CN109055333A - 一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用 - Google Patents

一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用 Download PDF

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张同存
罗学刚
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Abstract

本发明涉及一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用,首次克隆了来自嗜碱芽孢杆菌N16‑5的糖苷水解酶基因man113A,导入pET28a载体并在大肠杆菌中诱导表达。纯化获得的113家族糖苷水解酶Man113A具有水解甘露寡糖产生甘露糖的活性。同时,该酶可用于与α‑半乳糖苷酶协同作用,对槐豆胶、瓜尔豆胶等廉价半乳甘露聚糖底物进行降解,同时生成甘露糖和半乳糖。以槐豆胶为底物甘露糖和半乳糖转化率分别达到11.6%和8.8%,以瓜尔豆胶为底物甘露糖和半乳糖转化率分别达到8.4%和15.3%。

Description

一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及一种糖苷水解酶及其与α-半乳苷酶复配在半乳甘露聚糖降解和半乳糖、甘露糖生产中的应用。
背景技术
甘露聚糖是除了木聚糖外,自然界分布最为广泛的一类半纤维素。天然的来源于植物的甘露聚糖可分为:聚甘露糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖和半乳葡甘露聚糖四类。其中,聚甘露糖是线状多糖,由甘露糖间形成1,4-β-D-甘露糖糖苷键相连。如果半乳糖存在于聚甘露糖分子中,并通过α-1,6-糖苷键与主链中的甘露糖残基相连,则构成了半乳甘露聚糖。甘露聚糖主链的降解需要依靠内切和外切甘露聚糖酶、甘露糖苷酶等酶的作用,但半乳甘露聚糖的完全水解还需要α-半乳糖苷酶的协同作用。
槐豆胶也称刺槐豆胶,是由产于地中海一带的刺槐树种子加工而成的植物胶。瓜尔豆胶也称瓜尔胶、胍胶,是一种由瓜尔豆种子胚乳水解得到的植物胶。槐豆胶和瓜尔豆胶的主要成分都是半乳甘露聚糖,是较为廉价而又广泛使用的亲水胶体,广泛应用于食品工业中。
甘露糖是目前唯一用于在临床上的糖质营养素,其广泛分布于体液和组织中,可直接被利用合成糖蛋白,参与免疫调节。半乳糖常以D-半乳糖苷的形式存在于大脑和神经组织中,也是某些糖蛋白的重要成分,因其具有能量,可作为营养增甜剂使用。开发和研究具有半乳甘露聚糖降解和甘露糖、半乳糖产生能力的酶具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用,本发明克隆了来自嗜碱芽孢杆菌N16-5的糖苷水解酶基因man113A,将其在大肠杆菌中进行异源表达,并进行纯化获得糖苷水解酶。
本申请实现目的的技术方案如下:
本发明的优点和积极效果如下:
本发明将获得的糖苷水解酶Man113A与α-半乳糖苷酶(氨基酸序列如序列3所示)联合作用,可增加对半乳甘露聚糖的降解能力,两者对槐豆胶和瓜尔豆胶的协同度分别为2和2.68。在反应中可显著提高甘露糖的产生,如图3,图4所示。以槐豆胶为底物,甘露糖和半乳糖的转化生成率分别达到11.6%和8.8%;以瓜尔豆胶为底物,甘露糖和半乳糖的转化生成率分别达到15.3%和8.4%。
附图说明
图1为纯化的糖苷水解酶Man113A的电泳图;图中,M、分子量标准;1、纯化后的糖苷水解酶Man113A。
图2为糖苷水解酶Man113A降解寡糖底物的薄层层析分析。图中M、从上到下为甘露糖、甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖;1、甘露二糖经Man113A降解产物;2、甘露三糖经Man113A降解产物;3、甘露四糖经Man113A降解产物;4、甘露五糖经Man113A降解产物。
图3为糖苷水解酶Man113A与α-半乳糖苷酶联合作用降解槐豆胶底物生成产物的薄层层析分析。图中M1、半乳糖;M2、从上到下为甘露糖、甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖;1、槐豆胶;2、槐豆胶经过糖苷水解酶Man113A酶切的产物;3、槐豆胶经过α-半乳糖苷酶Gal27A酶切的产物;4、槐豆胶经过糖苷水解酶Man113A和α-半乳糖苷酶Gal27A共同酶切的产物。
图4为糖苷水解酶Man113A与α-半乳糖苷酶联合作用降解瓜尔豆胶底物生成产物的薄层层析分析。图中M1、半乳糖;M2、从上到下为甘露糖、甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖;1、瓜尔豆胶;2、瓜尔豆胶经过糖苷水解酶Man113A酶切的产物;3、瓜尔豆胶经过α-半乳糖苷酶Gal27A酶切的产物;4、瓜尔豆胶经过糖苷水解酶Man113A和α-半乳糖苷酶Gal27A共同酶切的产物。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述,给出的实施例仅为了阐明本发明,而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的试验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂、仪器等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复试验,结果取平均值。
下述实例中的pET28a质粒、大肠杆菌DH5α、大肠杆菌BL21(DE3)为市售。下述实例中的α-半乳糖苷酶Gal27A的氨基酸序列如序列3所示。下述实例中的LB培养基的溶剂为水,各组分及其浓度分别为:0.5%(质量百分比浓度)酵母提取物,1%(质量百分比浓度)蛋白胨,1%(质量百分比浓度)氯化钠。IPTG终浓度为50μg/ml。
本发明克隆了来自嗜碱芽孢杆菌N16-5(CGMCC No.0369)的糖苷水解酶基因man113A,将其在大肠杆菌中进行异源表达,并进行纯化获得糖苷水解酶。本发明提供的糖苷水解酶的氨基酸序列如序列1所示,其编码基因的核苷酸序列如序列2所示。纯化获得的糖苷水解酶Man113A可水解甘露寡糖生成甘露糖和甘露二糖,如图2所示。具体操作及验证试验如下:
实施例1
糖苷水解酶Man113A的制备
1、糖苷水解酶基因man113A的克隆
根据糖苷水解酶基因man113A的序列设计上游引物man113A-F:5′-TATGGATCCATGGACTATATTAAAGGTAT-3′和下游引物man113A-R:5′-TAAGTCGACCTATCTCTTAGCTATTTT-3′,以嗜碱芽孢杆菌杆菌N16-5的基因组为模板,利用PCR技术进行序列扩增,获得目的基因。
2.重组质粒及重组菌的制备
将pET28a质粒的BamHI和SalI识别序列间的DNA,替换为如序列1所示的糖苷水解酶基因man113A,得到重组质粒,将该重组质粒命名pET28a-Man113A。pET28a-Man113A能表达序列1所示的蛋白质,将该蛋白质命名为Man113A,Man113A的表达由T7启动子启动。将重组质粒pET28a-Man113A转化到大肠杆菌DH5α感受态细胞中,涂布于含有卡那霉素的LB平板,筛选得到含有重组质粒的菌株,挑取单克隆培养于含有卡那霉素的液体LB培养基中,收集菌体,提取质粒,双酶切验证,验证后的阳性重组质粒进行测序,测序结果与原序列比对。比对正确的阳性重组质粒转化到大肠杆菌BL21(DE3)的感受态中,筛选得到阳性克隆,挑取得到单克隆培养于含有卡那霉素的液体培养基中,重组菌保存于甘油中,-80℃保存。
3.糖苷水解酶Man113A的表达和纯化
上述重组菌株从-80℃中取出后,先接种于含有卡那霉素的液体LB培养基中进行活化,经活化后转接至摇瓶,于37℃、220rpm培养至OD600达到0.6,加入IPTG诱导剂,于30℃、220rpm培养6h,然后离心收集菌体,柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(该缓冲液为由20mM的柠檬酸水溶液和20mM的磷酸氢二钠水溶液制备)清洗三次后,用一定体积的柠檬酸缓冲液吹悬菌体,在冰上进行超声破碎,超声后离心,收集上清。收集到的上清利用Ni柱亲和层析的方法纯化收集液,利用80mM咪唑洗脱杂蛋白,利用500mM咪唑水溶液洗脱目的蛋白。
将纯化的Man113A进行SDS-聚丙烯酰胺电泳,如图1所示。
实施例2
糖苷水解酶Man113A降解甘露寡糖的产物分析
取100μL纯化好的浓度为0.3mg/ml的糖苷水解酶Man113A,分别与900μL含有0.5%的甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液混合。37℃反应1小时后煮沸5分钟对酶进行灭活,降解产物使用薄层层析法进行分析。实验结果表明,如图2所示Man113A可以降解甘露寡糖,最终产物是甘露糖和甘露二糖。
实施例3
糖苷水解酶Man113A与α-半乳糖苷酶Gal27A协同作用降解半乳甘露聚糖
1.槐豆胶和瓜尔豆胶底物的制备
0.5%槐豆胶(瓜尔豆胶):取0.5g槐豆胶(瓜尔豆胶)于100ml缓冲液中,沸水浴加热10min,冷却后12000rpm离心5min,取上清,存于4℃备用。
2.还原糖标曲的绘制
将180mg还原糖溶于10ml的柠檬酸-磷酸氢二钠的缓冲液中,配制成终浓度为10mM的溶液。分别吸取对硝基酚溶液不同的体积,用pH为6.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液定容至不同浓度,分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.4、1.8、2.0和2.4mM的标准梯度溶液,终体积是1ml。分别加入1ml的DNS试剂,沸水浴5min后迅速冷却反应液,540nm处测定吸光值。以吸光值为横坐标,还原糖浓度为纵坐标,绘制标准曲线。
3.实验设置3个实验组,即实验1、实验2、实验3,每组三个平行试验,具体操作步骤如下:
实验组1的操作步骤如下:取800μl 0.5%槐豆胶底物,于37℃条件下,预热3min,加入0.05U/mL Gal27A酶液100μl,和100μl的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液,反应15min。
实验组2的操作步骤如下:将实验组1中的Gal27A酶液替换成1.25U/mlMan113A酶液,其他步骤不变。
实验组3的操作步骤如下:取800ul 0.5%槐豆胶底物,于37℃条件下,预热3min,加入0.05U/ml Gal27A酶液100μl,和1.25U/ml Man113A酶液100μl,反应15min。
计算协同率,协同率=A/(AA+AC)
A–实验组中Gal27A和Man113A协同加入底物溶液中反应后的还原糖生成量,单位mM;
AC–实验组中Gal27A单独加入底物溶液中反应后的还原糖生成量,单位mM;
AA–实验组中Man113A单独加入底物溶液中反应后的还原糖生成量,单位mM;
实验结果表明,Gal27A和Man113A共同反应处理槐豆胶协同率为2.0。
4.按照上述方法,将步骤3的底物0.5%槐豆胶替换成0.5%瓜尔豆胶,测定0.05U/ml Gal27A和1.25U/ml Man113A对0.5%瓜尔豆胶底物的协同作用。
实验结果表明,Gal27A和Man113A共同作用时的协同度是2.68。
5.实验设置3个实验组,即实验1、实验2、实验3,每组三个平行试验,具体操作步骤如下:
实验组1的操作步骤如下:取800μl 0.5%槐豆胶底物,于37℃条件下,预热3min,加入含有0.2U Gal27A的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液200μl,反应1小时实验组2的操作步骤如下:将实验组1中的Gal27A替换成4.5U Man113A,其他步骤不变。
实验组3的操作步骤如下:取800ul 0.5%槐豆胶底物,于37℃条件下,预热3min,加入含有0.2U Gal27A和4.5U Man113A柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液200μl,反应1小时。
使用薄层层析法分析产物成分,如图3所示。
使用离子色谱法对产物浓度进行分析,实验组3生成甘露糖浓度为46.3×10-2g/L,半乳糖浓度为35.4×10-2g/L。
实验结果表明Gal27A和Man113A协同作用于槐豆胶,甘露糖、半乳糖转化生成率分别为11.6%和8.8%。
6.按照上述方法,将步骤5的底物0.5%槐豆胶替换成0.5%瓜尔豆胶,分析产物成分,如图4所示。
使用离子色谱法对产物浓度进行分析,实验组3生成甘露糖浓度为33.5×10-2g/L,半乳糖浓度为61.0×10-2g/L。
实验结果表明Gal27A和Man113A协同作用于瓜尔豆胶,甘露糖、半乳糖转化生成率分别为8.4%和15.3%。
序列1
MDYIKGMTWGWIGNSEDWRSNEAERSMEEMTNLAINWTAIAFQGLQETAHSPDITFAEPPMVTDENVRWAIAKAKSLGLSVILKPIVNVRDGTWRAHINFFDKDVPCEPTWSQWFKSYESFMLHYAKLAEDTGCEMLCIGCEMVQTERREKEWRDLIQKVRQVYSGIITYNCDKYQEDEVTWWDAVDVMSSSGYYPIGSWEHHESRIKKIVESWQKPFFFMEAGCPSRLESGSVPNDWNKNRGQIDMDEQRVFYEEMFKFFHGQKWFYGFMLWDWPAKLYRLEDASENDDYCVYGKPAAEVIKSFFTSNKIAKR序列2
ATGGACTATATTAAAGGTATGACGTGGGGCTGGATAGGAAATAGCGAGGATTGGCGTTCAAACGAGGCAGAACGTTCTATGGAAGAAATGACAAACTTAGCAATTAACTGGACAGCAATTGCTTTTCAAGGTTTACAAGAGACGGCTCATTCACCGGACATAACATTTGCAGAGCCACCAATGGTCACAGATGAGAACGTACGGTGGGCAATTGCCAAAGCGAAAAGTCTTGGTCTAAGCGTCATCTTAAAGCCTATTGTTAATGTAAGAGACGGAACGTGGCGAGCGCATATTAATTTTTTTGATAAGGATGTCCCTTGTGAACCTACATGGTCACAGTGGTTTAAAAGCTATGAGTCTTTCATGTTACATTATGCCAAATTAGCAGAGGATACAGGATGTGAGATGCTTTGCATTGGCTGTGAAATGGTACAGACAGAAAGGAGAGAAAAAGAATGGCGGGATTTAATTCAAAAAGTCCGCCAAGTGTATTCTGGCATCATCACGTATAACTGTGACAAATATCAAGAAGACGAAGTGACCTGGTGGGATGCAGTTGACGTGATGTCTTCTAGTGGTTATTACCCAATAGGGTCTTGGGAACATCATGAATCTCGCATAAAAAAAATTGTGGAGTCGTGGCAAAAACCGTTCTTCTTCATGGAAGCAGGGTGTCCGAGCCGTCTCGAATCTGGTTCTGTTCCTAACGATTGGAATAAGAATCGAGGGCAAATCGATATGGACGAACAAAGAGTGTTTTATGAAGAGATGTTTAAATTCTTTCATGGGCAAAAGTGGTTTTATGGATTTATGTTATGGGATTGGCCAGCTAAGCTTTATCGTCTTGAGGATGCAAGTGAAAATGATGACTACTGTGTTTACGGAAAGCCTGCGGCTGAGGTCATTAAATCATTTTTTACCTCAAATAAAATAGCTAAGAGATAG
序列3
MTLKPKRYAEGLAKTPPMGWNSFNTFGCEPTEELIKQSADVMVKSGLLEAGYRYINIDDGWMADERDSAGNLVPDPQKFPNGMKPVTDYIHEKGLLAGTYLGCGQKTYGEKPGSLGYEERDAQLIADQGFDLLKYDYRELPGDPIGRGVKEDYVTMRNALMKTGRDMVFSICEHGKSHPETWAQEIGHMWRTTPDIKDSFDEDINWGWSINHIIDETHALHHYAGPGGWNDPDMLVVGINGLNDWLGPGCTYNEYKSHFSLWCLLAAPLLIGCDIRKMSEETKTILLNKEMIAINQDPLGIQGHLLKKEHGIDYWVKPLANNDIAIGLLNRFNEPKEAVLSLSDLLEDGNYLMKDVWTNERKELQSEWISKTLKSHECAVFRLMSKNKE
序列表
<110> 天津科技大学
<120> 一种糖苷水解酶及其复合酶在半乳甘露聚糖降解中的应用
<160> 3
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 314
<212> PRT
<213> 糖苷水解酶的氨基酸序列(Unknown)
<400> 1
Met Asp Tyr Ile Lys Gly Met Thr Trp Gly Trp Ile Gly Asn Ser Glu
1 5 10 15
Asp Trp Arg Ser Asn Glu Ala Glu Arg Ser Met Glu Glu Met Thr Asn
20 25 30
Leu Ala Ile Asn Trp Thr Ala Ile Ala Phe Gln Gly Leu Gln Glu Thr
35 40 45
Ala His Ser Pro Asp Ile Thr Phe Ala Glu Pro Pro Met Val Thr Asp
50 55 60
Glu Asn Val Arg Trp Ala Ile Ala Lys Ala Lys Ser Leu Gly Leu Ser
65 70 75 80
Val Ile Leu Lys Pro Ile Val Asn Val Arg Asp Gly Thr Trp Arg Ala
85 90 95
His Ile Asn Phe Phe Asp Lys Asp Val Pro Cys Glu Pro Thr Trp Ser
100 105 110
Gln Trp Phe Lys Ser Tyr Glu Ser Phe Met Leu His Tyr Ala Lys Leu
115 120 125
Ala Glu Asp Thr Gly Cys Glu Met Leu Cys Ile Gly Cys Glu Met Val
130 135 140
Gln Thr Glu Arg Arg Glu Lys Glu Trp Arg Asp Leu Ile Gln Lys Val
145 150 155 160
Arg Gln Val Tyr Ser Gly Ile Ile Thr Tyr Asn Cys Asp Lys Tyr Gln
165 170 175
Glu Asp Glu Val Thr Trp Trp Asp Ala Val Asp Val Met Ser Ser Ser
180 185 190
Gly Tyr Tyr Pro Ile Gly Ser Trp Glu His His Glu Ser Arg Ile Lys
195 200 205
Lys Ile Val Glu Ser Trp Gln Lys Pro Phe Phe Phe Met Glu Ala Gly
210 215 220
Cys Pro Ser Arg Leu Glu Ser Gly Ser Val Pro Asn Asp Trp Asn Lys
225 230 235 240
Asn Arg Gly Gln Ile Asp Met Asp Glu Gln Arg Val Phe Tyr Glu Glu
245 250 255
Met Phe Lys Phe Phe His Gly Gln Lys Trp Phe Tyr Gly Phe Met Leu
260 265 270
Trp Asp Trp Pro Ala Lys Leu Tyr Arg Leu Glu Asp Ala Ser Glu Asn
275 280 285
Asp Asp Tyr Cys Val Tyr Gly Lys Pro Ala Ala Glu Val Ile Lys Ser
290 295 300
Phe Phe Thr Ser Asn Lys Ile Ala Lys Arg
305 310
<210> 2
<211> 945
<212> DNA
<213> 糖苷水解酶基因序列(Unknown)
<400> 2
atggactata ttaaaggtat gacgtggggc tggataggaa atagcgagga ttggcgttca 60
aacgaggcag aacgttctat ggaagaaatg acaaacttag caattaactg gacagcaatt 120
gcttttcaag gtttacaaga gacggctcat tcaccggaca taacatttgc agagccacca 180
atggtcacag atgagaacgt acggtgggca attgccaaag cgaaaagtct tggtctaagc 240
gtcatcttaa agcctattgt taatgtaaga gacggaacgt ggcgagcgca tattaatttt 300
tttgataagg atgtcccttg tgaacctaca tggtcacagt ggtttaaaag ctatgagtct 360
ttcatgttac attatgccaa attagcagag gatacaggat gtgagatgct ttgcattggc 420
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acctggtggg atgcagttga cgtgatgtct tctagtggtt attacccaat agggtcttgg 600
gaacatcatg aatctcgcat aaaaaaaatt gtggagtcgt ggcaaaaacc gttcttcttc 660
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<211> 389
<212> PRT
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Ala Gly Thr Tyr Leu Gly Cys Gly Gln Lys Thr Tyr Gly Glu Lys Pro
100 105 110
Gly Ser Leu Gly Tyr Glu Glu Arg Asp Ala Gln Leu Ile Ala Asp Gln
115 120 125
Gly Phe Asp Leu Leu Lys Tyr Asp Tyr Arg Glu Leu Pro Gly Asp Pro
130 135 140
Ile Gly Arg Gly Val Lys Glu Asp Tyr Val Thr Met Arg Asn Ala Leu
145 150 155 160
Met Lys Thr Gly Arg Asp Met Val Phe Ser Ile Cys Glu His Gly Lys
165 170 175
Ser His Pro Glu Thr Trp Ala Gln Glu Ile Gly His Met Trp Arg Thr
180 185 190
Thr Pro Asp Ile Lys Asp Ser Phe Asp Glu Asp Ile Asn Trp Gly Trp
195 200 205
Ser Ile Asn His Ile Ile Asp Glu Thr His Ala Leu His His Tyr Ala
210 215 220
Gly Pro Gly Gly Trp Asn Asp Pro Asp Met Leu Val Val Gly Ile Asn
225 230 235 240
Gly Leu Asn Asp Trp Leu Gly Pro Gly Cys Thr Tyr Asn Glu Tyr Lys
245 250 255
Ser His Phe Ser Leu Trp Cys Leu Leu Ala Ala Pro Leu Leu Ile Gly
260 265 270
Cys Asp Ile Arg Lys Met Ser Glu Glu Thr Lys Thr Ile Leu Leu Asn
275 280 285
Lys Glu Met Ile Ala Ile Asn Gln Asp Pro Leu Gly Ile Gln Gly His
290 295 300
Leu Leu Lys Lys Glu His Gly Ile Asp Tyr Trp Val Lys Pro Leu Ala
305 310 315 320
Asn Asn Asp Ile Ala Ile Gly Leu Leu Asn Arg Phe Asn Glu Pro Lys
325 330 335
Glu Ala Val Leu Ser Leu Ser Asp Leu Leu Glu Asp Gly Asn Tyr Leu
340 345 350
Met Lys Asp Val Trp Thr Asn Glu Arg Lys Glu Leu Gln Ser Glu Trp
355 360 365
Ile Ser Lys Thr Leu Lys Ser His Glu Cys Ala Val Phe Arg Leu Met
370 375 380
Ser Lys Asn Lys Glu
385

Claims (7)

1.一种糖苷水解酶,其特征在于:氨基酸序列如SEQ ID NO:1所示。
2.一种糖苷水解酶,其特征在于:其核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示。
3.一种重组载体,其特征在于:其包含SEQ ID NO:2所示的糖苷水解酶的编码基因。
4.一种重组大肠杆菌,其特征在于:其包含权利要求2所述的糖苷水解酶的编码基因或者权利要求3所述的重组载体。
5.一种权利要求1所述的糖苷水解酶的制备方法,包括权利要求3所述的重组大肠杆菌的培养,糖苷水解酶的生成步骤,以及纯化上述生成的糖苷水解酶的步骤。
6.一种半乳甘露聚糖降解制剂,其特征在于:包括权利要求1或权利要求2所述的糖苷水解酶,和氨基酸序列为SEQ ID NO:3所示α-半乳糖苷酶。
7.氨基酸序列如SEQ ID NO:1所示的糖苷水解酶和氨基酸序列为SEQ ID NO:3所示α-半乳糖苷酶复配酶在半乳甘露聚糖降解、制备甘露糖、制备半乳糖中的应用。
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