多種堿性蛋白酶酶學性質的比較研究

周宇朦，孫洪浩，孫小涵，陳秀秀，呂福軍

（遼寧波爾萊特農牧實業有限公司，遼寧沈陽110127）

蛋白酶是一種能夠水解蛋白質的生物催化劑，可以將蛋白質水解為蛋白胨、多肽、游離氨基酸[1]；同時具有催化活性高、條件溫和、環保無污染、專一性強等優點[2-4]，被廣泛應用于畜牧、醫藥、食品、制革、污水處理等領域[5]。蛋白酶主要存在于植物莖葉及果實、動物內臟和微生物中[6]。

飼用蛋白酶可以改善動物（尤其是幼齡）的生產性能、促進內源酶分泌及消化器官的發育[7-8]、降解飼料中抗營養因子[9]、提高營養的消化率[10]、提高機體免疫力[11]等，可作為綠色、安全、無污染的添加劑。蛋白酶可按最適反應pH值的不同，分為堿性、中性和酸性蛋白酶[12]。全球工業酶銷售額約為37.4億，其中蛋白酶占60%，堿性蛋白酶占25%[13-17]。蛋白酶在原料資源緊張、成本上漲的畜牧飼料行業中發揮著巨大的作用[18]。為了解不同堿性蛋白酶產品的差異性，本研究對多種堿性蛋白酶的酶學性質進行比較，為堿性蛋白酶在畜牧業中的合理應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堿性蛋白酶由不同廠家提供的5種堿性蛋白酶，分別命名為A、B、C、D、E。

1.2 試驗試劑

福林試劑、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、濃鹽酸、四硼酸鈉、干酪素、L-酪氨酸、三氯乙酸等。其中L-酪氨酸是生物試劑，其余均為分析純。

1.3 試驗儀器

CP2102電子天平（奧豪斯儀器（常州）有限公司）、FiveEasy Plus pH計（梅特勒-托力多儀器（上海）有限公司）、HJ-6A數顯恒溫磁力加熱攪拌器（常州金壇良友儀器有限公司）、TGL-16C離心機（上海安亭科學儀器廠）、HH-4數顯恒溫水浴鍋（常州智博瑞儀器制造有限公司）、752紫外可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）。

1.4 試驗方法

1.4.1 蛋白酶活性測定

參考GB/T 23527—2009進行蛋白酶活性檢測（福林法）。

1.4.2 蛋白酶酶學性質分析

1.4.2.1 最適反應溫度

將蛋白酶反應體系的溫度分別調整為20、30、40、50、60、70℃，進行酶促反應，最后計算相對酶活性（最高酶活設為100%）。

1.4.2.2 熱穩定性

將蛋白酶分別放在40、60、80、100℃的水浴鍋中孵育，每隔一段時間取樣進行酶促反應，計算相對酶活（最高酶活設為100%）。

1.4.2.3 最適反應pH值

將酶反應體系的pH值分別調整為7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5，進行酶促反應，計算相對酶活（最高酶活設為100%）。

1.4.2.4 pH值穩定性

將蛋白酶分別放在不同的pH值（7.5～12.5）環境中，25℃孵育1 h，取樣進行酶促反應，計算相對酶活（最高酶活設為100%）。

1.4.2.5 金屬離子對酶活的影響

在蛋白酶稀釋液中分別加入10 mmol/L的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Mn2+、Cu2+、Fe3+、Zn2+和Co2+溶液，25℃孵育1 h，進行酶促反應，計算相對酶活（未加金屬離子酶活設為100%）[19]。

1.4.2.6 化學試劑對酶活的影響

在蛋白酶稀釋液中分別加入5 mmol/L SDS、10 mmol/L SDS、2 mol/L EDTA和4 mol/L尿素，25℃孵育1 h，進行酶促反應，計算相對酶活（未加化學試劑酶活設為100%）[20]。

1.4.2.7 堿性蛋白酶對胃-胰蛋白酶的耐受性

取1 mL稀釋酶液，加50 mL pH值2.50的HCl緩沖液，取出2.25 mL混合液，加入2.25 mL的5 g/L胃蛋白酶，37℃溫育1.5 h。取出2.25 mL混合液，調節pH值至6.50，再加入2.25 mL的5 g/L胰蛋白酶，37℃溫育4 h，取適量處理液，稀釋，在標準檢測條件下檢測酶活，計算相對酶活（未處理組酶活設為100%）[21]。

1.4.2.8 酶促反應動力學

研究酶促反應的速率以及底物濃度對速率的影響。配置不同濃度的底物溶液（1.25～15.00 g/L），進行酶促反應，計算酶活力。使用雙倒數作圖法，橫坐標為1/底物濃度，縱坐標為1/ν。由此信息做出的二元一次方程，與橫軸截距是負的米氏常數的倒數，與縱軸截距是酶促反應最大速度的倒數[22]。

Km值是酶促反應速度達到最大反應速度一半時所對應的底物濃度，是酶的特征常數。Km大小只與酶自身的性質有關，不同的酶Km值不同，同一種酶與不同底物反應Km值也不同[23]。Km值越小，達到最大反應速率一半所需要的底物濃度就越小，酶與底物的親和力越好，這個底物被叫為最適底物。

1.5 數據統計與分析

試驗數據使用Microsoft Excel進行記錄和統計，使用Origin 75軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 堿性蛋白酶最適反應溫度（見圖1）

由圖1可知，酶A、B、C和E的最適反應溫度均是60℃，酶D的最適反應溫度是50℃。

圖1 堿性蛋白酶的最適反應溫度Fig.1 Optimal reaction temperature of alkaline protease

2.2 堿性蛋白酶的熱穩定性（見圖2）

將5種堿性蛋白酶在40℃孵育5 h，每隔1 h取樣測定酶活力。由圖2（a）可知，0～1 h酶活損失較小，1～3 h酶D和酶E酶活損失較小，3～5 h只剩酶D還剩有較高酶活，其他酶活下降明顯。因此，酶D的熱穩定最好，總體熱穩定性為D＞E＞B＞C＞A。

將5種堿性蛋白酶在60℃孵育5 h，每隔30 min取樣測定酶活力。由圖2（b）可知，0～1 h酶活迅速降低，1～5 h降低速度趨于平緩，最后完全失活。

將5種堿性蛋白酶在80℃孵育60 s，每隔15 s取樣測定酶活力。由圖2（c）可知，0～30 s損失一半酶活，30～45 s迅速損失剩余酶活，45～60 s損失速度降慢，最后完全失活。

將5種堿性蛋白酶在100℃孵育40 s，每隔10 s取樣測定酶活力。由圖2（d）可知，0～10 s損失三分之一酶活，10～30 s迅速損失剩余酶活，30～40 s損失速度降慢，最后完全失活。

圖2 堿性蛋白酶的熱穩定性Fig.2 Thermal stability of alkaline protease

2.3 堿性蛋白酶的最適反應pH值（見圖3）

由圖3可知，酶的最適反應pH值均為10.5，符合堿性蛋白酶的特點。

圖3 堿性蛋白酶的最適反應pH值Fig.3 Optimal reaction pH of alkaline protease

2.4 堿性蛋白酶的pH值穩定性（見圖4）

由圖4可知，酶A、C、D和E在pH值7.5～12.5時酶活穩定，相對酶活在79%以上；酶B在pH值7.5～10.5時酶活穩定，在pH值10.5～12.5時酶活下降到40%以下。

圖4 堿性蛋白酶的p H值穩定性Fig.4 pH stability of alkaline protease

2.5 金屬離子對堿性蛋白酶活性的影響（見圖5）

由圖5可知，金屬離子主要對酶A、C和E起抑制作用，對酶B和D起激活作用，其中Cu2+對酶的抑制作用顯著，使酶活低于25%，其他金屬離子對酶活影響不顯著，使酶活在80%～120%之間變化。

圖5 金屬離子對堿性蛋白酶活性的影響Fig.5 Effect of metal ions on activity of alkaline protease

2.6 化學試劑對堿性蛋白酶活性的影響（見圖6）

由圖6可知，EDTA對酶A有抑制作用，尿素對酶E有抑制作用，其他化學試劑對酶活的影響不大或者無影響。

圖6 化學試劑對堿性蛋白酶的影響Fig.6 Effect of chemical reagents on alkaline protease

2.7 胃-胰蛋白酶對堿性蛋白酶活性的影響（見圖7）

由圖7可知，5種酶對胃-胰蛋白酶的耐受性均不好，經處理后5種酶的相對酶活均降低到20%以下。

圖7 胃-胰蛋白酶對堿性蛋白酶活性的影響Fig.7 Effect of gastric-trypsin on activity of alkaline protease

2.8 酶促反應動力學（見圖8）

由圖8可知，利用雙倒數作圖法得到酶A的最大反應速率νmax=0.79 g/min，Km=9.09；酶B的最大反應速率νmax=1.75 g/min，Km=33.33；酶C的最大反應速率νmax=0.07 g/min，Km=3.45；酶D的最大反應速率νmax=0.05 g/min，Km=4.35；酶E的最大反應速率νmax=0.09 g/min，Km=8.33。

圖8 酶促反應動力學曲線Fig.8 Enzymatic reaction kinetics curve

3 討論

酶制劑在飼料中的使用以及作用效果受酶制劑的種類、添加方式、添加量等多種因素影響[24]。目前對酶制劑的研究有限，并不能完全掌握酶制劑的作用機制。不同的學者研究得出不同的結果，所以酶制劑在飼料應用中還存在限制。本試驗結果表明，酶A、B、C和E的最適反應溫度均是60℃，酶D的最適反應溫度是50℃。因為酶的本質是蛋白質，適宜的溫度有利于酶促反應，超出酶耐受范圍的溫度會導致蛋白質發生不可逆變性[22]。5種堿性蛋白酶在40℃時熱穩定性最好，溫度升高后，幾秒后酶活迅速降為零，因此這5種堿性蛋白酶均不適合制粒加工，因為飼料制粒溫度高達80℃。單純考慮溫度，5種酶適合在畜禽的腸道中使用，最適合的是酶D，因為腸道溫度約40℃[20]。5種堿性蛋白酶的最適pH均為10.50，并在堿性條件下穩定，符合堿性蛋白酶在中性或堿性環境中高活力的特征，但不能在pH值2.2～3.5的禽胃和pH值5.0～7.0的小腸中長時間停留[21]。

酶制劑在儲存和應用過程中，會添加或接觸一些金屬離子，這些金屬離子會對蛋白酶的酶活力產生一定的影響。本研究中，K+對其中4種酶均有輕微抑制作用，而柴金龍等[25]研究表明，K+對重組蛋白酶OSP有強力促進作用。Na+對酶活幾乎無影響，與蔡恒博[22]的研究結果相似。Cu2+對5種酶均有強烈抑制作用，而陳琳[26]研究表明，Cu2+對低溫蛋白酶有明顯激活作用。本研究中，Mn2+對其中3種酶有抑制作用；Ca2+對其中3種酶有促進作用；Zn2+對其中4種酶有抑制作用；Mg2+對其中2種酶有促進作用；Co2+對其中3種酶有抑制作用。陳琳[26]研究表明，Mn2+激活低溫蛋白酶酶活，Fe3+抑制酶活，Ca2+、Zn2+、Mg2+、Co2+對酶活力影響較小或無明顯影響。Gupta等[27]研究表明，Ca2+對耐有機溶劑蛋白酶有抑制作用。Uttatree等[28]和柴金龍等[25]研究表明，Mg2+對耐有機溶劑蛋白酶和重組蛋白酶OSP有促進作用。本試驗中，化學試劑對酶活有不同的影響，對胃-胰蛋白酶耐受性差，再次證明5種堿性蛋白酶不適合長時間存在于動物體內。

飼用酶制劑作為高效、綠色的外源添加劑，能提高動物的生產性能，給養殖者帶來經濟效益。要大力發展飼用酶制劑的新結構，向規范化、精細化、安全化看齊，做到促消費、穩就業、服三農[29]。

4 結論

本試驗涉及的5種堿性蛋白酶，最適反應溫度有4種相同，熱穩定性不同，最適反應pH值相同，對pH值的耐受性不同，受金屬離子和化學試劑的影響不同，對胰-胃蛋白酶的耐受性均較差，酶促反應動力學不相同。綜上所述，不同的堿性蛋白酶有著不同的酶學特性，應用時要選擇適合的，發揮最大酶效應。