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灰樹花漆酶的雙水相萃取及酶學(xué)性質(zhì)

2014-12-20 06:58:34虞鳳慧徐澤平劉圣鵬馮文娟
食品與機械 2014年5期
關(guān)鍵詞:效應(yīng)體系質(zhì)量

虞鳳慧 徐澤平,2 劉圣鵬 馮文娟

(1.黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東 濱 州 256500;2.濱州市環(huán)境微生物技術(shù)工程研究中心,山東 濱 州 256500)

雙水相萃取(aqueous two-phase extraction,ATPS)是近年來發(fā)展起來的一種分離提取技術(shù),廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)[1]、酶等生物活性物質(zhì)的分離、提取和純化。該技術(shù)具有操作條件溫和、容易放大、可連續(xù)操作[2],且無有機溶劑殘留等優(yōu)點[3,4]。更重要的是雙水相萃取避免了傳統(tǒng)液—液萃取中生物活性物質(zhì)與有機溶劑的直接接觸,保護了其活性[5],有研究[6]表明聚合物對顆粒或生物分子的結(jié)構(gòu)不但沒有破壞作用,反而有穩(wěn)定作用。ATPS極具大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

漆酶(laccase,EC1.10.3.2)是一種含銅的多酚氧化酶[7,8],具有獨特的催化特性。在污水處理、食品加工、紙漿造紙、紡織等工業(yè)[9,10]以及有機合成等化學(xué)反應(yīng)中具有巨大的應(yīng)用前景,因此,隨著對其研究的逐漸深入,已成為當(dāng)今的熱門研究課題之一[11]。漆酶廣泛分布于植物、真菌、少數(shù)昆蟲和細(xì)菌中[12,13]。在真菌中,擔(dān)子菌是目前獲得漆酶的主要來源。灰樹花(Grifolafrondosa)屬擔(dān)子菌亞門、層菌綱、非褶菌目、多孔菌科、樹花菌屬[14],是一種藥食兩用珍稀菇類。灰樹花能分泌多種具有生物活性的代謝產(chǎn)物[15],一直以來,對它的研究多集中于灰樹花多糖,而對灰樹花漆酶的研究尚不多見。目前,灰樹花漆酶的生產(chǎn)技術(shù)極不成熟,產(chǎn)品鮮有報道,主要是因為其酶活力通常很低,更重要的是提取、分離、精制效率低、酶易失活,這些問題亟待解決。傳統(tǒng)方法,如鹽析、微濾、超濾、離子交換層析等方法純化漆酶,一般回收率低。與傳統(tǒng)方法相比,ATPS法簡單易行,易于除去雜質(zhì),提高酶的純度且回收率高,有較大的工業(yè)應(yīng)用潛力[16]。本試驗選擇PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系對灰樹花漆酶進行萃取分離效果的研究,同時對純化后的灰樹花漆酶進行酶學(xué)性質(zhì)的研究。為灰樹花漆酶的大規(guī)模生產(chǎn)、分離提取及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

灰樹花(Grifolafrondosa)GF-931菌株:本實驗室保存。

1.1.2 培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基:土豆1%,麩皮2%,葡萄糖2%,玉米粉0.5%,蛋白胨 0.3%,酵母浸粉 0.15%,磷酸二 氫鉀 0.05%,硫酸鎂0.1%;

液體發(fā)酵培養(yǎng)基:土豆15%,可溶性淀粉1.5%,酵母浸粉0.3%,硫酸銨0.1%,磷酸二氫鉀0.05%,硫酸鎂0.1%,硫酸銅0.012%。

1.1.3 主要試劑

2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS):分析純,美國Sigma公司;

聚乙二醇(PEG)6000:化學(xué)純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;

硫酸銨:分析純,天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;

冰醋酸:分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;醋酸鈉:分析純,天津市博迪化工股份有限公司。

1.1.4 儀器

低速大容量離心機:DL-5型,上海安亭科學(xué)儀器廠;

紫外可見分光光度計:UV-1700型,島津(蘇州)有限公司;

精密pH計:PHS-3C型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;

數(shù)顯恒溫水浴鍋:HH-1型,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;

電子天平:FA2004型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 灰樹花漆酶粗酶液的制備

(1)種子培養(yǎng):無菌條件下,取適量新鮮的PDA斜面保藏菌種接入種子培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)2 d,即為一級種子液。

無菌條件下,將適量一級種子液轉(zhuǎn)接至種子培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)2d,即為二級種子液。

(2)液體發(fā)酵培養(yǎng):無菌條件下,按10%的接種量,將二級種子液轉(zhuǎn)接至發(fā)酵培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)8d,發(fā)酵液經(jīng)4 000r/min離心10min,收集上清液,即為漆酶粗酶液,4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 雙水相體系相圖的繪制 精確配制40%(m/V)的(NH4)2SO4和80%PEG6000溶液。取一定量已配制好的PEG6000于一潔凈試管中,加入0.5mL蒸餾水,緩慢滴加已配制好的(NH4)2SO4溶液,混勻,至試管內(nèi)溶液開始出現(xiàn)混濁為止,記錄加入(NH4)2SO4的體積和質(zhì)量。然后計量加入適量蒸餾水,使體系澄清,繼續(xù)向試管中滴加(NH4)2SO4溶液,使其再次達(dá)到混濁,如此反復(fù)操作。計算每次達(dá)到混濁時PEG6000和(NH4)2SO4在系統(tǒng)總量中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。以PEG6000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo),(NH4)2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)作圖,即得到一條雙節(jié)線[17]。

1.2.3 雙水相萃取方法 根據(jù)雙水相體系相圖,選擇可形成雙水相的PEG6000與(NH4)2SO4的濃度。固定體系總質(zhì)量為20g,向其中加入一定量的PEG6000、(NH4)2SO4溶液至所需質(zhì)量分?jǐn)?shù),不足部分以蒸餾水補充,振蕩混勻。然后向雙水相體系中加入酶液至所需質(zhì)量分?jǐn)?shù),振蕩混勻2min。4 000r/min離心1 0min使快速分相。讀取上、下相體積及測定酶活,按式(1)~(3)計算相體積比、酶分配系數(shù)和酶活收率。

式中:

R——相體積比;

V上——上相體積,mL;

V下——下相體積,mL。

式中:

K——酶分配系數(shù);

U上——上相酶活,U/mL;

U下——下相酶活,U/mL。

式中:

Y——酶活收率,%;

R——相體積比;

K——酶分配系數(shù)。

1.2.4 雙水相萃取條件的優(yōu)化

(1)酶液添加量對漆酶萃取效應(yīng)的影響:根據(jù)雙水相體系相圖,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4溶液配制成可形成雙水相的濃度,按不同的添加量分別加入漆酶粗酶液,組成不同的雙水相體系,進行酶液添加量對漆酶萃取效應(yīng)影響的研究。

(2)PEG 6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量為基礎(chǔ),將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000溶液配制成一系列含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG的雙水相體系,研究PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響。

(3)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量、PEG6000最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ),將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4溶液形成一系列含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(NH4)2SO4的雙水相體系,研究(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響。

(4)雙水相體系pH對漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量、PEG6000最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、(NH4)2SO4最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ),調(diào)節(jié)雙水相體系pH 分別為3.5,4.5,5.0,5.5,6.0(自然),研究體系pH對漆酶萃取效應(yīng)的影響。

(5)正交試驗:根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選擇影響漆酶萃取效應(yīng)的主要因素,設(shè)計正交試驗,確定最佳萃取條件。

1.2.5 漆酶酶活的測定 參照文獻(xiàn)[18],修改如下:將漆酶酶液用0.05mol/L、pH 5的醋酸—醋酸鈉緩沖液稀釋至適當(dāng)倍數(shù),于30℃水浴鍋中保溫7min,取2.3mL稀釋酶液于比色皿中,再加入0.7mL 1mM ABTS溶液,兩者迅速混勻,啟動反應(yīng)。于420nm下測定反應(yīng)液前2min內(nèi)吸光值的變化△A,按式(4)計算酶活。酶活定義為每秒鐘氧化1 nmol ABTS所需要的酶量為一個活力單位U。

式中:

XL——酶活,U/mL;

△A——2min內(nèi)吸光度的變化;

V1——總反應(yīng)體積,3mL;

ε——ABTS吸光系數(shù),0.036mL/(nmol/cm);△T——反應(yīng)時間,120s;

V2——酶液體積,2.3mL;

I——光程,1cm;

n——稀釋倍數(shù)。

1.2.6 漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究

(1)漆酶的最適反應(yīng)溫度:經(jīng)雙水相萃取純化后,按照1.2.5方法測定純化漆酶酶活。設(shè)定漆酶的不同反應(yīng)溫度為30,35,45,55,65,75,100 ℃,以 測 定 的 最 高 酶 活 力 作 為100%,計算其他不同溫度下漆酶的相對酶活。

(2)漆酶的熱穩(wěn)定性:設(shè)定漆酶的保溫溫度分別為30,35,45,55,65,75,100℃,分別保溫2h,按照1.2.5方法測定純化漆酶剩余酶活力,以最高酶活力作為100%,計算不同溫度下漆酶剩余酶活力的相對酶活。

(3)漆酶的最適反應(yīng)pH:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液分別配制成pH 2.97,3.50,4.00,4.50,5.00,5.50,6.00,7.00的緩沖液,并以此不同pH梯度的緩沖液分別稀釋漆酶酶液以及配制相應(yīng)的1mM ABTS底物。在最適反應(yīng)溫度下,按照1.2.5方法測定純化漆酶酶活,以最高酶活力作為100%,計算不同pH下漆酶的相對酶活。

(4)漆酶的pH穩(wěn)定性:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液分別配制成 pH 2.97,3.50,4.00,4.50,5.00,5.50,6.00,7.00的緩沖液,并以此不同pH梯度的緩沖液分別稀釋漆酶酶液以及配制相應(yīng)的1mM ABTS底物。在最適反應(yīng)溫度下,分別保溫2h,按照1.2.5方法測定純化漆酶剩余酶活力,以最高酶活力作為100%,計算不同pH下漆酶剩余酶活力的相對酶活。

(5)金屬離子對漆酶酶活性的影響:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液配制最適pH的緩沖液,加入不同的金屬鹽,配制成金屬離子濃度為5mmol/L的緩沖液。在最適溫度和最適pH條件下,按照1.2.5方法測定酶活,以不加入金屬離子的酶活力作為100%,計算加入不同金屬離子的漆酶相對酶活。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG6000/(NH4)2SO4體系的相圖

由圖1可知,此雙節(jié)線圖即為PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系的相圖。雙節(jié)線上的點為臨界區(qū),線的下方為均相區(qū),線的上方為兩相區(qū),即可形成雙水相體系,其中T、B點連線稱為系線,T為上相組成,B為下相組成,由此可得知形成雙水相時PEG6000與(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的具體配比關(guān)系,以此選擇不同的萃取體系進行漆酶萃取效應(yīng)的研究。

2.2 酶液添加量對漆酶萃取效應(yīng)的影響

圖1 PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系相圖Figure 1 The phase diagram of aqueous two-phase system PEG6000/(NH4)2SO4

圖2 酶液添加量對漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 2 The effect of adding amount of enzyme on extraction of laccase with aqueous two-phase system

由圖2可知,隨著漆酶酶液添加量的增加,相體積比變化不明顯,分配系數(shù)和酶活收率呈先增后減的趨勢,當(dāng)酶液添加量為10%時,分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為4.4和86.4%,此時漆酶的萃取效果最好。因此,選擇酶液的最佳添加量為10%。

2.3 PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響

由圖3可知,隨著PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,相體積比先緩慢增加后趨于平緩,分配系數(shù)和酶活收率呈逐漸增大趨勢。PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%時,分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為13.0和95.3%,即漆酶的萃取效果最好。已有研究[19]表明,當(dāng)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時,隨著 PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,酶的分配系數(shù)增加,酶活收率也同時增加,增加PEG相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對分離是有利的。因此,選擇PEG6000的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%。

圖3 PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 3 The effect of mass fraction of PEG6000on extraction of laccase with aqueous two-phase system

2.4 (NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響

由圖4可知,隨著(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,相體積比逐漸減小,后趨于平穩(wěn),分配系數(shù)逐漸增大,而酶活收率呈先減后增趨勢,當(dāng)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時,酶分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為5.4和85.5%。因此,選擇(NH4)2SO4的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%。

2.5 pH對漆酶萃取效應(yīng)的影響

圖4 (NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 4 The effect of mass fraction of(NH4)2SO4on extraction of laccase with aqueous two-phase system

圖5 pH對漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 5 The effect of pH on extraction of laccase with aqueous two-phase system

由圖5可知,當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH為3.5至5.5時,分配系數(shù)和酶活收率都很低,而體系pH為6.0(自然)時,分配系數(shù)和酶活收率明顯增大,分別為5.5和91.1%,因此選擇雙水相體系最佳pH為自然,即不進行pH調(diào)節(jié)。

2.6 雙水相萃取體系的正交優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選擇酶液添加量、PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)和(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為三因素,按照表1設(shè)計L9(33)正交表,正交試驗結(jié)果見表2。由表2可知,各因素對PEG6000/(NH4)2SO4體系萃取漆酶的影響主次關(guān)系為RA>RC>RB,即酶液添加量對萃取效率的影響最大,其次為(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另外,從極差來看,RD(空列)>RB,說明試驗中有一定的誤差,是否還有其他因素比PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漆酶萃取效果的影響大,有待進一步驗證。最優(yōu)組合為A1B3C2,即當(dāng)酶液添加量為5%,PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時,漆酶的萃取效果最佳,并在此最佳萃取條件下進行驗證實驗,得到漆酶的分配系數(shù)和酶活收率分別高達(dá)7.6和96.6%,說明正交試驗優(yōu)化出的最佳萃取條件較好。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels for orthogonal design/%

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experimental design

2.7 漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究

2.7.1 漆酶的最適反應(yīng)溫度 由圖6可知,在45℃時純化漆酶的酶活最高,之后酶活明顯降低,至100℃時酶活幾乎為0。因此,確定純化漆酶的最適反應(yīng)溫度為45℃。

圖6 漆酶的最適反應(yīng)溫度Figure 6 The optimal temperature of the purified laccase activity

2.7.2 漆酶的熱穩(wěn)定性 由圖7可知,在30,35,45℃分別保溫2h后,漆酶的剩余相對酶活分別為78.2%,86.7%,74.4%,穩(wěn)定性較好,而在55℃保溫2h后其相對酶活仍剩余65.3%,由此表明,純化漆酶在30~55℃范圍內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性,其中在30~45℃范圍內(nèi),熱穩(wěn)定性較好。

2.7.3 漆酶的最適反應(yīng)pH 由圖8可知,在最適反應(yīng)溫度45℃時,反應(yīng)pH為2.97時漆酶的酶活最高,之后酶活迅速下降,pH為4時相對酶活僅為61.0%,由此確定,在測定條件下,漆酶的最適反應(yīng)pH為2.97。

圖7 漆酶的熱穩(wěn)定性Figure 7 The thermostability of the purified laccase activity

2.7.4 漆酶的pH穩(wěn)定性 由圖9可知,純化漆酶在p H 3.5~5.0時穩(wěn)定性較好,保溫2h,剩余相對酶活均在72.7%~87.7%,在pH 5.5條件下保溫2h,相對酶活仍為66.0%,之后酶活逐漸降低,pH 7時酶活幾乎為0。由此可知,純化漆酶在pH 3.5~5.0時穩(wěn)定性最好。

圖8 漆酶的最適反應(yīng)pHFigure 8 The optimal pH of the purified laccase activity

圖9 漆酶的pH穩(wěn)定性Figure 9 The purified laccase stability under different pH

2.7.5 金屬離子對漆酶酶活性的影響 由圖10可知,與對照相 比 (不 加 金 屬 離 子),金 屬 離 子 Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+、K+、Ca2+對漆酶酶活有較好的促進作用,其中 Cu2+和Mg2+促進作用最顯著,其相對酶活分別達(dá)150.0%和148.0%。而Co2+、Fe2+、Na+則對漆酶酶活有很大的抑制作用,其中Fe2+抑制作用最明顯,其相對酶活僅為2.0%。

圖10 金屬離子對漆酶酶活的影響Figure 10 The effects of metal ions on the laccase activity

3 討論

本實驗室通過灰樹花GF-931菌株的液體發(fā)酵,灰樹花漆酶的酶活力可達(dá)200~300U/mL,直接冷凍干燥酶活達(dá)3萬U/g,采用ATPS法對其進行分離純化,顯著降低了酶損失的同時,更提高了其純度,穩(wěn)定了酶活性。

本試驗采用PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系對灰樹花漆酶進行萃取效應(yīng)的研究。通過單因素試驗研究酶液添加量、PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)、(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體系pH對灰樹花漆酶萃取效應(yīng)的影響,通過正交試驗進一步優(yōu)化萃取條件。試驗結(jié)果表明:在pH為6(自然)時,漆酶最佳萃取條件為酶液添加量5%,PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%,(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%,在此最佳萃取條件下進行驗證實驗,漆酶的分配系數(shù)和酶活收率分別高達(dá)7.6和96.6%。說明該技術(shù)能夠用于灰樹花漆酶的分離純化。

對雙水相萃取純化的漆酶進行了酶學(xué)性質(zhì)研究,由試驗結(jié)果可知,純化漆酶的最適反應(yīng)溫度為45℃,在30~45℃時熱穩(wěn)定性最好;最適反應(yīng)pH為2.97,在pH 3.5~5.0時具有較好的穩(wěn)定性。金屬離子 Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+、K+、Ca2+對漆酶酶活有促進作用,其中Cu2+和Mg2+促進作用最強;而Co2+、Fe2+、Na+則抑制漆酶酶活,其中Fe2+的抑制作用最明顯。

本試驗利用ATPS法進行了灰樹花漆酶的萃取,確定了最佳萃取條件,并進行了純化漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究,為漆酶的系統(tǒng)研究及工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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