
用于 红茶 制造等。
储存运输
密封包装后贮于阴冷处。