葡萄糖异构酶，英文名为glucose isomerase，又称木糖异构酶，指的是能将D-木糖，D-葡萄糖，D-核糖等醛糖异构化为相应酮糖的异构酶。葡萄糖异构酶的来源非常广泛，细菌、真菌和放线菌等微生物以及植物和动物细胞中均有葡萄糖异构酶的存在，它是工业上生产高果糖浆的关键酶，在高果糖浆和燃料乙醇的工业化生产中发挥关键的作用。
图1 葡萄糖异构酶的性状图
发现历史
葡萄糖异构酶最早于1957年在嗜水假单胞菌中发现其活性，此后有近百种细菌和放线菌被鉴定为该酶的产酶菌株。葡萄糖异构酶的来源非常广泛，不仅存在于细菌、真菌和放线菌等微生物中，在植物和动物细胞内同样有分布。作为一种胞内酶，葡萄糖异构酶参与微生物对进入体内的木糖的利用，其最适天然底物为D-木糖。后来人们发现，葡萄糖异构酶在胞外可将D-葡萄糖转化为D-果糖。应用该酶可使葡萄糖浆中90%以上的糖分转化为果糖，从而大幅提高甜度。自此，葡萄糖异构酶被广泛应用于高果糖浆的工业生产中。[1]
制备方法
研究人员报道了高纯度液体剂型葡萄糖异构酶的生产方法，包括活化接种、连续培养、发酵培养和处理发酵液等步骤。通过该方法制得的葡萄糖异构酶液体制剂具有活力高、耐温性好、酶活稳定性高等优点。该葡萄糖异构酶可应用于果葡糖浆行业，既适合间歇生产F42型果葡糖浆，也可采用一步法生产F55型果葡糖浆。在生产F42型果葡糖浆时，该葡萄糖异构酶对葡萄糖浆的质量标准要求较低；一次性购酶花费少；操作简单，可随加随生产，无需维护和考虑酶活变化；该葡萄糖异构酶完全实现国产化，生产灵活性高。[2]
生物结构
虽然不同种属来源的葡萄糖异构酶（GI）的一级结构存在一定差异，但它们在空间结构上具有相似性。葡萄糖异构酶均为非糖蛋白，通常以四聚体或二聚体形式存在，其亚基单体的分子质量范围为19～52 kD。在四聚体中，各亚基之间均通过非共价键结合，不存在二硫键；二聚体之间的结合力强于二聚体内部亚基间的结合力。亚基单体之间符合222点群对称分布，每个亚基单体可分为两个结构域[4]。N端的主结构域由8股α/β螺旋折叠结构围成一个具有催化作用的“催化口袋”，其内层由8条平行的β折叠片构成，外层由8股与β折叠片交替相邻的α螺旋构成，α螺旋的肽链走向与β折叠片呈反平行，活性中心位于β折叠的近C端口部。C端的小结构域则由几段α螺旋和无规则卷曲形成一个远离N端的不规则环状结构，该结构域参与亚基间的相互作用以及活性中心的构建。四聚体葡萄异构酶有4 个活性中心，呈口袋状，活性中心位于亚基催化域β 桶的近C 端口部。每个活性中心由2 个相邻亚基构成，包含2 个二价金属离子结合位点，以及与底物结合和催化过程相关的保守残基。[1]
特性
葡萄糖异构酶（GI）是工业上大规模从淀粉制备高果糖浆的关键酶，同时该酶还可将木聚糖异构化为木酮糖，进而通过微生物发酵生产乙醇。
热稳定性
不同来源的葡萄糖异构酶热稳定性差异显著：乳酸杆菌和埃希杆菌来源的葡萄糖异构酶热稳定性较差，而链霉菌和枯草芽孢杆菌来源的葡萄糖异构酶在高温下相当稳定。其中，嗜热高温菌的葡萄糖异构酶热稳定性最高，这可能与其对Val、Pro等氨基酸的偏好选择有关，使其具有更紧密的空间结构[1]。
底物专一性
葡萄糖异构酶除了催化D-葡萄糖和D-木糖外，还能以D-核糖、L-阿拉伯糖、L-鼠李糖、D-阿洛糖、脱氧葡萄糖以及葡萄糖C-3、C-5和C-6的修饰衍生物为底物。但值得注意的是，葡萄糖异构酶只能催化D-葡萄糖或D-木糖的α-旋光异构体发生转化，而不能利用其β-旋光异构体作为底物。
最适pH和最适温度
葡萄糖异构酶的最适pH通常微偏碱性，范围在7.0～9.0之间。在偏酸性条件下，大多数种属的葡萄糖异构酶活力很低。该酶的最适反应温度一般在70～80℃。
金属离子的影响
葡萄糖异构酶的活力及稳定性与二价金属离子密切相关：Mg²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等对该酶有激活作用，而Ca²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺等则起抑制作用。金属离子还会影响葡萄糖异构酶对不同底物的活性，例如凝结芽孢杆菌的葡萄糖异构酶在与Mn²⁺结合时对木糖的活性最高，而与Co²⁺结合时对葡萄糖的活性最高。
固定化方法
研究人员采用分子沉积法，成功在多孔三甲胺基聚苯乙烯载体上固定化了双层葡萄糖异构酶。结果表明，这种新型固定化酶方法可使单位重量载体的固定化酶活力及蛋白载量成倍增加。固定化后的葡萄糖异构酶活力达到1200 IU/g湿胶，与吸附法相比，酶活力提高了一倍；同时，该固定化葡萄糖异构酶的半衰期与吸附法基本相同，为45天。此外，研究还确定了最佳的固定化条件，并测定了固定化酶的性质。与液相酶相比，固定化后的葡萄糖异构酶的最适反应温度提高了15℃，而其最适pH值未发生改变，但Km值较液相酶有一定程度的增加。[3]
参考文献
[1] 刘芳,杨瑞金,张文斌等. 共固定化乳糖酶和葡萄糖异构酶的研究[J]. 食品工业科技, 2008, 7,:76-78.
[2] 褚伟立,朱国萍,荣东,等.高纯度液体剂型葡萄糖异构酶的生产方法, 中国发明专利，专利号:CN201710121163.9[P].
[3] 吴敬,陈晟,段绪果等. 一种葡萄糖异构酶的固定化方法, 中国发明专利，专利号: CN 201210581801[P].