生物表面活性劑用于逆膠束體系的構建及微水相條件優化

崔凱龍,袁興中*,曾光明,梁運姍,韓增輝,張 勝,彭 馨 (1.湖南大學環境科學與工程學院,

生物表面活性劑用于逆膠束體系的構建及微水相條件優化

崔凱龍1,2,袁興中1,2*,曾光明1,2,梁運姍1,2,韓增輝1,2,張 勝3,彭 馨1,2(1.湖南大學環境科學與工程學院,

對生物表面活性劑應用于逆膠束體系構建及微水相的條件優化進行了研究.通過與化學表面活性劑(陽離子表面活性劑CTAB、陰離子表面活性劑AOT、非離子表面活性劑Tween-80)的對比可知,生物表面活性劑鼠李糖脂RL具有高增溶性、低使用量、微環境所需條件溫和等優點.通過熒光法測得RL在異辛烷中的臨界膠束濃度CMC為0.055mmol/L,相對于化學表面活性劑需要更少的量即可形成逆膠束.電導法測得其最佳含水率W為32.1,比其他逆膠束的最佳含水率大,表明其能夠增溶更多的水,導致了RL構建的逆膠束粒徑相對其他膠體的大,這也為酶解反應提供了足夠的反應空間.本實驗也通過紫外法測定了pH、離子強度對于逆膠束中漆酶活性的影響,RL體系的最佳pH為5.2、最佳KCl濃度為0.05mol/L,pH與離子強度分別是通過酸堿度、帶電電荷與表面活性劑極性端相互作用來影響酶活.

生物表面活性劑；逆膠束；微環境條件優化；酶活

逆膠束萃取技術克服了傳統方法對酶蛋白分離純化的諸多不足,受到酶純化技術領域越來越多的關注[1].表面活性劑是構成逆膠束油包水結構的關鍵因素,而在已有研究中大多使用化學表面活性劑.由于化學表面活性劑具有難溶性、難降解性和毒性,且非常容易包裹難溶性物質而形成膠體,同時也因為它是那些具有環境風險的有機物在環境中存在和轉移的載體,會成為環境中普遍存在的二次污染物[2-3].

生物表面活性劑是直接從微生物發酵得來的,具有非常高的生物降解性,較低的毒性,一定的膠團催化能力和非常低的臨界膠束濃度,對于逆膠束形成有深遠意義[4].只有當表面活性劑的濃度超過臨界膠束濃度 CMC時,才能夠形成逆膠束

[5],目前表面活性劑在水相中(水包油結構)的CMC已經測得,而油相中(油包水結構)表面活性劑的 CMC仍然不甚明確.逆膠束體系的含水率W0(c[水]/c[表面活性劑])對于膠體的粒徑、形狀有很大影響[6],不同的含水率會改變溶入其中的酶的活性以及酶純化的效率.逆膠束的“水核”微環境決定了酶的溶解性以及純化過程能否順利進行[7],所以考察微環境 pH、離子強度對酶活性影響對于構建逆膠束體系有著至關重要的作用.

本研究以鼠李糖脂(RL)為生物表面活性劑代表,采用對比的方法與CTAB、AOT、Tween-80 3種化學表面活性劑在結構特征和催化性能方面進行分析研究.由于酶純化過程受到諸多因素的影響,確定 RL構建的逆膠束的最佳狀態為其推廣到工業使用奠定了實驗基礎.本實驗以堆肥試驗中應用較多的木質纖維素酶漆酶為例,對RL構建的逆膠束進行了全面的分析,由實驗結果可知,這種“綠色”的表面活性劑在酶純化工藝中有著突出的實際意義.

表1 各表面活性劑的基本性質[8]Table 1 Fundamental properties of surfactants

1 材料與方法

1.1 實驗材料及儀器

表面活性劑:化學表面活性劑CTAB(天津市大茂化學試劑廠)、AOT(上海阿拉丁試劑公司)、Tween-80(天津市博迪化工有限公司);生物表面活性劑單鼠李糖脂(本實驗室自制[9]).各種表面活性劑的性質見表1.

油相:異辛烷(天津市大茂化學試劑廠);水相:超純水;助表面活性劑:正己醇(國藥集團化學試劑有限公司);其他試劑:木質纖維素降解酶代表物(5mg/mL漆酶溶液),0.01mol/L KCl溶液,檸檬酸/檸檬酸鈉緩沖溶液系列,0.1mg/mL ABTS溶液,羅丹明B.

主要儀器:DDSJ-307型電導率儀,紫外分光光度計,TDA-8002電熱恒溫水浴鍋,HZQ-C空氣浴振蕩培養箱,TGL-16G型離心機,超聲波振蕩器,熒光分析儀(Perkin Elmer instrument, LS55, US.),Zeta電位-粒徑儀Zetasizer Nano ZEN3600 (Malvern Instruments, Malvern,U.K.).

1.2 實驗方法

1.2.1 配制混合溶劑 逆膠束溶劑能夠影響到水核中酶的活性和穩定性,有研究證明異辛烷是一種對逆膠束體系中酶的性質影響最小的溶劑,相對于己烷和辛烷等有機溶劑,酶在異辛烷體系中的活性最高[10].大部分的表面活性劑由于沒有合適的親水親油指數(HLB)而不能形成逆膠束(見表 1),所以需要助表面活性劑的加入來改進這種情況.助表面活性劑能夠增加表面活性劑的溶解性,同時能夠促進表面活性劑極性端的結合,形成逆膠束[11].現在一些油溶性醇類是用得比較多的助表面活性劑,本實驗采用正己醇為助表面活性劑.本實驗以異辛烷/正己醇(二者體積比均為 1:1)混合溶液為溶劑,各部分實驗均以此為基礎.

1.2.2 測量熒光發射強度 在上述溶劑中配制濃度為4.975×10-6mol/L的羅丹明B(RB)有機溶液作為探針.再以該探針溶液作為溶劑,針對四種表面活性劑各配置一系列不同濃度油相溶液,通過熒光儀測量各溶液中RB的發射強度,繪制RB發射強度隨表面活性劑濃度的變化圖,以此確定油相中各表面活性劑的臨界膠束濃度.相關參數為:激發波長357nm,激發狹縫寬度10nm,發射狹縫寬度8nm,掃描速度500nm/min.

1.2.3 測量電導率及粒徑 將各物質按如下配比混勻,異辛烷:正己醇:tween-80(CTAB、AOT和RL):水=5mL:5mL:1mL(或 0.5g):V(水),分別針對4個體系各添加一系列不同濃度的水,然后將混合液在超聲波振蕩器超聲1h使其完全溶解混勻.用 0.01mol/L KCl溶液來校準電導率儀,之后測其電導率,繪制電導率隨 W0變化的曲線,確定最佳含水率.在5CMC條件下,按照一定比例縮放最佳含水率來配置逆膠束體系,測量四種逆膠束體系中不同表面活性劑濃度下的膠束粒徑.

1.2.4 測量漆酶酶活 在5CMC條件下,最佳含水率W條件下配制逆膠束溶液.逆膠束水相由不同值緩沖溶液(不同濃度KCl溶液)、底物ABTS溶液和降解酶漆酶酶液三部分按照體積比 2:1:1組成.將配置后的逆膠束體系采用紫外分光光度計測量漆酶酶活,繪制酶活隨pH、離子強度的變化曲線.定義 1個酶活力單位(U)為 1μmol的ABTS每min被轉化所需的酶量.

2 結果與討論

2.1 油相中羅丹明B的熒光特性分析

只有當表面活性劑濃度達到臨界膠束濃度(CMC)才能夠形成逆膠束,目前各種表面活性劑在水相中的臨界膠束濃度已被測得(表1),而逆膠束中的溶劑為油相,油相中臨界膠束濃度還未知,所以本實驗以 RB為探針采用熒光法測得異辛烷溶劑中各表面活性劑的濃度.表面活性劑對RB有著增溶作用,不同濃度,不同類型的表面活性劑對 RB的增溶能力不一樣,在超過臨界膠束濃度(CMC)后,溶液的增溶能力會有一個突變[2].由圖1可以看出,四種油相溶液的熒光強度均有一個明顯的拐點,而拐點位置的濃度即為該表面活性劑在油相中的臨界膠束濃度.以臨界膠束濃度 CMC為分界,熒光發射強度變化分為兩個過程.當表面活性劑濃度小于CMC時,RB主要以單體的形式存在,隨著表面活性劑濃度的升高,由于表面活性劑的增溶作用,熒光強度逐漸加強.當表面活性劑濃度達到CMC時,膠體開始形成,此時體系最穩定,RB單體開始逐漸聚合形成聚集體,因而它的熒光也就減弱了[12-13].當表面活性劑濃度大于CMC時,隨著濃度的增加,游離的單體逐漸增多,熒光強度出現緩慢增長,增長率小于或等于第一個過程的變化率.

可以看出,CTAB、AOT、Tween-80、RL的臨界膠束濃度分別為0.6,0.17,0.008,0.055mmol/L.均比其在水中的臨界膠束濃度小一些.數值越小,說明需要形成逆膠束所需的表面活性劑量越少,這也是AOT和Tween-80是應用最廣泛的化學表面活性劑的原因之一.RL的臨界膠束濃度也相對偏小,表明其很少用量即可形成逆膠束.在臨界膠束濃度CMC附近,CTAB溶液的熒光發射強度最大可以達到 576.31a.u.,AOT最大可以達到626.07a.u.,Tween-80最大可以達到 585.47a.u.,而生物表面活性劑RL熒光發射強度最大可以達到858.30a.u.,且平均發射強度大于化學表面活性劑形成的膠體.充分說明生物表面活性劑對于RB有著很強的增溶作用,容易形成更大粒徑的膠體,在這種情況下形成的逆膠束能夠有效地加快酶解反應,提高酶的純化效率.

2.2 逆膠束體系的電導性質分析

影響逆膠束“水核”體積及粒徑的重要因素是含水率,逆膠束含水率 W0與表面活性劑的離子性、種類,助表面活性劑的種類,水溶液的pH、離子強度等有關.反映不同含水率對于逆膠束水核性質影響的重要指標為電導率,電導率可以直觀的描述水核微環境的狀態[14].由圖2可以看出,電導率隨著 W0先上升,然后趨于穩定.兩個狀態的拐點由于電導率最高,反應最穩定,微環境條件適宜,即為逆膠束的最佳含水率W,當含水率小于W時,由于沒有達到表面活性劑的增溶水量,電導率隨著含水量的增加而增大;當含水率大于W時,由于已經超過表面活性劑的增溶水量,體系開始變的渾濁,粘度增加,從而影響導電粒子的相互移 動,引起電導率的下降.

圖1 不同表面活性劑濃度下的羅丹明B熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectra of RB in reversed micelle at different surfactant concentration

圖2 逆膠束電導率隨含水率的變化Fig.2 Variation of conductivity of reversed micelle with the water content

CTAB、AOT、Tween-80、RL的最佳含水率W分別為:10.5、13.5、22.0、32.1.當逆膠束體系處于較低 W0時,水分子與表面活性劑的極性端通過分子間作用力而緊密結合,水核微環境非常穩定,難以發生物質交換.隨著W0的增加,水核中會有大量自由水存在,這些自由水以非常快的速度在不同水核間進行物質交換,有研究標明,盡管只有1‰的碰撞會導致膠束間的物質交換,但會有效的增強整個體系的電導率[15].一般來說,由于水核粒徑大小隨著 W0的變大而變大,所以增溶水量較大的逆膠束溶液適合于萃取相對分子質量大的水溶性物質如蛋白質等,對于酶的純化,鼠李糖脂構建的逆膠束有相對較強的增溶水性,水核粒徑較大,為酶純化過程提供了很好的微環境[3].

2.3 逆膠束體系的粒度特性及其分布狀況

逆膠束粒徑與含水量W0、膠束聚集狀態、膠束電荷等因素有關.根據實驗測得結果,可將逆膠束體系中粒徑分布分為兩種形態:當粒徑小于10nm時為小粒徑,當粒徑大于10nm為大粒徑.單體逆膠束的粒徑一般在0～10nm之間,由于分子熱運動做布朗運動,會吸附空氣中的電荷而發生中合作用,再通過高速碰撞形成聚集體,導致大粒徑逆膠束聚集體的形成.也有研究表明,正己醇的加入有助于增大逆膠束的粒徑[16].由圖 3可以看出,在小于W時,逆膠束粒徑基本上隨著含水率的增加而增加,大于W之后,粒徑分布沒有一定的規律,這與單體逆膠束之間的相互吸引和聚集作用有關.由于鼠李糖脂 RL的增溶性較強,所以其逆膠束粒徑明顯較其他幾種化學表面活性劑大,這對于酶反應及純化過程提供了自由的空間,有助于酶反應的快速進行和酶純化的效率提高[17].

如圖4所示,小粒徑逆膠束在四種體系中均占據相對較少的含量,原因是單體逆膠束一旦形成,就會以各種各樣的方式而形成聚集體,只會有一小部分的單體游離在體系中而被檢測到.相對來說CTAB體系的小粒徑含量較高,原因是單體逆膠束所帶電荷強度較高,導致不同單體間的排斥力較大,相對較難形成聚集體;而RL體系的小粒徑含量較低,在一些體系中小粒徑的含量接近為0,原因在于生物表面活性劑粒徑較大,活性強,單體碰撞概率大,有助于聚集體的形成,加強了單體間的物質交換,這將有助于萃取過程的發生[18].雖然小粒徑所占比例變化不大,但是基本上在最佳含水率 W附近,小粒徑所占比例均相對較高,這說明在最佳含水率W時,體系中的單體逆膠束較多,原因在于此時單體所帶電荷均勻,體系相對穩定,碰撞的發生是對等的,這對于研究逆膠束純化過程有重大的意義.

圖3 不同含水率下的各逆膠束粒徑Fig.3 Particle diameter of reversea micell under different water content

圖4 大、小粒徑逆膠體含量隨含水率的分布Fig.4 Distribution of big and small reversed micelle with water content

2.4 漆酶在逆膠束體系中的活性分析

酶反應及萃取的發生場所為水核,所以本組實驗針對逆膠束微水相不同的pH值及離子強度進行了酶活測量,通過不同微環境狀態的改變,了解木質纖維素酶的酶活隨這些狀態的改變,進而確定最佳微環境狀態.

圖5 不同pH值、離子強度下的逆膠束體系酶活性Fig.5 Enzyme activaty of reversed micelle under pH、inoic strength

酶分子所處微環境的酸堿度決定了其所帶電荷的種類,因此,酸堿度不僅決定了酶分子在逆膠束體系中的溶解度,而且也有可能引起酶分子與逆膠束表面活性劑層之間相互作用的改變[5]. pH值對于酶活的影響作用是非常大的,從圖5(a)可以看出,在pH值從3.2～6.5的變化范圍內,4個體系的酶活隨 pH值變化圖呈鐘罩型,過大或者是過小的pH值對于酶活來說均是不利的,除RL外 3種化學表面活性劑體系的最佳 pH值均為5.0,而RL體系的最佳pH值為5.2,這說明漆酶最適pH值在逆膠束體系中相對于水相體系變化不大,受到表面活性劑極性端的影響很小[19].同時可以看出RL體系的酶活相對較高,催化效率高,表明生物表面活性劑對于酶反應發生具有一定促進作用.

離子強度對于酶在水核中的溶解度有很大的影響,從而會影響逆膠束中漆酶酶活.從圖5(b)可以看出,四種逆膠束體系中酶活隨著離子強度的增加而減小,尤其是在離子強度較小時,下降幅度較大,但是當離子濃度達到一定量后,其對酶活大小基本沒影響.離子強度越大,逆膠束內表面雙電層就會變薄,從而減弱了酶蛋白與逆膠束內表面之間的相互吸引,從而降低了酶蛋白的溶解,同時鹽溶液和表面活性劑或酶蛋白的相互作用,可改變溶解性能,離子強度越大,酶的溶解性能越差[20].在0.25mol/L附近,酶活趨于穩定,為了保證在逆膠束體系中酶的活性少受影響,選取KCl鹽溶度為0.05mol/L為體系最佳離子強度.

3 結論

3.1 鼠李糖脂 RL作為生物表面活性劑構建逆膠束體系,在異辛烷/正己醇體系按照體積比 1:1的條件下,測得油相中臨界膠束濃度 CMC為0.055mmol/L.而保證體系活性最佳的其他條件為:含水率W0為32.1, pH值為5.2,KCl水溶液離子濃度為0.05mol/L.

3.2 由于鼠李糖脂 RL構建的逆膠束體系的臨界膠束濃度較低,所以形成逆膠束所需濃度較低,而且該體系熒光發生強度最大可達 858.30a.u.,說明其具有很好的增溶性.逆膠束水核粒徑最大可達50.4nm,能夠給酶反應提供較大的空間.

3.3 按照給定的溶劑配比,同樣的pH與離子強度條件下,以木質纖維素酶漆酶為例,鼠李糖脂RL構建的逆膠束體系中酶活可達到 7U,明顯高于其他體系,RL逆膠束對于漆酶酶活力有促進作用.

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Application of biosurfactant on the construction of reversed micelle and the optimization of its microenvironment.

CUI Kai-long1,2,YUAN Xing-zhong1,2*, ZENG Guang-ming1,2, LIANG Yun-shan1,2, HAN Zeng-hui1,2, ZHANG Sheng3, PENG Xin1,2(1.College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan University), Ministry of Education, Changsha 410082, China；3.College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry Universtiy, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2011,31(9)：1444～1450

Construction of reversed micelle (RM) by biosurfactant and the optimization of its microenvironment have been investigated. Compared with three kinds of chemical surfactants (cation surfactant: CTAB、anion surfactant: AOT、 nonion surfactant:Tween-80), rhamnolipid (RL), a typical biosurfactant, has the advantages of higher solubilization ability for water, lower dosage in the construction of RM, milder microenvironment for construction and so on. The Critical Micelle Concentration(CMC) of RL solubilized in isooctane detected through the method of fluorescence was 0.055mmol/L, therefore RM could be constructed by it with relatively lower dosage. It was found that the optimum hydration degree W was 32.1 through conductivity measurement, higher than the optimum hydration degree of other RMs, indicating that RL could highly increase the water solubility. Therefore, the RM constructed by RL had larger particle diameter than other ones, which also supplied sufficient space for enzymolysis reaction. UV spectrum was analysed to find out how pH and ionic strength affected enzyme activity of laccase in RM. And it has been found that while the pH was 5.2, the concentration of KCl was 0.05mol/L, the optimal condition of RL system could be reached. pH and ionic strength impacted the enzyme activity through the interaction between polar end of surfactant and pH value as well as charge of the microenvironment.

biosurfactant；reversed micelle；optimization of microenvironment；enzyme activity

湖南 長沙 410082；2.環境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學),湖南 長沙 410082；3.北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083)

X131

A

1000-6923(2011)09-1444-07

2010-12-23

國家自然科學基金資助項目(50978087)

* 責任作者, 教授, yxz@hnu.cn

崔凱龍(1988-),男,河南許昌人,湖南大學環境科學與工程學院碩士研究生,研究方向為廢物資源化.發表論文1篇.