錢明華, 王云鵬, 張?jiān)疲?孫愛(ài)君, 于榮敏, 朱建華, 胡云峰
(1.暨南大學(xué) 中藥生物技術(shù)研究所, 廣東 廣州 510632; 2.廣州中醫(yī)藥大學(xué) 中藥學(xué)院, 廣東 廣州 510006;3.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所∥中國(guó)科學(xué)院 熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301;4.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所∥廣東省海洋藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301)
脂肪酶是一類重要的工業(yè)用酶,在洗滌劑、食品、調(diào)味工業(yè)、生物催化分解藥物及酯類和氨基酸衍生物、合成精細(xì)化學(xué)品、農(nóng)藥、生物傳感器、生物修復(fù)、化妝品和香料等工業(yè)均有廣泛的應(yīng)用[1].但是游離的脂肪酶難以回收,不能重復(fù)利用而不利于工業(yè)生產(chǎn).通過(guò)使用工業(yè)酶的固定化技術(shù),可以增加工業(yè)酶的使用次數(shù),極大地降低工業(yè)酶的使用成本.固定化工業(yè)酶的使用還可以進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)線的自動(dòng)化,從而降低目標(biāo)產(chǎn)物分離純化等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本[2].此外,固定化過(guò)程可以增強(qiáng)酶的儲(chǔ)存和酸堿等穩(wěn)定性[3],從而提高了工業(yè)酶的應(yīng)用性.因此脂肪酶等工業(yè)用酶的固定化技術(shù)具有極高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值.
目前,常用的酶固定化方式有4種:吸附法、共價(jià)結(jié)合法、包埋法和交聯(lián)法[4].在吸附法中,酶與載體間的作用力較弱,酶容易流失,因而導(dǎo)致固定化酶不穩(wěn)定;在包埋法中,由于載體的限制,酶與底物的接觸存在障礙,使得反應(yīng)速率降低;交聯(lián)法往往作為輔助手段,聯(lián)合其他方法進(jìn)行固定化;在共價(jià)結(jié)合法中,酶分子表面基團(tuán)可以與載體活性基團(tuán)間形成共價(jià)鍵,因此兩者連接牢固,不易分離,一般具有良好的穩(wěn)定性.由于環(huán)氧基團(tuán)在常溫下即可與酶蛋白表面的氨基酸殘基(氨基、羧基和巰基等) 發(fā)生溫和的開(kāi)環(huán)共價(jià)結(jié)合,從而將酶分子固定在載體表面[5],因此環(huán)氧樹(shù)脂作為載體在工業(yè)酶固定化領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力.已有科研人員將環(huán)氧樹(shù)脂作為載體進(jìn)行工業(yè)酶的固定化研究,并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[6].本研究篩選合適的工業(yè)用環(huán)氧樹(shù)脂,嘗試對(duì)工業(yè)脂肪酶進(jìn)行固定化研究,優(yōu)化出最佳固定化條件并考察了固定化酶的穩(wěn)定性,為基于環(huán)氧樹(shù)脂共價(jià)結(jié)合法固定化脂肪酶等工業(yè)用酶奠定良好工作基礎(chǔ).
1.1.1 酶與主要試劑
CAS# 9001-62-1脂肪酶,合肥博美生物科技有限責(zé)任公司;環(huán)氧樹(shù)脂LX-120、LX-1000,西安藍(lán)曉科技有限公司生產(chǎn);環(huán)氧樹(shù)脂ES-1、ES-103B、ES-105、ES-107,天津南開(kāi)和成科技有限公司生產(chǎn);異辛烷、AR,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉均為GENERAY BIOTECH 提供.
1.1.2 儀器與設(shè)備
Infinite M200 Pro多功能酶標(biāo)儀,瑞士Tecan;MIX-1 振蕩器,上海托莫斯科學(xué)儀器有限公司;TL5R 立式低速冷凍離心機(jī),湖南赫西儀器裝備有限公司;OJS-2012R 溫控?fù)u床,上海世平實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司.
1.2.1 脂肪酶的預(yù)處理
配制濃度為50 mmol/L、pH為7的PBS緩沖液12 mL,加入酶粉質(zhì)量72 mg,于4 ℃,3 000 r/min離心10 min,取上清液10 mL待用.
1.2.2 脂肪酶的固定化
(1)固定化過(guò)程 參考文獻(xiàn)[7-9],結(jié)合預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,確定脂肪酶的固定化操作流程如下:準(zhǔn)確稱取濕載體質(zhì)量1 g,加入處理完的含酶上清液 10 mL,在溫控?fù)u床上40 ℃、200 r/min振蕩反應(yīng)8 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用磷酸鈉緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,置于 4 ℃ 冷藏柜冷藏備用.
(2)固定化載體的篩選 準(zhǔn)確稱取濕載體ES-1、ES-103B、ES-105、ES-107、LX-120、LX-1000質(zhì)量各1 g,加入處理完的含酶上清液10 mL,在溫控?fù)u床上40 ℃、200 r/min振蕩反應(yīng)8 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用磷酸鈉緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,檢測(cè)不同固定化酶酶活力.
(3)緩沖液pH對(duì)固定化的影響 準(zhǔn)確稱取濕載體LX-120質(zhì)量1 g,加入濃度50 mmol/L、pH分別為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5的磷酸鈉緩沖液處理所得的含酶上清液 10 mL,在溫控?fù)u床上40 ℃、200 r/min振蕩反應(yīng)8 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用相應(yīng)的緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,檢測(cè)不同固定化酶酶活力.
(4)溫度對(duì)固定化的影響 準(zhǔn)確稱取濕載體LX-120質(zhì)量1 g,加入濃度50 mmol/L、pH為6.5的磷酸鈉緩沖液處理所得的含酶上清液 10 mL,分別在溫度為20、25、30、35、40、45、50 ℃的溫控?fù)u床上200 r/min振蕩反應(yīng)8 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用相應(yīng)的緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,檢測(cè)不同固定化酶酶活力.
(5)時(shí)間對(duì)固定化的影響 準(zhǔn)確稱取濕載體LX-120質(zhì)量1 g,加入濃度50 mmol/L、pH為6.5的磷酸鈉緩沖液處理所得的含酶上清液10 mL,在溫控?fù)u床上25 ℃、200 r/min分別振蕩反應(yīng)1、2、3、4、5、6 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用相應(yīng)的緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,檢測(cè)不同固定化酶酶活力.
(6)給酶量對(duì)固定化的影響 準(zhǔn)確稱取濕載體LX-120質(zhì)量1 g,加入濃度50 mmol/L、pH為6.5的磷酸鈉緩沖液處理的含酶量分別為300、400、500、600、700、800、900、1 000 U的上清液 10 mL,在溫控?fù)u床上25 ℃、200 r/min振蕩反應(yīng)2 h.反應(yīng)完成,過(guò)濾并用相應(yīng)的緩沖液洗滌,即得固定化酶,晾干12 h,40 ℃烘干4 h,檢測(cè)不同固定化酶酶活力.
1.2.3 正交試驗(yàn)
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,參考文獻(xiàn)[10],決定對(duì)酶固定化時(shí)的溫度、時(shí)間、pH、給酶量等4個(gè)影響因素進(jìn)行分析.設(shè)計(jì)脂肪酶固定化影響因素的水平(表1).
在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用L9(34)正交試驗(yàn)對(duì)脂肪酶固定化條件進(jìn)一步優(yōu)化(表2).
表1固定化正交實(shí)驗(yàn)因素水平表
Table1Theleveltableofimmobilizedorthogonalexperimentalfactors
水平m/(U·g-1)pHT/℃t/h16006.020128006.5252310007.0303
表2固定化L9(34)正交實(shí)驗(yàn)方案
Table2L9(34)orthogonalexperimentalschemeofimmobilization
組號(hào)m/(U·g-1)pHT/℃t/h16006.0201.026006.5252.036007.0303.048006.0253.058006.5301.068007.0202.071 0006.0302.081 0006.5203.091 0007.0251.0
1.2.4 固定化酶的穩(wěn)定性
(1)固定化酶的熱穩(wěn)定性 由優(yōu)化所得的條件制備固定化酶,將游離酶和固定化酶分別在30、40、50、60、70、80 ℃保溫2 h,然后測(cè)定各酶的酶活力.將游離酶、固定化酶在最佳反應(yīng)溫度60 ℃下分別保溫1、2、3、4、5、6、7 h,然后測(cè)定各酶的酶活力.
(2)固定化酶的酸堿穩(wěn)定性 將游離酶和固定化酶在pH分別為 4、5、6、7、8、9、10的環(huán)境下孵育2 h,然后測(cè)定各酶的酶活力.
(3)固定化酶的操作穩(wěn)定性 取所制備的固定化酶,60 ℃下反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾,濾渣用濃度為0.05 mol/L 的磷酸鈉緩沖液沖洗3遍,重復(fù)反應(yīng)10次.測(cè)定每1次反應(yīng)的固定化酶活力.
(4)固定化酶的儲(chǔ)存穩(wěn)定性 將所制備的固定化酶密封、避光存放于4 ℃冷藏柜中.分別在0、5、10、15、20、25、30 d測(cè)定酶活力.
1.3.1 游離脂肪酶的酶活測(cè)定
脂肪酶酶活定義為:以乳化橄欖油為底物,在測(cè)定條件下(40 ℃,pH 7.0),1 min 內(nèi)催化底物水解產(chǎn)生1 μmol脂肪酸所需的酶量為 1個(gè)酶活單位(U).本研究采用改進(jìn)銅皂-分光光度法的實(shí)驗(yàn)條件和反應(yīng)體系[11],使用Infinite M200 Pro多功能酶標(biāo)儀測(cè)定.
1.3.2 固定化脂肪酶的酶活測(cè)定
精確稱取固定化酶質(zhì)量0.1 g,采用改進(jìn)銅皂-分光光度法的實(shí)驗(yàn)條件和反應(yīng)體系,使用Infinite M200 Pro多功能酶標(biāo)儀測(cè)量其吸光度.
1.3.3 固定化脂肪酶回收率的計(jì)算
固定化脂肪酶酶活回收率的計(jì)算公式為:
式中:A為固定化脂肪酶回收率,W0為固定化酶酶活,W1為加入的游離酶總活力,W2為離心后上清液酶活.
1.3.4 正交試驗(yàn)
1.3.5 相對(duì)酶活
在某一參數(shù)的測(cè)定過(guò)程中,以該實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的酶活力最大值為100%,該組實(shí)驗(yàn)其他條件下測(cè)定的酶活力與最大值的比值(%)稱為相對(duì)酶活.
從多種不同類的環(huán)氧樹(shù)脂中篩選了6種環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)脂肪酶進(jìn)行固定化研究.由于不同的環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基團(tuán)類型、數(shù)目以及樹(shù)脂含水量等參數(shù)不同,不同環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)脂肪酶固定化效果有著顯著差異.環(huán)氧樹(shù)脂LX-120 固定化效率明顯優(yōu)于其他5種樹(shù)脂(圖1).因此選擇環(huán)氧樹(shù)脂LX-120作為脂肪酶的固定化載體進(jìn)一步研究.
2.2.1 pH值對(duì)酶固定化的影響
其他條件不變,pH值對(duì)酶固定化的影響(圖2A).緩沖液的酸堿性對(duì)酶活性影響較大[12].強(qiáng)酸強(qiáng)堿甚至?xí)?dǎo)致蛋白質(zhì)變性和失活.當(dāng)pH 值為5.5到6.5時(shí),隨著pH 值升高,固定化酶酶活升高;當(dāng)pH超過(guò)6.5時(shí),固定化酶酶活隨著pH 值升高而逐漸降低,固定化酶在pH 值為6.5時(shí)有最好的固定化效果.因此確定pH 值6.5為最佳固定化pH 值.
圖1 不同環(huán)氧樹(shù)脂固定化脂肪酶的效果
2.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)酶固定化的影響
其他條件不變,反應(yīng)溫度對(duì)酶固定化的影響(圖2B).當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí),固定化酶有最好的固定化效果.酶的固定化是一個(gè)吸熱的過(guò)程[13],故而在20~25 ℃,固定化酶酶活隨著溫度升高而增加.25~50 ℃,固定化酶酶活逐漸降低.環(huán)氧樹(shù)脂固定化酶脂肪酶為共價(jià)結(jié)合過(guò)程,當(dāng)溫度超過(guò)25 ℃,溫度可能會(huì)影響共價(jià)鍵的形成[3,14].因此,確定脂肪酶最佳固定化溫度為25 ℃.
2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶固定化的影響
其他條件不變,反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶固定化的影響(圖2C).最佳反應(yīng)時(shí)間為2 h.在1 ~2 h內(nèi),隨著固定化時(shí)間的延長(zhǎng),酶與載體結(jié)合越來(lái)越牢固,固定化效果也越來(lái)越好.2 h后,脂肪酶與載體的結(jié)合到達(dá)飽和狀態(tài),固定化酶的酶活出現(xiàn)下降的趨勢(shì),這與部分文獻(xiàn)[13]結(jié)果一致,造成該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng),酶分子活性基團(tuán)與載體的有效基團(tuán)結(jié)合,導(dǎo)致蛋白分子結(jié)構(gòu)改變.
2.2.4 給酶質(zhì)量對(duì)酶固定化的影響
其他條件不變,給酶質(zhì)量對(duì)酶固定化的影響(圖2D).在300~800 U,隨著給酶質(zhì)量的增加,酶與載體結(jié)合越來(lái)越多,固定化酶活力也越來(lái)越高,酶活回收率隨之降低.隨著吸附質(zhì)量增加,樹(shù)脂表面基團(tuán)結(jié)合達(dá)到飽和,脂肪酶難以再吸附到載體表面.達(dá)到800 U后,隨著給酶質(zhì)量增加,固定化酶活力變化不大,但是回收率持續(xù)降低.如果繼續(xù)增加給酶質(zhì)量,一方面過(guò)多的酶蛋白會(huì)增加空間位阻,導(dǎo)致固定化酶活力降低;另一方面,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,會(huì)造成游離酶的浪費(fèi).綜上,確定給酶質(zhì)量為800 U.
A:反應(yīng)pH對(duì)固定化的影響;B:反應(yīng)溫度對(duì)固定化的影響;C:反應(yīng)時(shí)間對(duì)固定化的影響;D:給酶質(zhì)量對(duì)脂肪酶固定化的影響.
A: effect of reaction pH on immobilization; B: effect of reaction temperature on immobilization; C: effect of reaction pH on immobilization; D: effect of enzyme loading on immobilization.
圖2 各因素對(duì)固定化的影響
Fig.2 Effect of Various factors on immobilization
實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)4個(gè)因素對(duì)固定化的影響從大到小依次為給酶質(zhì)量(A)、固定化溫度(C)、pH(B)、固定化時(shí)間(D)(表3),而由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(表4)可知,4個(gè)因素中,給酶質(zhì)量(A)對(duì)固定化有顯著影響(F比=3.728>F臨界=3.110),與給酶質(zhì)量對(duì)固定化有最大影響的分析結(jié)果一致.正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化所得最佳的固定化條件組合為A1B2C3D3,即給酶質(zhì)量600 U, pH 6.5,固定化3 h,固定化溫度30 ℃;由上述條件制備所得的固定化酶酶活回收率最高,為95.42%,此時(shí)固定化酶酶活力為(357.03±7.09) U/g.
2.4.1 固定化酶的熱穩(wěn)定性
固定化酶的最適反應(yīng)溫度為60 ℃,和游離酶的最適反應(yīng)溫度基本一致(圖3A).將固定化酶在最佳反應(yīng)溫度60 ℃下分別保溫1、2、3、4、5、6、7、8 h,然后測(cè)定各酶的酶活力(圖3B).隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),固定化酶的酶活呈下降的趨勢(shì).保溫7 h,固定化酶活力保留66.21%,而游離酶活力保留約55.47%,固定化酶的熱穩(wěn)定性整體優(yōu)于游離酶(圖3).
表3環(huán)氧樹(shù)脂共價(jià)結(jié)合固定化脂肪酶L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果1)
Table3L9(34)orthogonalexperimentalresultsofepoxyresinwithcovalentlyimmobilizedLipase
實(shí)驗(yàn)號(hào)(A)m/(U·g-1)(B) pH(C)T/℃(D)t/h固定化酶酶活回收率/%1111175.892122286.823133387.514212360.545223165.286231254.247313245.498321345.809332138.86K1250.22181.92175.93180.03K2180.06197.90186.22186.55K3130.15180.61198.28193.85k183.4160.6458.6460.01k260.0265.9762.0762.18k343.3860.2066.0964.62極差R40.035.777.454.61主次順序w>T>pH>t優(yōu)水平A1B2C3D3優(yōu)組合A1B2C3D3
1)K為該因素在該水平下酶活力回收率之和;k為該因素在該水平下酶活回收率平均值;R為各因素極差.
表4L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析
Table4AnalysisofvarianceofL9(34)orthogonalexperimentalresults
方差來(lái)源m/(U·g-1)1)pHT/℃t/h偏差平方和2 425.5861.7883.4331.87自由度2222F比3.7280.0950.1280.049F臨界值(a=0.10)3.1103.1103.1103.110
1)F比>F臨界值(a=0.10)表示該因素具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.
2.4.2 固定化酶的酸堿穩(wěn)定性
游離酶的最適反應(yīng)pH為4,而固定化酶的最適反應(yīng)pH為7左右(圖4A);在pH大于6 的環(huán)境中,酶活力均隨著pH增加而降低,但是同一pH下,固定化酶的酶活力保留均高于游離酶(圖4B).因此,固定化酶的酸堿穩(wěn)定性整體優(yōu)于游離酶.
2.4.3 固定化酶的操作穩(wěn)定性
固定化酶的操作穩(wěn)定性決定了固定化酶的重復(fù)使用性能(圖5A).隨著使用次數(shù)的增加,固定化酶的酶活逐漸降低.連續(xù)使用10次后,固定化酶的酶活仍保留初始酶活的64.21%.因此,此脂肪酶經(jīng)固定化后具有較好的操作穩(wěn)定性;相比較游離酶以粉狀形式在溶液中起作用,1次使用后即很難回收使用,從而增大了工業(yè)酶的使用成本.
2.4.4 固定化酶的儲(chǔ)存穩(wěn)定性
環(huán)氧樹(shù)脂儲(chǔ)存穩(wěn)定性是固定化酶穩(wěn)定性的重要應(yīng)用指標(biāo)(圖5B).基于環(huán)氧樹(shù)脂制備的固定化脂肪酶在儲(chǔ)存30 d后,固定化酶活力保留78.14%,因此,所制備的固定化脂肪酶具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性.
A:固定酶和游離酶的最適反應(yīng)溫度;B:游離酶和固定化酶在60 ℃下的熱穩(wěn)定性比較.
A:固定酶和游離酶的最適反應(yīng)pH;B:游離酶和固定化酶pH穩(wěn)定性.
A:固定化酶操作穩(wěn)定性;B:固定化酶儲(chǔ)存穩(wěn)定性
目前,應(yīng)用于固定化的環(huán)氧樹(shù)脂多為Eupergit C等昂貴的國(guó)外進(jìn)口環(huán)氧樹(shù)脂[15-16],如Knezevic等[6]在Eupergit C上固定化褶皺假絲酵母脂肪酶(pH 7.0,4 ℃,48 h),當(dāng)給酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0 mg/g時(shí),酶活回收率高達(dá)92.5%;該固定化酶50 ℃保溫7 h,酶活保留約22%,75 ℃保溫7 h,酶活保留約18%.Martín等[8]在Eupergit C上固定化環(huán)糊精葡糖基轉(zhuǎn)移酶(pH 7.0,25 ℃,48 h),當(dāng)給酶質(zhì)量濃度為8.1 mg/mL時(shí),固定化酶酶活回收率約為80%,可溶性和固定化的酶表現(xiàn)出相似的最佳溫度和pH值,但固定化酶的最佳pH值更高;該固定化酶在85 ℃下保溫1 h,酶活保留90%;重復(fù)操作10次,酶活保留40%.本研究與Eupergit C樹(shù)脂相比,國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹(shù)脂LX-120對(duì)脂肪酶的固定化性能相似,酶活回收率高達(dá)95.42%;與游離酶相比,固定化脂肪酶的熱穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性均有明顯提升;固定化脂肪酶在連續(xù)反應(yīng)10次后,酶活仍保留64.21%,操作穩(wěn)定性較好;固定化脂肪酶在4 ℃下儲(chǔ)存30 d,仍保留78.14%的活力;且固定化反應(yīng)過(guò)程條件溫和(pH 6.0,30 ℃),固定化時(shí)間只需3 h,對(duì)脂肪酶的活性影響小,應(yīng)用于脂肪酶的工業(yè)固定化較為便利,所得的固定化酶在某些性能上甚至更優(yōu)良.
本研究以國(guó)產(chǎn)工業(yè)用環(huán)氧樹(shù)脂LX-120為載體,通過(guò)共價(jià)結(jié)合法固定化重要的工業(yè)用酶—脂肪酶.在對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固定化脂肪酶的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化后,所制備的固定化酶酶活可達(dá)(357.03±7.09)U/g;由于環(huán)氧樹(shù)脂是依靠環(huán)氧基團(tuán)與脂肪酶反應(yīng)進(jìn)行固定化的,酶活回收率高達(dá)95.42%.而且本研究中基于環(huán)氧樹(shù)脂制備的固定化脂肪酶具有良好的操作穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性,固定化酶的溫度及酸堿度適用范圍更廣.
有研究表明,有機(jī)相中對(duì)某些酶共價(jià)固定化有利于維持酶蛋白的天然構(gòu)象,一定程度克服傳統(tǒng)水相中共價(jià)固定化導(dǎo)致的酶失活現(xiàn)象[17],因此后續(xù)本研究小組將繼續(xù)探討有機(jī)試劑及金屬離子對(duì)LX-120固定化脂肪酶的影響.