劉聰燕,李瑞云,馬程遙,劉玉萍,瞿 鼎,李曉琦,陳 彥*
1.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院,江蘇 南京 210028
2.江蘇省中醫(yī)藥研究院,中藥組分與微生態(tài)研究中心,江蘇 南京 210028
寶藿苷I 是來源于小檗科淫羊藿屬植物淫羊藿Epimedium brevicirnuMaxim.的一種稀有次級黃酮苷,具有顯著的抗腫瘤、抗骨質(zhì)疏松等藥理活性[1-2],但原植物中寶藿苷I 的含量非常低,只有0.01%~0.25%,而市售高純度寶藿苷I 的價格約為每克7000元人民幣[3]。淫羊藿苷是淫羊藿中含量最豐富的一種原型苷,價廉易得,由于其具有與寶藿苷I 相同的8-異戊烯基黃酮骨架,通過體外酶生物轉(zhuǎn)化的方法脫去其C-7 位葡萄糖基,即可制備藥理活性更強(qiáng)的寶藿苷I,故其可作為獲取寶藿苷I 的原料藥[4-5]。
β-葡萄糖苷酶又稱β-D-葡萄糖苷水解酶(EC 3.2.1.21,β-glucosidase,β-Glc),是一種廣泛存在于植物、動物和微生物中的纖維素水解酶。研究表明,在溫和的條件下,β-Glc 可定向水解淫羊藿苷為寶藿苷I,但存在價格昂貴、壽命短、易于變性或降解、難以回收和再利用等缺陷。采用吸附、包埋、交聯(lián)、共價結(jié)合等方法將酶固定在適宜載體材料上,可有效延長酶的使用壽命,提高其重復(fù)利用性能,降低生產(chǎn)成本[6-8]。SBA-15 型介孔二氧化硅(SBA-15)具有高度有序的2D 六邊形通道結(jié)構(gòu)、較寬的孔徑分布(5~30 nm)和良好的機(jī)械化學(xué)性能,是酶固定化的理想載體[9-10]。本研究采用吸附-交聯(lián)法制備殼聚糖(chitosan,CS)交聯(lián)SBA-15 固定化β-Glc(SBA-Glc-CS),通過對其理化性質(zhì)、酶泄露行為、最適酶解條件、酶解動力學(xué)和重復(fù)利用性進(jìn)行考察,證明了SBA-Glc-CS 促進(jìn)淫羊藿苷高效轉(zhuǎn)化為寶藿苷I 的潛力,從而為寶藿苷I 的綠色工業(yè)化生產(chǎn)提供新的思路和技術(shù)方法。
Waters Acquity ARC 高效液相色譜儀,美國Waters 公司;MS205DU 十萬分之一天平,梅特勒-托利多儀器有限公司;THZ-82AHS 氣浴恒溫恒速振蕩器,江蘇金壇市金城國勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;JEM-2100 型透射電子顯微鏡(TEM),日本JEOL 公司;Tescan MAIA3 LM 超高分辨場發(fā)射掃描電鏡(SEM),捷克Tescan 公司;Nicolet iS10 傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、1510 Multiskan GO 酶標(biāo)儀,美國Thermo Fisher Scientific 公司;TRISTAR3020 比表面積與孔隙度分析儀,美國Mike 公司。
β-Glc,酶活≥6 U/mg,美國Sigma 公司;SBA-15,江蘇先豐納米材料科技有限公司;殼聚糖,脫乙酰度≥95%,上海麥克林生物化學(xué)有限公司;25%戊二醛水溶液,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;淫羊藿苷、寶藿苷I 對照品,批號分別為20110206、20120222,HPLC 測定質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≥98%,供含量測定用,購于上海源葉生物科技有限公司;BCA 試劑盒,美國Thermo Fisher Scientific 公司;甲醇為色譜純,水為超純水,其余試劑均為分析純。
2.1.1 酶活力測定方法 以淫羊藿苷為底物,在50 ℃、pH 6.0 條件下與適量酶振蕩反應(yīng)1 h 后,加入9 倍量甲醇終止反應(yīng),渦旋離心后,取上清液進(jìn)行HPLC 檢測,計(jì)算酶活力、相對酶活力、酶活回收率和淫羊藿苷轉(zhuǎn)化率。
酶活力可定義為在50 ℃、pH 6.0 條件下,1 g酶每小時水解消耗淫羊藿苷的物質(zhì)的量,表示為μmol/(h·g)。
相對酶活力=酶活力/最高酶活力,最高酶活力為同組實(shí)驗(yàn)中活力最高點(diǎn)的值,計(jì)為100%
酶活回收率=固定化酶總活力/被固定的游離酶總活力
轉(zhuǎn)化率=(反應(yīng)初始淫羊藿苷量-反應(yīng)終止淫羊藿苷量)/反應(yīng)初始淫羊藿苷量
色譜條件:依利特Supersil ODS2 色譜柱(150 mm×4.6 mm,5 μm);流動相為甲醇-0.1%甲酸水溶液:0~7 min,70%甲醇;7~8 min,70%~80%甲醇;8~20 min,80%甲醇;檢測波長270 nm;體積流量1.0 mL/min;柱溫30 ℃,進(jìn)樣量10 μL。HPLC 色譜圖見圖1。
2.1.2 載酶量測定方法 采用二辛可寧酸(BCA)法,以牛血清蛋白(BSA)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X),吸光度(A)值為縱坐標(biāo)(Y)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為Y=0.007 9X+0.009 6,R2=0.998 9,結(jié)果表明BSA 在2.8~166.7 μg/mL 與A值呈良好的線性關(guān)系。
圖1 混合對照品 (A) 和酶水解樣品 (B) 溶液的HPLC 色譜圖Fig.1 HPLC of mixed standard solution (A) and sample solution after enzymatic hydrolysis (B)
將待測樣品溶液的A值代入回歸方程,計(jì)算固定化酶的載酶量和固定率。
載酶量=被固定的酶量/固定化酶的量
固定率=被固定的酶量/固定化過程中投入的總酶量
2.2.1 固定化β-Glc 的制備 取適量SBA-15 超聲分散在2 mL 具有一定pH 值的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液中,加入適量β-Glc 后,室溫下200 r/min 震蕩孵育一定時間,再分別加入0.2 mL 殼聚糖溶液(5 mg/mL,0.5%稀鹽酸溶液溶解)和0.2 mL 1.0%戊二醛溶液,室溫下磁力攪拌1 h,離心收集沉淀,37 ℃真空干燥過夜,即得殼聚糖交聯(lián)SBA-15 固定化β-Glc(SBA-Glc-CS)。固定化過程見圖2。
圖2 SBA-Glc-CS 的制備過程示意圖Fig.2 Principle scheme of perparation of SBA-Glc-CS
2.2.2 固定化參數(shù)優(yōu)選 按“2.2.1”項(xiàng)下方法制備固定化β-Glc,分別考察不同固定化pH 值(3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0)、固定化時間(0.5、1、2、3、6、8、12 h)和酶質(zhì)量濃度(1、2、3、4、5、6、7、8、9 mg/mL)對固定化酶酶活力和載酶量的影響,結(jié)果分別見表1~3。當(dāng)固定化pH 值為6.0、固定化時間為8 h、酶質(zhì)量濃度為7 mg/mL 時,SBA-Glc-CS 的酶活力最高,在該條件下制備的固定化酶的酶活力為439.2 μmol/(h·g),酶活回收率為93.7%,載酶量為1.120 g/g 載體,固定率為92.8%,結(jié)果表明殼聚糖交聯(lián)SBA-15 不但可高效固定β-葡萄糖苷酶,還能較好地保持其酶活力。
表1 固定化pH 值對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響( = 3)Table 1 Effect of immobilization pH values on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS (= 3)
表1 固定化pH 值對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響( = 3)Table 1 Effect of immobilization pH values on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS (= 3)
pH 值 相對酶活力/% 載酶量/(mg·g-1)3.0 22.1±3.2 945.7±25.2 4.0 69.2±4.3 945.4±34.7 5.0 87.3±2.6 954.1±34.5 6.0 100.0±1.9 947.5±27.4 7.0 66.0±3.9 878.4±24.3 8.0 63.4±2.5 853.5±25.8
表2 固定化時間對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響( = 3)Table 2 Effect of immobilization time on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS ( = 3)
表2 固定化時間對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響( = 3)Table 2 Effect of immobilization time on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS ( = 3)
時間/h 相對酶活力/% 載酶量/(mg·g-1)0.5 86.2±2.5 931.9±25.3 1.0 80.6±4.0 973.0±34.8 2.0 69.8±2.1 924.7±26.4 3.0 66.7±3.4 962.8±24.1 6.0 62.9±2.5 970.5±20.9 8.0 100.0±3.6 951.7±34.3 12.0 32.4±2.9 935.1±26.6
2.3.1 SEM 和TEM 觀察 取適量干燥樣品粉末,置于SEM 下觀察并拍照;取適量樣品粉末,用無水乙醇超聲分散后,滴于銅網(wǎng)上,于室溫干燥后,立即置于TEM 下觀察并拍照;結(jié)果見圖3。SBA-15和SBA-Glc-CS 的SEM 圖均呈典型的具有一定長度的蠕蟲狀結(jié)構(gòu),TEM 圖顯示2 個樣品均存在均一有序的長通道介孔結(jié)構(gòu),SBA-Glc-CS 的表面呈現(xiàn)一些不透明的陰影,可能與殼聚糖交聯(lián)有關(guān)。
表3 固定化酶質(zhì)量濃度對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響 ( = 3)Table 3 Effect of immobilization enzyme concentration on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS (n = 3)
表3 固定化酶質(zhì)量濃度對SBA-Glc-CS 酶活力和載酶量的影響 ( = 3)Table 3 Effect of immobilization enzyme concentration on enzyme activity and loading capacity of SBA-Glc-CS (n = 3)
酶質(zhì)量濃度/(mg·mL-1) 相對酶活力/% 載酶量/(mg·g-1)1.0 39.6±3.2 194.5±7.7 2.0 28.6±2.1 392.6±18.5 3.0 69.4±2.3 564.1±26.3 4.0 63.6±3.1 763.2±25.8 5.0 64.2±2.2 947.5±28.7 6.0 81.0±4.4 1 046.3±32.9 7.0 100.0±2.7 1 120.5±30.4 8.0 74.1±2.5 1 314.1±48.6 9.0 74.3±3.6 1 417.3±42.5
圖3 SBA-15和SBA-Glc-CS的SEM (A,C) 和TEM (B,D)表征圖Fig.3 Representative SEM (A,C) and TEM (B,D) images of SBA-15 and SBA-Glc-CS
圖4 SBA-15、β-Glc 和SBA-Glc-CS FTIR 表征圖Fig.4 FTIR spectrum of SBA-15,β-glucosidase and SBAGlc-CS
2.3.2 FTIR 分析 取適量樣品與KBr 按一定比例混合均勻,經(jīng)壓片機(jī)壓制成透明薄片后,在傅里葉紅外光譜儀上進(jìn)行測試,結(jié)果見圖4。SBA-15 和SBA-Glc-CS 均在462、800、1100 cm-1處呈現(xiàn)SiO2的特征吸收峰,分別歸屬于Si-O-Si 的彎曲振動、對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動;β-Glc 在1653、1545、1260 cm-1處存在3 個特征吸收峰,分別歸屬于酶蛋白的酰胺I 帶(C=O 伸縮振動)、酰胺II 帶(N-H 伸縮振動,C-N 彎曲振動)和酰胺III 帶(N-H彎曲振動,C-N 伸縮振動)。SBA-Glc-CS 在1653、1409 cm-1處存在的特征吸收峰可分別歸屬于β-Glc分子的酰胺I 帶(C=O 伸縮振動)和氨基酸側(cè)鏈上-CH3中C-H 對稱伸縮振動,表明β-Glc 被成功固定;此外,SBA-Glc-CS 在1640 cm-1處存在1 個振動強(qiáng)度較弱的特征吸收峰,可歸屬于殼聚糖交聯(lián)過程中戊二醛的醛基與殼聚糖、酶分子中氨基發(fā)生席夫堿反應(yīng)時生成的C=N 雙鍵的伸縮振動,表明殼聚糖交聯(lián)成功。
2.3.3 N2吸附-脫附分析 取適量樣品經(jīng)100 ℃脫氣處理過夜后,于液氮(-196 ℃)下測定其N2吸附-脫附等溫線,結(jié)果見圖5。SBA-15 和SBA-Glc-CS的吸脫附曲線均呈典型的IV 型曲線,且均具有H1滯留環(huán),表明2 種樣品均存在均勻分布的介孔,酶的固定化過程不會改變SBA-15 的介孔骨架結(jié)構(gòu)。采用BET 法計(jì)算SBA-15 和SBA-Glc-CS 的比表面積分別為468.4、313.1 m2/g,采用BJH 法計(jì)算SBA-15 的孔容、孔徑分別為1.22 cm3/g 和8.8 nm,SBA-Glc-CS 的孔容、孔徑分別為0.74 cm3/g 和8.2 nm,SBA-Glc-CS 的比表面積、孔容、孔徑均較SBA-15 顯著降低,表明酶被成功地固定在SBA-15的介孔中。
圖5 SBA-15 (A) 和SBA-Glc-CS (B) 的N2 吸附-脫附等溫線和孔徑分布圖Fig.5 N2 adsorption-desorption isotherms and pore size distributions of SBA-15 (A) and SBA-Glc-CS (B)
2.3.4 酶泄露評價 分別稱取適量SBA-Glc和SBAGlc-CS,均勻分散在pH 5.0 的磷酸鹽緩沖溶液中,置于恒溫氣浴振蕩器中(50 ℃,200 r/min)孵育0.5、1、1.5、2、2.5、3、6、9、12、24 h,于各個時間點(diǎn)分別取樣200 μL,同時補(bǔ)加200 μL 緩沖液,取出的樣品經(jīng)離心后取上清液測定泄漏的β-Glc 含量,結(jié)果見圖6。未進(jìn)行殼聚糖交聯(lián)的SBA-Glc 隨著孵育時間的延長,存在明顯的酶泄漏現(xiàn)象,其24 h 的累計(jì)泄漏率高達(dá)18.7%,而經(jīng)殼聚糖交聯(lián)后的SBA-Glc-CS 的24 h 累計(jì)泄漏率僅為1.4%,表明殼聚糖交聯(lián)可有效改善固定化酶的酶泄漏現(xiàn)象。
按“2.1.1”項(xiàng)下方法測定不同pH 值(4.0、5.0、6.0、7.0、8.0)、溫度(25、37、50、60 ℃),底物質(zhì)量濃度(0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mg/mL)條件下固定化和游離β-Glc 的酶活力,計(jì)算相對酶活;以淫羊藿苷轉(zhuǎn)化率為指標(biāo),考察固定化和游離β-Glc 的最適酶解時間(0.5、1、2、4、6、8、10、12 h),結(jié)果見表4~7。固定化和游離β-Glc 的最適pH 值均為6.0,最適溫度游離酶為60 ℃,固定化酶為50 ℃,最適底物質(zhì)量濃度均為0.5 mg/mL,游離β-Glc 和固定化β-Glc 的最適酶解時間分別為4 h和8 h,淫羊藿苷的轉(zhuǎn)化率均在95%以上,且酶解產(chǎn)物均為寶藿苷I。
圖6 固定化β-Glc 的累計(jì)泄漏率 ( = 3)Fig.6 Cumulative leakage rate of immobilized β-glucosidase ( = 3)
表4 游離與固定化β-Glc 的最適酶解pH 值考察 (n = 3)Table 4 Optimal pH of free and immobilized β-glucosidase( = 3)
表4 游離與固定化β-Glc 的最適酶解pH 值考察 (n = 3)Table 4 Optimal pH of free and immobilized β-glucosidase( = 3)
pH 值 相對酶活力/%游離酶 固定化酶4.0 20.6±3.5 38.8±4.8 5.0 93.1±2.6 62.6±3.7 6.0 100.0±2.7 100.0±3.2 7.0 54.8±4.3 93.3±5.4 8.0 7.3±3.6 64.7±3.1
表5 游離與固定化β-Glc 的最適酶解溫度考察 (n = 3)Table 5 Optimal temperature of free and immobilized β-glucosidase ( = 3)
表5 游離與固定化β-Glc 的最適酶解溫度考察 (n = 3)Table 5 Optimal temperature of free and immobilized β-glucosidase ( = 3)
溫度/℃ 相對酶活力/%游離酶 固定化酶25 13.9±3.6 75.6±3.4 37 28.4±4.9 78.3±3.7 50 80.9±3.3 100.0±4.6 60 100.0±3.7 63.1±2.9
2.5.1 酶解動力學(xué)參數(shù) 按“2.2.1”項(xiàng)下酶活測定方法,分別稱取適量游離和固定化β-Glc,水解不同質(zhì)量濃度(1.0、1.25、1.50、1.75、2.0 mg/mL)淫羊藿苷,測定并計(jì)算在酶促反應(yīng)初始階段(淫羊藿苷轉(zhuǎn)化量<5%)單位時間內(nèi)淫羊藿苷的消耗量,既得酶解反應(yīng)的初速度(V)。根據(jù)求導(dǎo)后的米氏方程1/V=Km/(Vmax[S])+1/Vmax(Km為米氏常數(shù),[S]為底物濃度,Vmax為最大反應(yīng)速率)計(jì)算Km和Vmax。結(jié)果見表8,2 種酶的1/V均和1/[S]呈良好的線性擬合關(guān)系,與游離酶相比,固定化β-Glc 的Km值變大,Vmax值變小,表明β-Glc 經(jīng)固定后對淫羊藿苷的親和力有所下降。
表6 游離與固定化 β-Glc 的最適底物質(zhì)量濃度考察(= 3)Table 6 Optimal substrate concentration of free and immobilized β-glucosidase ( = 3)
底物濃度/(mg·mL-1)相對酶活力/%游離酶 固定化酶0.25 59.8±4.1 80.6±3.6 0.50 100.0±3.7 100.0±3.2 0.75 83.7±3.6 84.3±2.1 1.00 70.2±3.6 60.8±4.6 1.50 76.4±4.3 45.6±4.8
表7 游離與固定化β-Glc 的最適酶解時間考察 (n = 3)Table 7 Optimal hydrolysis time of free and immobilized β-glucosidase ( = 3)
表7 游離與固定化β-Glc 的最適酶解時間考察 (n = 3)Table 7 Optimal hydrolysis time of free and immobilized β-glucosidase ( = 3)
時間/h 淫羊藿苷轉(zhuǎn)化率/%游離酶 固定化酶0.5 75.5±3.3 9.8±4.9 1.0 88.1±2.8 21.1±5.6 2.0 92.3±3.7 42.8±4.5 4.0 96.5±4.6 70.3±5.1 6.0 95.8±3.0 88.6±4.3 8.0 97.4±3.5 95.5±4.6 10.0 97.8±3.2 98.6±2.9 12.0 98.1±2.7 99.1±2.0
2.5.2 重復(fù)利用性考察 取適量固定化β-Glc 與淫羊藿苷按“2.4”項(xiàng)下最適酶解條件反應(yīng)后,離心,洗滌,收集沉淀物加入淫羊藿苷繼續(xù)反應(yīng),重復(fù)上述操作5 次,按“2.1.1”項(xiàng)下方法測定酶活力,結(jié)果5 次實(shí)驗(yàn)的相對酶活力分別為(100.0±2.1)%、(89.2±4.5)%、(84.0±3.2)%、(82.9±3.1)%、(81.0±2.7)%(n=3),固定化β-Glc 在重復(fù)利用5次后的殘余相對酶活力仍保持在80%以上,而游離酶只能利用1 次,結(jié)果表明經(jīng)交聯(lián)SBA-15 固定化可顯著提高β-Glc 的利用效率,促進(jìn)淫羊藿苷的高效生物轉(zhuǎn)化。
表8 游離和固定化β-Glc 的酶解動力學(xué)參數(shù)Table 8 Enzymatic kinetic parameters of free and immobilized β-glucosidase
物理吸附是一種簡單、溫和、經(jīng)濟(jì)的酶固定化方法,酶分子通過氫鍵、范德華力、靜電等作用被載體固定化,由于作用力較弱且不影響酶的活性位點(diǎn),從而保持了固定化酶較高的酶活回收率,但也存在酶易泄漏、穩(wěn)定性較差等問題[13-14]。吸附-交聯(lián)法是目前最常用的一種復(fù)合固定化方式,該方法可以使酶在較為溫和的條件下被固定化,既能較好地保持酶活力,又能防止酶泄漏[15-16]。
SBA-15 是一種具有二維立方體棒狀結(jié)構(gòu)的介孔硅,其特殊的長通道介孔為酶的吸附固定提供了較大的空間。研究表明,介孔二氧化硅的孔徑與酶的裝載量、酶活力、穩(wěn)定性密切相關(guān),若孔徑顯著小于待固定酶的分子尺寸,則酶大部分都不能進(jìn)入孔道內(nèi),造成載酶量偏低;若孔徑顯著大于待固定酶的分子尺寸,則通過吸附作用固定的酶很容易從孔道中泄漏,造成酶活力下降和穩(wěn)定性變差,因此根據(jù)不同酶的分子尺寸選擇適宜孔徑的介孔硅至關(guān)重要[17-18]。此外,固定化溶液pH 值、吸附時間、酶濃度等因素也會顯著影響固定化酶的載酶量和酶活力,但載酶量越高,酶活力卻不一定越高,這可能是由于過多的酶分子擁堵在介孔二氧化硅的孔道里,反而阻礙了底物分子與酶的充分接觸反應(yīng)[9]。
本研究選用的SBA-15 經(jīng)N2吸附-脫附分析測定其孔徑為8.8 nm,稍大于β-Glc 的分子尺寸(相對分子質(zhì)量130 000,6.7 nm)[19],在最優(yōu)條件下制備的固定化β-Glc 的載酶量高達(dá)1.120 g/g 載體,酶活力高達(dá)439.2 μmol/(h·g),表明SBA-15 是固定β-Glc 的理想載體。為了改善酶的泄漏,本研究以廣泛應(yīng)用的天然殼聚糖為介孔封堵劑,發(fā)現(xiàn)適量的殼聚糖交聯(lián)可顯著降低固定化β-Glc 的酶泄漏量,同時還能較好地保持其酶活力[20-21];在交聯(lián)過程中,殼聚糖的用量需要控制,交聯(lián)量過低則無法改善酶泄漏,交聯(lián)量過高則會堵住介孔,不利于底物分子進(jìn)入孔道與酶發(fā)生反應(yīng)。與游離酶相比,經(jīng)殼聚糖交聯(lián)SBA-15 固定化的β-Glc 酶解淫羊藿苷的最適反應(yīng)pH 值、底物濃度保持不變,最適溫度有所降低,酶解等量淫羊藿苷所需時間變長,這可能是由于固定化過程在一定程度上影響了酶的活性中心,降低了酶與底物的親和力(Km變大),繼而導(dǎo)致酶解速率變慢(Vmax變?。?,酶解時間延長。但固定化β-Glc 具有制備工藝簡單、載酶量高、易于分離、穩(wěn)定性好、可重復(fù)利用等優(yōu)勢,在循環(huán)利用5 次后的剩余酶活依然保持在80%以上,總體酶解效率較游離酶(只能利用1 次)顯著提高,促進(jìn)了淫羊藿苷在體外高效轉(zhuǎn)化為寶藿苷I,該研究為獲取活性更強(qiáng)的中藥稀有次級苷或苷元提供了新的技術(shù)方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突