辣根過氧化物酶酶學特性及應用進展

張麗華，蔣俊峰

(山西大同大學化學與環境工程學院，山西大同037009)

辣根過氧化物酶酶學特性及應用進展

張麗華，蔣俊峰

(山西大同大學化學與環境工程學院，山西大同037009)

辣根過氧化物酶（HRP）是一種以亞鐵血紅素為氧化還原中心的過氧化物酶，從植物辣根的根部提取，目前被廣泛地應用在污水處理、食品工業、有機合成和分析檢測等領域。本文綜述了辣根過氧化物酶的結構、固定化及辣根過氧化物酶在各個領域的應用，并對其工業應用前景及未來研究方向進行了探討。

辣根過氧化物酶；固定化；辣根

辣根（十字花科）是一種耐寒的常年生草本植物，主要分布在世界溫帶地區，它的根具有很好的烹飪價值。辣根的根部也是過氧化物酶的豐富來源，至少含有30多種HRP同功酶形式，其中HRP同功酶C（HRP-C）含量最豐富，因此統稱為辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）。辣根過氧化物酶也是一種利用過氧化氫可以氧化大多數有機物和無機物的血紅素酶。由于其比活性高、耐熱性高、酸堿穩定性好，對污染物濃度和鹽度都有較高的耐受性，與抗原或抗體偶聯后，活性損失很少，因此被廣泛用于污水處理、食品工業、有機合成和分析檢測等領域。本文介紹了HRP的結構、固定化及其在各個領域中的應用，并對其應用前景進行展望。

圖1 HRP C的結構

1 辣根過氧化物酶的結構

1976年，Welinder等[1]人首次確定了HRP-C是一組單亞基糖蛋白，包含308個氨基酸殘基和8個糖鏈，每分子HRP-C中有2分子Ca2+、1分子血紅素輔基和4對二硫鍵，相對分子質量約為44 000。根據其等電點至少可將HRP分為5類[2-3]：酸性(HRPA)含糖量較高，pI值約為4；中性或微堿性(HRPB,-C)含糖量低，pI值在5.75～9.63范圍內；強堿性(HRP-D,-E)含糖量較低，pI值在10.6～＞12范圍內。1990年Smith等[4]最早成功研制出重組酶，而且對HRP-C的結構和功能研究有了重大的進展。1997年，Gajhede等[5]人通過X射線晶體學解出了HRP的三維結構，2002年貝里隆德等[6]人描述出酶催化循環的高分辨率中間體。HRP-C含有2種不同類型的金屬中心，鐵(III)原卟啉IX（通常被稱為“血紅素”）和2個鈣原子（圖1，2）。

對于酶的結構和功能完整性這兩者都是非常必要的。血紅素基通過組氨酸側鏈Na原子和血紅素鐵原子之間的配位鍵連接到酶His170（近端組氨酸殘基）上。第二軸向配體位置（在所謂的血紅素平面前端）沒被酶的靜息狀態占據而是被酶轉化期間的過氧化氫占據（圖3）。小分子如一氧化碳、氰化物、氟化物、疊氮化物結合到遠端六配體過氧化物酶復合物的血紅素鐵原子上。只有在質子化的形式下，一些鍵才是穩定的，這是通過氫鍵與遠端血紅素Arg38（遠端精氨酸）和His42（遠端組氨酸）的氨基酸側鏈之間的相互作用。2個鈣原子的結合位點分別位于血紅素平面的遠端和近端，并且通過氫鍵被連接到血紅素結合區。每個鈣原子結合位點都是七配位的，去和氧供體配體配位，氧供體配體是由氨基酸側鏈的羧酸鹽(ASP)、羥基（絲氨酸，蘇氨酸）、羰基和結構水分子（只有遠端）的結合點提供的。1978年，Haschke和Friedhoff[7]發現了鈣的失去直接導致了酶活性的減少和酶熱穩定性的降低，2001年，豪斯等[8]人并進一步發現了血紅素環境光譜發生了微妙的變化。

圖2 HRP C的重要結構特征

圖3 HRP C活性中心的重要氨基酸殘基

2 辣根過氧化物酶的固定化

與游離酶相比，固定化酶既保持了高度催化性和嚴格的專一性，反應條件溫和，又克服了游離酶的許多不足，同時呈現出穩定性好、易分離回收、可重復利用、操作可控、工藝簡化、成本降低等一系列優點。近年來，固定化HRP被廣泛應用于環境水污染的治理與凈化，可有效除去水介質中的多種有機污染物。為尋求穩定性好、比活性高的HRP固定化載體及方法，各國學者作出許多努力[9-11]。

2012年雷青娟等[12]研究小組利用接枝聚合技術，制得了陰離子型雙功能復合載體SHBS-PGMA∕SiO2，并通過靜電相互作用將HRP共價固定在載體SHBS-PGMA∕SiO2上，研究了固定過程的作用機理。結果表明，在pH值較大范圍內，復合載體SH?BS-PGMA∕SiO2表面呈現出高密度負電荷，pH為6.0時，HRP帶正電荷，與載體間會產生強烈的靜電作用，明顯促進了HRP的固定化；當載體表面SHBS的鍵合率約為18%時，促進作用最強，且固化酶的偶聯率和比活力最高。離子強度對酶的固定化也有一定的影響，如加入NaCl會對載體與固酶蛋白間的靜電作用產生一定的屏蔽作用，且增大NaCl濃度可降低固定化HRP的偶聯率和比活力。

2011年雷青娟等[13]研究小組利用接枝聚合法和環氧基團的開環反應，制備了雙功能型復合載體EDA-PGMA∕SiO2,又通過共價偶聯法與HRP進行固定。研究顯示，在水介質中，復合載體表面胺基的質子化，使載體微粒的ζ電位在較大的pH范圍內保持正值；當介質pH=8.5，大于HRP的pI值時，強靜電作用會大大促進HRP的固定；EDA的鍵合率為30%時，靜電作用最強，固酶的偶聯率與比活力都達到最高值。疏水作用也會影響化學法固定HRP，當以接枝微粒PGMA∕SiO2為載體時，增大NaCl濃度，一方面可促進酶蛋白與載體間的疏水作用，另一方面使固定化酶的偶聯率與比活力有所提高。

2010年，Qiu等[14]研究小組利用氮氣吸附技術，制備了納米級多孔銅(NPC)，通過掃描電子顯微鏡表征出孔徑在100～200 nm之間，HRP通過吸附法固定在納米級多孔銅上。與游離酶相比，固定化酶的熱穩定性有了很大的提高，是由于酶分子和納米級多孔銅表面之間存在多個吸附點。結果表明，經過2 h 50℃溫育，固定化HRP保留約90%的初始活性，而游離酶只有約10%的初始活性。HRP和多孔銅表面間的相互作用使得固定化酶的Km從0.43增加到0.80 mmol∕L，同時也使得固定化酶的Kcat從8.1×103min-1下降到2.2×103min-1。基于NPC電極良好的導電性和電催化性，也制成了鄰苯二胺(OPD)的電化學生物傳感器。生物傳感器的校準曲線是0.5～14.5 μmol∕L的OPD范圍內，靈敏度為0.37 A∕mol·L。實驗測得生物傳感器的穩定性和重現性也是非常好的。當工作電壓為-0.45 V，時間為200 s時，對10 μmol∕LOPD的電流響應仍有其初始值的80%。用5個HRP固載多孔銅電極，對10 μmol∕L OPD電流響應的相對標準偏差(RSD)約為4.5%。所有結果表明，用納米級多孔銅作為HRP的固定化載體，由于其價格低廉的特點非常有助于其大規模應用。

3 辣根過氧化物酶的應用

3.1 污水處理

大部分疏水性芳香族化合物對人類都是有害的[15]，而含酚廢水又是當今世界危害最大的工業廢水之一，因此，廢水的處理與凈化將是全世界學者面臨的難題與挑戰。Klibanov等人最早采用過氧化物酶去除廢水中的酚類和芳香胺類化合物,并將其用于含酚廢水的脫色[16]。2006年Einollahi等人用HRP作解毒劑除去了廢水中的苯酚[17]。在過氧化氫存在下，HRP催化羥基酚，使其成為不穩定的狀態，并產生苯氧自由基。這些自由基通過氧化自偶聯促進酚類化合物的聚合[18]。而聚合苯酚（聚酚）不再是一種有毒化合物，成為不溶解的沉淀或是一種無毒的天然有機物[19]。

2012年，鮑騰等[20]研究小組采用凹凸棒石粘土、可溶性淀粉和工業水玻璃等基本材料，制備了改性后的凹凸棒石基多孔材料。將此多孔材料進一步固定辣根過氧化物酶，應用于含酚廢水的處理研究，并取得了良好的效果。結果表明，辣根過氧化物酶的最佳固定化條件為pH=5、固定化時間為15 h、單位酶載量為1 mg。固定化酶循環使用6次后，苯酚去除率仍能達到62.3%。

2011年，Li等[21]對辣根過氧化物酶氧化降解廢水中的雙酚A進行了研究。降解最佳條件：pH= 9.0，T=25°C。理論上要使雙酚A完全轉化[H2O2]∕[BPA]物質的量比為0.5，但實際數據顯示[H2O2]∕[BPA]物質的量比為1.5。一種可能的解釋是，這是該降解產物，雙酚A在氧化過程中所形成的，如4-異丙烯基苯酚，它進一步被過氧化氫氧化，使得總的過氧化氫的消耗量增大。而反應剛開始過氧化氫會使HRP失活，這會降低雙酚A的氧化速度。剛開始3 h，反應速度非常快，幾乎80%的雙酚A被降解，反應 5 h后 HRP的活性僅剩初始活性的13.1%。

3.2 食品工業

酶制劑屬于食品添加劑的一種，由于酶本身無毒、無嗅、且反應所需溫度和pH溫和，所以添加酶不會影響食品的安全性和食品質量；由于酶具有高效性和嚴格的專一性，少量酶也能使反應快速進行，也可避免復雜反應中的一些化學變化；加熱可使酶失活，反應終點非常易控制；因此近年來酶制劑已應用于食品的解毒、保鮮、檢測和代替溴酸鉀等領域。

2011年，溫研等[22]人利用HRP和阿魏酸處理牛乳，并制得了凝固型酸奶。結果表明，添加HRP、阿魏酸和明膠不影響酸奶的主要成分，但明顯改善凝固型酸奶的品質。與對照樣相比，加入明膠、HRP和阿魏酸后，酸奶硬度和黏度都有所提高，而乳清析出率都有所降低。同時，酸奶的表觀黏度、觸變性和粘彈性也都有所增加，添加明膠效果最明顯。

2011年，馬超越等[23]人以電子媒介體聚中性紅為載體，將其固定HRP制成了生物傳感器,并采用循環伏安法對其性能進行了研究。結果表明，HRP在該電極上會進行穩定的直接電子轉移反應，H2O2濃度在3.18×10-8～3.18×10-3mol∕L的范圍內，傳感器具有良好的線性相關性，檢出限達到6.36×10-9mol∕L。將該生物傳感器用于啤酒中H2O2的測定，效果很好，回收率達到88.5%～98.6%。

2011年，展海軍等[24]研究小組利用循環伏安法，在玻碳電極表面聚合一層均勻的聚苯胺膜，制備了納米TiO2固定化HRP的生物傳感器。結果表明，該傳感器對H2O2和NaNO2都具有很好的電催化還原性。且成功地應用于火腿腸中NaNO2的測定，回收率為94%～103%。結果證明該生物傳感器靈敏度高，有良好的抗干擾性和穩定性，也有良好的線性相關性，其相關系數為0.994 6，檢出限為0.001 mg∕L。

3.3 有機合成

利用酶催化聚合取代傳統的化學催化或物理反應，可以簡化工藝、節省設備、降低危險和減少污染等。酶催化的顯著特點是高效、專一、溫和，聚合過程綠色環保、副產物較少、產物易分離、聚合物分子量大，所以酶催化在有機合成中受到各國學者的廣泛關注[25]。HRP在氧化劑過氧化氫存在下，能催化酚及芳香胺類物質聚合[26-27]。由于這些聚合物存在大TT共軛體系，因此可作為復合型導電聚合物材料、非線性光學特性材料、可制作發光二極管等，并用于大屏幕全色顯示等領域[28-30]。

2010年曾家豫等[31]研究小組以H2O2為氧化劑，采用HRP催化對苯二胺并與對氨基苯磺酸共聚，合成了聚對苯二胺一對氨基苯磺酸（PAn-I）。結果表明，合成的PAn—I具有電活性、熱穩定性和良好的水溶性等優點。聚合過程中以水為介質，避免了有機溶劑的使用，使得反應條件溫和，從而減少了酶的用量。

2012年，Zhang等[32]以十二烷基苯磺酸鈉（SD? BS）為表面活性劑，在水相膠束體系中利用HRP催化聚合酚。研究顯示，加入SDBS會大幅度提高聚合物的產率。隨著SDBS用量的增加，由GPC測定的THF可溶部分的分子量由1 100增大至2 000。在較寬的pH值(4～10)范圍內，酚在水相膠束體系中聚合都維持了較高的收率。由于HRP在緩沖液SDBS中的活性是非常高，所以酚在水相膠束體系中聚合只在2 h內就能以很高的收率完成。所得到的聚合物是一種粉末材料，它可以部分溶解于DMF，DMSO和THF中。IR分析表明，該聚合物結構含有亞苯基和含氧亞苯基（oxyphenylene）單元的混合物。用TG分析時，發現聚合物具有較高的熱穩定性。

3.4 分析檢測

生物傳感器最早源于20世紀60年代，到80年代生物傳感器研究領域已基本形成，而研究最早應用最多的生物傳感器是酶電極，因其具有設備簡單、成本低廉、靈敏度高等特點。辣根過氧化物酶是一種研究廣泛的過氧化物酶，將其固定在電極表面，在電子受體過氧化氫的作用下氧化反應物，被氧化的反應物在電極上電化學還原，其還原電流與反應物的濃度成正比。因此，HRP修飾電極被廣泛用于H2O2、酚類、有機過氧化物、芳香胺化合物以及一些環境污染物的分析檢測中。

2010年，韓莉等[33]利用循環伏安法和電流時間法，在玻碳電極表面聚合一層均勻的聚乙烯醇縮丁醛∕碳納米管膜，制備了固定化HRP的生物傳感器。結果表明該傳感器對H2O2具有良好的電催化性能。當pH=7.0，工作電位為-250 mV，對苯二酚濃度為4.2 mmol∕L，H2O2濃度在1.67×10-7～1.29 ×10-5mol∕L和1.58×10-5～1.17×10-3mol∕L范圍時，與生物傳感器的電流響應呈良好的線性關系，檢出限(S/N=3)為5.554×10-8mol∕L。因此該傳感器具有制作簡單、成本低廉、穩定性好等優點，且對HO有快速靈敏的響應。

2014年，Koposova等[34]研究小組首次以H2O2為氧化劑，將合成的油胺（OA）與HRP自組裝形成的極薄金納米線（NWS）和納米顆粒（納米顆粒）生物電化學傳感。用OANWs和OANPs改性的薄膜金電極具有良好的催化性，當H2O2工作濃度范圍從20 μmol∕L到500μmol∕L時，具有0.031 AM?1cm?2（RSD 0.046）和0.027 AM?1cm?2（RSD 0.045）的敏感性，5μmol∕L和8μmol∕L的檢出限，（RSD附近的檢出限為9%～12%）。研究顯示，本研究小組制備基于酶的生物電化學傳感器，對于金屬蛋白生物電子學和能源研究具有重大的意義。

4 前景與展望

近年來，隨著生物技術領域的迅猛發展，酶工程在工業應用中起著愈來愈重要的作用。對于辣根過氧化物酶的研究與應用約有100多年的歷史，特別是現代儀器和檢測手段的應用極大地推動了我們對HRP的結構與催化機制的了解，進而對HRP在許多領域的應用具有重大指導意義。由于HRP價格低廉、來源豐富、提純工藝簡單和結構熟知，該酶一直為工具酶研究的熱點之一。關于HRP的理論應用報道非常多，但真正應用到實際工業中卻少之又少，那么現階段對于HRP的研究主要集中在：第一，通過先進的儀器和檢測手段大規模的提取更高純度的HRP；第二，通過不斷優化實驗條件，將小型實驗室的理論條件擴大規模應用于實際工業中；第三，嘗試更多的新型載體固定HRP，減少酶活損失的同時能最大限度保持原酶的活性，以更大程度適應工業環境。

[1]Welinder K G.Covalent structure of the glycoprotein horseradish peroxidase[J].FEBS Lett,1976,72:19-23.

[2]Everse J.Peroxidase in Chemistry and Biology[J].Boca Raton:CRC Press Inc,1991,1-2:2-24.

[3]Bartonek-Roxa E,Eriksson H.Expression of a neutral horseradish peroxidase in Escherichia coli[J].J B iotechnol,1994,37:133-142.

[4]Smith A T,Santama N,Dacey S,et al.Expression of a synthetic gene for horseradish peroxidase C in Escherichia coli and folding and activation of the recombinant enzyme with Ca2+and heme[J].J Biol Chem,1990,265:13335-13343.

[5]M Gajhede,D J Schuller,A Henriksen,et al.Crystal structure of horseradish peroxidase C at 2.15angstrom resolution[J].Nature Struct Biol,1997,4:1032-1038.

[6]Berglund G I,Carlsson G H,Smith A T,et al.The catalytic pathway of horseradish peroxidase at high resolution[J].Nature,2002, 417:463-468.

[7]Haschke R H,Friedhoff J M.Calcium-related properties of horseradish peroxidase[J].Biochem Biophys Res Commun,1978,80: 1039-1042.

[8]Howes B D,Feis A,Raimondi L,et al.The critical role of the proximal calcium ion in the structural properties of horseradish peroxi?dase[J].J Bio Chem,2001,276,40704-40711.

[9]Zhang F,Zheng B,Zhang J L,et al.Horseradish Peroxidase Immobilized on Graphene Oxide:Physical Properties and Applications in Phenolic Compound Removal[J].J Phys Chem C,2010,114:8469-8473.

[10]Bayramo G,Ar?ca M Y.Enzymatic Removal of Phenol and p-Chlorophenol in Enzyme Reactor:Horseradish Peroxidase Immobi?lized on Magnetic Beads[J].J Hazard Mater,2008,156(1∕3):148-155.

[11]Dalal S,Gupta M N.Treatment of Phenolic Wastewater by Horseradish Peroxidase Immobilized by Bioaffinity Layering[J].Chemo?sphere,2007,67(4):741?747.

[12]雷青娟,高保嬌,張正國.陰離子型雙功能含環氧基團酶固定化載體的制備及其固定辣根過氧化酶[J].2012,12(5):828-833.

[13]雷青娟,高保嬌,張正國.次價鍵力在化學鍵合法固定辣根過氧化酶過程中的作用機理[J].物理化學學報,2011,27(11), 2697-2704.

[14]Qiu H J,Lu L,Huang X R,et al.Immobilization of Horseradish Peroxidase on Nanoporous Copper and Its Potential Applications [J].Bioresour Technol,2010,101(24):9415?9420.

[15]Wagner M,Nicell J A.Detoxification of phenolic solutions with horseradish peroxidase and hydrogen peroxide[J].Water Res, 2002,36:4041-4052.

[16]Klibanov A M.Enzymatic removal of toxic phenols and anilines form wastewaters[J].J Applied Biochemistry,1980,2:414-421.

[17]Einollahi N,Abbasi S,Dashti N,et al.Effect of mercuric chloride on kinetic properties of horseradish peroxidase[J].J Publ Health Iran,2006,35:49-56.

[18]Gomez J L,Bodalo A,Gomez E,et al.Immobilization of peroxidases on glass beads:An improved alternative for phenol removal [J].Enzyme Microb Tech,2006,39:1016-1022.

[19]Zhang H X,Taylor K E.Products of oxidative coupling of phenol by horseradich peroxidase[J].Chemosphere,1994,28:1807-1817.

[20]鮑騰,彭書傳,陳冬,等.凹凸棒石粘土固定辣根過氧化物酶處理含酚廢水[J].環境工程學報，2012,6(9):3179-3185.

[21]Li H M，Nicell J A.Optimal conditions for oxidative degradation of bisphenol A by Horseradish Peroxidase in aqueous phase [J].Multimedia Technology，2011,26-28：5442-5446.

[22]溫研,趙新淮.牛乳的過氧化物酶處理與凝固型酸奶品質的變化[J].食品與發酵工業，2011,2:41-45.

[23]馬超越,展海軍,趙亞.聚中性紅辣根過氧化物酶傳感器測定啤酒中的過氧化氫[J].食品科技,2011,4:266-268.

[24]展海軍,馬超越,白靜.固定化辣根過氧化物酶生物傳感器測定火腿腸中亞硝酸鹽[J].食品研究與開發，2011,32(2):123-125.

[25]許海燕,徐梁華.聚對苯二胺的酶促合成及其結構性能初探[J].高分子材料科學與工程，1995,4:127-129．

[26]劉曉輝,劉偉.酚類聚合物在水相膠束中的酶促合成[J].功能高分子學報，1995,3:308-314．

[27]許海燕,徐梁華.過氧化物酶催化酚聚合的研究[J].功能高分子學報，1995,3:355-359.

[28]胡龍興.固定化酶催化氧化去除水溶液中酚的研究[J].環境科學，1996,3:57-60.

[29]邱龍輝,黃開勛,李良智,等.微乳液中酶催化木素—酚共聚物的性能研究[J].青島化工學院學報，2001,22(2)：101-103.

[30]張彤,趙慶祥.辣根過氧化物酶處理酚和氯酚的催化特性研究[J].環境科學，1998,3(19):25-29.

[31]曾家豫,周思彤,廖世奇,等.梁瓊辣根過氧化物酶催化水溶性聚對苯二胺-對氨基苯磺酸的合成及表征[J].化學通報，2010,1:44-50.

[32]Zhang L,Zhao W S,Ma Z L,et al.Enzymatic polymerization of phenol catalyzed by horseradish peroxidase in aqueous micelle sys?tem[J].European Polymer J,2012,48(3):580-585.

[33]韓莉,陶菡,張義明.辣根過氧化物酶∕聚乙烯醇縮丁醛∕碳納米管修飾玻碳電極檢測過氧化氫[J].中國食品添加劑,2010, 2:225-228.

[34]Koposova E,Liu X,Kisner A,et al.Bioelectrochemical systems with oleylamine-stabilized gold nanostructures and horseradish peroxidase for hydrogen peroxide sensor[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,57:54-58.

Applications Advance and Characterization of Horseradish Peroxidase(HRP)

ZHANG Li-hua,JIANG Jun-feng
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037009）

Horseradish peroxidase(HRP)is a peroxidase with heme-containing enzyme for redox-center,which isolated from horseradish roots.In recent years,HRP could be applied for wastewater treatment and food industry,organic synthesis as well as chemi?luminescent assays.The structure,immobilization and application of horseradish peroxidase were introduced significantly.The present problems and the future advance in the industry of HRP were reviewed.

horseradish peroxidase；immobilization；horseradish root

Q554+.6,X703

A

1674-0874(2014)04-0030-05

2014-02-15

張麗華(1981-)，女，山西大同人，在讀碩士，實驗師，研究方向：生物無機酶化學，酶的固定化及其應用。

〔責任編輯 楊德兵〕