多孔殼聚糖固定酵母蛋白酶條件的優(yōu)化及酶學(xué)性質(zhì)分析

姚曉瑞寧，高飛飛，王 斌，肖 婧，賈晨坤，王順利，史學(xué)偉*

（1.石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆石河子，832000；2.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆石河子，832000；3.新疆唐庭霞露酒莊有限公司，新疆五家渠，831300）

多孔殼聚糖固定酵母蛋白酶條件的優(yōu)化及酶學(xué)性質(zhì)分析

姚曉瑞寧1，高飛飛1，王 斌1，肖 婧2，賈晨坤1，王順利3，史學(xué)偉1*

（1.石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆石河子，832000；2.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆石河子，832000；3.新疆唐庭霞露酒莊有限公司，新疆五家渠，831300）

以多孔殼聚糖微球固定酵母蛋白酶，通過對戊二醛含量、吸附時(shí)間、固定化溫度、pH進(jìn)行了單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，以蛋白酶酶活回收率為評價(jià)指標(biāo)，確定的固定化條件為戊二醛含量1.4%，吸附溫度27℃，pH值為10，吸附時(shí)間24 h。在此最佳條件下，固定化酵母蛋白酶酶活回收率為68.8%。酶學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果表明，固定化酶最佳反應(yīng)溫度較游離酶升高10℃，最佳作用pH較游離酶向堿性方向偏移1個(gè)pH單位。因此，用多孔殼聚糖對酵母蛋白酶進(jìn)行包埋可以提高蛋白酶活性。

多孔殼聚糖；蛋白酶；固定化；酶學(xué)性質(zhì)

酶作為一種天然的高分子催化劑，因其具有極高的專一性、反應(yīng)條件溫和、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在食品加工、醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)中有著極為廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而，游離酶的不穩(wěn)定和容易變性等缺點(diǎn)限制了其在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用。固定化酶的研究最早可以追溯到1916年，有學(xué)者首先發(fā)現(xiàn)被骨碳粉末吸附的酵母蔗糖酶仍具有催化活性[2]。由于傳統(tǒng)酶固定化技術(shù)存在缺陷，能用于規(guī)模生產(chǎn)的還僅限于葡萄糖異構(gòu)酶、葡萄糖氧化酶和青霉素?；傅葹閿?shù)不多的幾個(gè)酶種。

盡管蛋白酶的來源廣泛，但是酶穩(wěn)定性較差，在pH、溫度和無機(jī)離子等因素的影響下，易變性失活，酶在反應(yīng)結(jié)束之后又難以重復(fù)利用，因此難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化酶反應(yīng)[3]。固定化酶相比于游離酶穩(wěn)定性有較大提高，對熱、pH等的穩(wěn)定性也提高，對抑制劑的敏感性降低，易于分離，改善了后處理過程。本研究以多孔殼聚糖微球?yàn)檩d體，固定化酵母蛋白酶，以提高酶的利用率，并對吸附時(shí)間、戊二醛濃度、固定化pH、吸附溫度進(jìn)行了探索，制定了蛋白酶固定化的最佳工藝，并對固定化酶特性進(jìn)行了研究，為蛋白酶固定化研究提供了理論支持。固定化酶相比于游離酶對熱、pH等條件的穩(wěn)定性有所提高，而且對酶抑制劑的敏感性降低，易于分離，改善了后處理過程[4-5]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氫氧化鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸銨、氯化鈣、福林酚試劑、三氯乙酸（均為分析純）：天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；氯化鉀、氯化銨、檸檬酸、檸檬酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉（均為分析純）：天津永晟精細(xì)化工有限公司；醋酸、殼聚糖、戊二醇、無水乙醇、Span-80、Tween-60、液體石蠟、乙醚、干酪素、酪氨酸（均為分析純）：上海浦山化工有限公司；蛋白酶（3 000 U/g）天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2802SH紫外可見分光光度計(jì)：尤尼柯（上海）儀器有限公司、PHS-3C精密酸度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；DK-8D電熱恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；JJ-1磁力攪拌器：上海國華電器有限公司；FD-1B冷凍干燥機(jī)：上海廈美生化科技發(fā)展有限公司；CX21FS1光學(xué)顯微鏡：日本Olympus公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 殼聚糖微球的制備

取2 g殼聚糖干粉充分溶于100 mL冰乙酸（1.7%），在室溫下攪拌殼聚糖完全溶解至溶液澄清透明，以100 mL殼聚糖溶液為水相，以488mL甲苯（含7mLSpan-80和2mL Tween-60）為有機(jī)相，邊攪拌邊滴加殼聚糖溶液，混合物1 100r/min攪拌60min形成乳液。隨后加入10mL戊二醛溶液繼續(xù)攪拌固定60 min。最后混合物用蒸餾水充分洗滌直至形成水凝膠狀微球，透明無異味為止[6]。收集的微球用不同體積分?jǐn)?shù)（30%、50%、80%、95%、100%）的乙醇脫水，用乙醚干燥后存儲于密封袋。

1.3.2 固定化酶的制備

取適量的微球置于三角瓶中，加入pH 10.0硼酸鹽緩沖液10 mL，放置24 h，使其充分溶脹，然后抽干備用。添加一定量的蛋白酶溶液，于一定溫度吸附適量的時(shí)間，然后滴入pH 10.0的硼酸鹽緩沖液配制的一定濃度戊二醛溶液，并加入一定量的牛血清蛋白（bovine serum albumin，BSA）作為保護(hù)劑，一定溫度下交聯(lián)一段時(shí)間，剩余的戊二醛溶液倒出[7]，吸干水分冷凍干燥后得到固定化酶。用去離子水洗去固定化蛋白酶中殘留的戊二醛，測定其酶活[8]，并計(jì)算酶活回收率（recoveryrateofenzymeactivity，RRA），其計(jì)算公式如下[9]：

1.3.3 蛋白酶酶活的測定

利用福林-酚法測定蛋白酶的活力[10]。蛋白酶酶活定義：在pH11，40℃條件下，1 min內(nèi)產(chǎn)生1 mg酪氨酸所需的酶量（g）為一個(gè)酶活力單位（U）。

式中：A為樣品平行試驗(yàn)的平均OD680nm值；K為吸光常數(shù)；4為反應(yīng)試劑的總體積，mL；10為酶解反應(yīng)時(shí)間，min；n為酶液稀釋總倍數(shù)。

酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：將酪氨酸于105℃烘2 h，精確稱取0.100 0 g，加少量0.2 mol/L鹽酸加熱溶解，用蒸餾水定容到1 000 mL（每毫升含酪氨酸100.0 μg），取5支試管，按表1加樣，各加入0.4 mol/L碳酸鈉5 mL及已稀釋福林試劑1 mL，搖勻于40℃恒溫水浴鍋中發(fā)色20 min，以0號管為空白，在波長680 nm處進(jìn)行比色。以吸光度值OD680nm為縱坐標(biāo)，以酪氨酸含量（μg/mL）為橫坐標(biāo)，繪制酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制Table 1 Drawing of tyrosine standard curve

（2）樣品中蛋白酶酶活的測定

在試管中加入1 mL酶液，于40℃恒溫水浴鍋中預(yù)熱20 min，再加入同樣經(jīng)過預(yù)熱酪蛋白溶液（精確稱取干酪素2.000 g，加入0.1 mol/L NaOH 10 mL，在水浴鍋中加熱使其溶解，然后用pH 7.2磷酸鹽定容至100 mL）1 mL，精確保溫10 min，再加入三氯乙酸2 mL以終止反應(yīng)，繼續(xù)置于水浴鍋中保溫20 min，使蛋白質(zhì)沉淀后離心或過濾，取濾液1 mL，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法測定樣液吸光度值OD680nm?？瞻讓φ諟y定方法同上。在加酪蛋白之前先加三氯乙酸使酶失活再加入酪蛋白溶液。

1.3.4 固定化條件優(yōu)化單因素試驗(yàn)

分別于5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃條件下固定蛋白酶，加入10 mL、pH值分別為7、8、9、10、11、12硼酸鹽緩沖液使其充分溶脹，之后分別加入10 mL酶液，置于不同溫度下分別吸附4 h、8 h、14 h、18 h、24 h、28 h，分別加入50%（V/V）的戊二醛使其含量分別為0.2%、0.6%、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%，于4℃條件下交聯(lián)12 h后將燒杯中溶液倒出，用去離子水洗去殘留的戊二醛，測定其酶活并計(jì)算酶活回收率，3次平行試驗(yàn)[11]。

1.3.5 固定化條件優(yōu)化正交試驗(yàn)

以固定化pH、吸附溫度、戊二醛含量和吸附時(shí)間為影響因素，以蛋白酶酶活回收率為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 固定化條件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for immobilized conditions optimization

1.3.6 固定化蛋白酶酶學(xué)性質(zhì)分析[12]

（1）最適pH

取適量的游離蛋白酶和固定化蛋白酶，在緩沖液0.2 mol/L、pH值分別為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0的條件下。在40℃條件下測兩種酶活力，以游離酶和固定化酶活力最大值為100%，用酪蛋白作為底物，測定游離酶和固定化酶不同pH條件下的相對酶活。

（2）最適反應(yīng)溫度

取適量游離蛋白酶和固定化蛋白酶各自最適pH環(huán)境中，不同的溫度依次為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃因素中。以游離酶和固定化酶活力最大值為100%，用酪蛋白作為底物，測定游離酶和固定化酶不同溫度條件下相對酶活。

（3）固定化酶儲存穩(wěn)定性

稱取一定量蛋白酶和固定化蛋白酶，各自最適的溫度、最適的pH條件下，分別保存6 d、7 d、8 d、9 d、10 d、11 d、12 d，用酪蛋白作為底物，測定游離酶和固定化酶不同保存時(shí)間的相對酶活。

2 結(jié)果與分析

2.1 酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

以O(shè)D680nm值（y）為縱坐標(biāo)，酪氨酸溶液的質(zhì)量濃度（x）為橫坐標(biāo)，繪制酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。由圖1可知，L-酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=0.011 4x+0.001 7，相關(guān)系數(shù)R2為0.999 2，表明酪氨酸在0～50 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)吸光度值之間線性關(guān)系良好。

圖1 酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of tyrosine

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 吸附溫度的影響

圖2 吸附溫度對酶活回收率的影響Fig.2 Effect of adsorbent temperature on enzyme activity recovery rate

由圖2可知，吸附溫度在5～30℃時(shí)，酶活回收率表現(xiàn)為先增高后下降的現(xiàn)象。當(dāng)吸附溫度在0～25℃時(shí)，酶活回收率隨著吸附溫度的增加而升高；當(dāng)固定化溫度達(dá)到25℃時(shí)，酶活回收率達(dá)到最大64.6%；當(dāng)吸附溫度＞25℃之后，酶活回收率出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。因此，最佳吸附溫度為25℃。

2.2.2 固定化pH的影響

圖3 固定化pH對酶活回收率的影響Fig.3 Effect of immobilized pH on enzyme activity recovery rate

由圖3可知，在pH在7～11時(shí)，酶活回收率也隨著pH值的增大而增加；當(dāng)pH達(dá)到11時(shí)，酶活回收率達(dá)到最大62%，當(dāng)pH為11～12時(shí)，酶活回收率呈現(xiàn)為下降趨勢，可能是因?yàn)闅ぞ厶鞘躳H影響，過高pH會導(dǎo)致殼聚糖的完整性受到破壞。因此，最佳固定化pH值為11。

2.2.3 吸附時(shí)間的影響

圖4 吸附時(shí)間對酶活回收率的影響Fig.4 Effect of adsorbent time on enzyme activity recovery rate

由圖4可知，吸附時(shí)間在4～18 h時(shí)，酶活回收率隨著時(shí)間增加而增大；吸附時(shí)間為24 h時(shí)，酶活回收率到達(dá)最高值64.6%；吸附時(shí)間在18～24 h時(shí)，酶活回收率隨吸附時(shí)間的延長而出現(xiàn)下降。隨著交聯(lián)時(shí)間的不斷延長，戊二醛與二者的交聯(lián)反應(yīng)逐漸達(dá)到平衡，載體上的酶蛋白結(jié)合位點(diǎn)也不斷被飽和，當(dāng)交聯(lián)時(shí)間進(jìn)一步增加，固定到載體上的酶蛋白的基本恒定[13]，但是戊二醛對固定化酶蛋白的變性作用依舊存在，并起著主導(dǎo)作用，從而降低了固定到殼聚糖微球上的蛋白酶的活性，最終使得酶活回收率降低。因此，最佳吸附時(shí)間為24 h。

2.2.4 戊二醛含量的影響

圖5 戊二醛含量對酶活回收率的影響Fig.5 Effect of glutaraldehyde content on enzyme activity recovery rate

由圖5可知，戊二醛含量為0.2%～2.2%時(shí)，酶活回收率先增高后下降。當(dāng)戊二醛含量0.2%～1.4%，酶活回收率隨戊二醛含量增加有不同程度升高，這是因?yàn)槲於┤芤嚎梢詫⑽⑶虮砻婧兔阜肿踊ハ嗑o密交聯(lián)，形成酶分子及微球表面牢固的連接在一起，所以酶活回收率增高；當(dāng)戊二醛含量為1.4%時(shí)，酶活回收率為最高64%；當(dāng)戊二醛含量＞1.4%時(shí)，酶活回收率出現(xiàn)降低，這可能因?yàn)檫^高濃度的戊二醛，高濃度的戊二醛溶液中戊二醛內(nèi)部羥醛縮合反應(yīng)，產(chǎn)物將會附于微球表面，導(dǎo)致酶的固定化過程難以進(jìn)行，因而導(dǎo)致酶活回收率下降。因此，最佳戊二醛含量為1.4%[14]。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

以固定化pH、吸附時(shí)間、戊二醛含量和吸附時(shí)間為影響因素，以蛋白酶酶活回收率為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平的正交試驗(yàn)，其結(jié)果與分析見表3。

表3 固定化條件優(yōu)化優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for immobilized conditions optimization

由表3可知，各因素對結(jié)果影響由大到小順序?yàn)镃＞D＞A＞B，即戊二醛含量＞吸附溫度＞固定化pH＞吸附時(shí)間，最優(yōu)水平組合為A2B3C2D2，即固定化pH值為10、吸附時(shí)間24h、戊二醛含量1.4%、吸附溫度27℃，在此最佳條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，固定化蛋白酶的酶活回收率是68.6%。

2.4 酶學(xué)性質(zhì)分析

2.4.1 固定化酶的最適pH

圖6 固定化酶的最適pHFig.6 Optimum pH of immobilized enzyme

由圖6可知，固定化酶和游離酶在以酪蛋白為底物進(jìn)行反應(yīng)時(shí)的最適pH分別為9和10，游離酶的最適pH比固定化酶的最適pH高了1個(gè)值。這可能是因?yàn)楣潭ɑ傅倪^程中，殼聚糖分子中含有大量的羥基和氨基，所以制備的殼聚糖微球帶有大量的正電荷，這一性質(zhì)將影響溶液中的負(fù)離子集中在擴(kuò)散層，致使酶分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之間的作用力（疏水相互作用力、氫鍵、離子相互作用等）減弱，所以導(dǎo)致固定化酶的pH值有所降低[15]。

2.4.2 固定化酶的最適反應(yīng)溫度

圖7 固定化酶的最適反應(yīng)溫度Fig.7 Optimum reaction temperature of immobilized enzyme

由圖7可知，游離酶和固定化酶在30～50℃溫度區(qū)間，隨著溫度的上升，酶的活力均表現(xiàn)為增加。但在70～90℃溫度區(qū)間游離酶活力出現(xiàn)大幅度的降低，所以游離蛋白酶最適溫度為50℃，固定化酶最適溫度為60℃。由此可知，固定化酶比游離酶的最適溫度高了10℃，說明固定化酶的耐熱性更高。

2.4.3 固定化酶的儲存穩(wěn)定性

圖8 固定化酶的儲存性Fig.8 Storage of immobilized enzyme

由圖8可知，于4℃、儲存11 d對，游離酶以及固定化酶活力分別剩余為15%、48%。由此可知，在相同條件下，顯然固定化酶的儲存能力大于游離酶，固定化酶儲存性得到了明顯提高。這是由于固定化酶構(gòu)象緊密程度升高，減少酶分子內(nèi)部間的反應(yīng)過程，并且還可以阻擋外部的環(huán)境破壞，所以固定化酶比游離酶具有較高儲存性。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，固定化蛋白酶最優(yōu)培養(yǎng)條件為吸附溫度27℃，固定化pH值為10，吸附時(shí)間24 h，戊二醛含量1.4%。在此最佳條件下，蛋白酶酶活回收率為68.6%。游離酶的最適pH比固定化酶的最適pH提高了1個(gè)單位，因此固定化酶表現(xiàn)出更好耐酸性；固定化酶比游離酶的最適溫度提高了10℃，因此固定化酶的耐熱性較游離酶較高；固定化酶的熱穩(wěn)定性較游離酶有了顯著提高；在相同條件下，固定化酶的儲存能力大于游離酶，固定化酶儲存性得到了明顯提高。

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Optimization of immobilized conditions of yeast protease by porous chitosan and analysis of its enzymatic properties

YAO Xiaoruining1,GAO Feifei1,WANG Bin1,XIAO Jing2,JIA Chenkun1,WANG Shunli3,SHI Xuewei1*(1.College of Food Science,Shihezi University,Shihezi 832000,China;2.College of Information Science and Technology,Shihezi University, Shihezi 832000,China;3.Xinjiang Tang-Ting-Xia-Lu Chateau Co.,Ltd.,Wujiaqu 831300,China)

The yeast protease was immobilized by porous chitosan microspheres.The glutaraldehyde content,adsorption time,immobilization temperature and pH were determined by single factor and orthogonal experiments.Using the protease activity recovery as evaluation index,the immobilized conditions were as follows:glutaraldehyde content 1.4%,adsorption temperature 27℃,pH 10 and adsorption time 24 h.Under the optimal conditions,the recovery rate of immobilized yeast protease activity was 68.8%.The results of enzymatic properties analysis showed that the optimum reaction temperature of immobilized enzyme was 10℃higher than that of free enzyme,and its optimal pH moved to alkaline direction by 1 pH unit compared with the free enzyme.Therefore,embedding of yeast protease by porous chitosan could improve the protease activity.

porous chitosan;protease;immobilization;enzymatic properties

Q814.2

0254-5071（2017）01-0146-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.01.031

2016-10-19

兵團(tuán)科技攻關(guān)計(jì)劃（2015AB016）；科技和金融結(jié)合財(cái)政貼息類項(xiàng)目（2016TX49）

姚曉瑞寧（1994-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩锛夹g(shù)。

*通訊作者：史學(xué)偉（1980-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)生物技術(shù)。