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木瓜蛋白酶在離子液體雙水相中的分配行為

2015-06-12 06:30:12王偉濤蔣志國張海德彭健許英豪董安華楊雪芳蔣欣欣
化工學報 2015年1期
關鍵詞:體系影響

王偉濤,蔣志國,張海德,彭健,許英豪,董安華,楊雪芳,蔣欣欣

(海南大學食品學院,海南 海口 570228)

引 言

木瓜蛋白酶(EC3.4.22.2)是由 212個氨基酸殘基組成的蛋白質單鏈,具有耐高溫、穩定性好、蛋白水解能力強等特征,在食品、醫藥等領域有廣泛的應用[1-3]。對木瓜蛋白酶的分離純化技術進行深入研究,提取高品質的木瓜蛋白酶具有重要的應用價值。而傳統提取木瓜蛋白酶的方法存在酶活性不穩定、純度不高、工藝煩瑣且很難大規模生產,不能滿足現代工業的需求[4],因此有必要尋找制備高品質、高活性木瓜蛋白酶的新方法。

雙水相萃取技術(ATPS)是近幾年出現的、非常有應用前途的一種新型生物化工分離技術。雙水相萃取技術的特點主要有[5-7]:①兩相間的界面張力小,有利于強化相際間的物質傳遞;②操作條件溫和,體系含水量高,在接近生理環境的體系中進行萃取,有助于保持生物活性;③傳質和平衡速度快,回收率高,分相的時間短,能耗較低;④成相的聚合物(如PEG)對人體無害,對環境污染小;⑤可以采用多種手段來提高選擇性和回收率;⑥易于連續化操作,設備簡單,所以雙水相技術特別適合生物活性物質的萃取[8-10]。

離子液體是近十年來迅速發展起來的一種全新綠色介質和功能材料,具有不易揮發、不可燃、穩定性高、溶解能力強、功能可調節等優點,其應用領域正不斷擴大。離子液體雙水相體系(ionic liquids aqueous two-phase system,ILATPS)一般是由親水性離子液體、無機鹽和水形成的雙水相體系,它綜合了離子液體和雙水相體系的優點[11]。作為一種新型高效的綠色分離體系,與傳統聚合物雙水相體系相比,離子液體雙水相具有黏度低、分相快、不易乳化、回收率高、離子液體可以循環利用等優點,因此越來越受到學術界及產業界的重視。目前,利用離子液體雙水相萃取的蛋白質、氨基酸、酶等活性物質已達數十種[12-18]。

目前,雙水相萃取木瓜蛋白酶的研究國內外已有報道,但主要集中在PEG/鹽雙水相系統[2,19-23]。曹對喜等[20]建立了 PEG/(NH4)2SO4體系提取木瓜蛋白酶,探討了 PEG 分子量、PEG 質量分數、(NH4)2SO4質量分數、pH以及粗酶添加量對木瓜蛋白酶萃取效果的影響,酶活回收率為89.30%。涂紹勇等[22]對 PEG/(NH4)2SO4雙水相系統提取木瓜蛋白酶進行了研究,得到雙水相體系最佳條件為:PEG600 27%、(NH4)2SO421%、pH 7.0 和溫度 60℃。Nitsawang等[2]對比研究了雙水相萃取法與兩步鹽析法對木瓜蛋白酶的純化效果,采用8% PEG/15%(NH4)2SO4雙水相體系分離純化木瓜蛋白酶的純度較兩步鹽析法高,并減少了提取時間,但未對雙水相體系進行系統的優化。Ling等[19]將活性染料Reactive Red 120 添加到PEG/(NH4)2SO4雙水相系統中,對木瓜蛋白酶分配的成相條件進行了優化,木瓜蛋白酶的分配比為1.92,得率為50.09%。但是,體系中加入的游離親和染料Reactive Red 120 對木瓜蛋白酶的分配無影響。

相對離子液體雙水相,聚乙二醇雙水相存在黏度大,后續酶的分離較困難;分相慢,有些PEG雙水相系統需要離心才能徹底分相;易乳化,單次酶處理量不多;以及萃取率不高等現象[24]。本文擬把離子液體雙水相應用于木瓜蛋白酶的提取,可為該體系的放大實驗和工業化大規模生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木瓜蛋白酶(生化酶3500 U·mg?1),生工生物(上海)股份有限公司;[C2mim]Cl、[C4mim]Cl、[C6mim]Cl、[C4mim]Br、[C4mim]BF4,上海成捷化學有限公司;K2HPO4(分析純)、NaH2PO4(分析純),廣州化學試劑廠;其他都為市售分析純。

TU1901紫外可見分光光度計,北京普析通用有限責任公司;DK-98-1型恒溫水浴鍋,天津泰斯特儀器有限公司;FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀,天津港東科技發展股份有限公司。

1.2 實驗方法

(1)木瓜蛋白酶活性的測定 以酪蛋白為底物,測定木瓜蛋白酶的活性[3]。

(2)蛋白質含量的測定 采用考馬斯亮藍法測定雙水相中木瓜蛋白酶蛋白質的濃度[25]。

(3)離子液體對酶活性的影響 配制質量分數為 5.0%、15.0%、25.0%、35.0%、45.0%的離子液體,各取2.0 ml加1.0 ml稀釋一定倍數的酶溶液,放置10.0 min后測其酶活性。空白取2.0 ml去離子水加1.0 ml稀釋相同倍數的酶溶液,放置10.0 min后測其酶活性。以酶活性比X為指標,考察各成相試劑對酶活性的影響。

(4)離子液體雙水相體系提取木瓜蛋白酶 取5.0 ml刻度冷凍管,加入0.25 g·ml?1(離子液體質量/體系體積,以下同)的離子液體、0.35 g·ml?1的K2HPO4、2.0 mg·ml?1(木瓜蛋白酶的質量/體系體積,以下同)木瓜蛋白酶溶液,體系pH 7.0,30℃。研究酸度影響時加入不同pH的B.R緩沖溶液1.0 ml,加去離子水至5.0 ml,空白加與酶溶液相同pH和等體積的酶稀釋液,30℃振蕩30 min,靜置至分相。讀取上下相的體積V,測定上相的蛋白濃度(mg·ml?1)和酶活性濃度(U·ml?1),計算公式如下

式中,Ye為酶活性回收率,%;Etop為上相酶活性濃度,U·ml?1;Vtop為上相體積,ml;Me為加入體系的總酶活性,U。

式中,Yp為蛋白回收率,%;Ptop為上相蛋白濃度,U·ml?1;Mp為加入體系的總蛋白質量,mg。

式中,SA為木瓜蛋白酶比活力,U·mg?1;E為酶活性濃度,U·ml?1;P為可溶性蛋白濃度,mg·ml?1。

式中,PF為純化因子;SAtop為上相酶的比活力;SAI為初始酶的比活力。

(5)木瓜蛋白酶在萃取體系中的結構表征 為了鑒定萃取后木瓜蛋白酶的結構,分別表征了水溶液和離子液體中木瓜蛋白酶的 UV-vis吸收光譜以及木瓜蛋白酶、離子液體、離子液體中木瓜蛋白酶的FT-IR吸收光譜。

(6)數據處理 采用Origin8.0對數據進行處理,每組均重復 3次,數據表示為平均值±標準偏差。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的離子液體溶液對酶活性的影響

配制質量分數為5.0%、15.0%、25.0%、35.0%、45.0%的離子液體,固定 pH 8.0(添加 HCl或者NaOH),溫度 30℃,考察不同濃度的離子液體對酶活性的影響,結果見圖1。由圖1可知,在較低濃度(35%以下)時,成相物質的存在對酶活性沒有明顯的抑制作用,即使成相物濃度達到 35%,酶活性比仍在 85%以上,其中離子液體[C2mim]Cl對酶活性反而還有促進作用;隨著成相劑濃度的進一步增加,對酶活性的抑制作用加強,故成相時離子液體的濃度不宜太大,控制在35%(質量分數)以下。

圖1 不同濃度的離子液體溶液對酶活性的影響Fig.1 Effect of concentration of ionic liquids on activity of enzyme

圖2 不同pH的離子液體溶液對酶活性的影響Fig.2 Effect of pH of ionic liquids on activity of enzyme

2.2 不同pH的離子液體溶液對酶活性的影響

配制質量分數為 25%的離子液體溶液,溫度30℃,考察離子液體中不同pH對酶活性的影響,結果見圖2。如圖所示,在離子液體溶液中,當pH<7.0時,對酶活性有抑制作用,而且隨著pH的降低,抑制作用逐漸加強;相反,當pH>7.0時,對酶活性有一定的促進作用。故實驗中為保持酶的活性,雙水相體系的pH應保持在7.0以上。

2.3 不同溫度的離子液體溶液對酶活性的影響

配制質量分數為25%的離子液體溶液,固定pH為8.0,考察不同溫度的離子液體對酶活性的影響,結果見圖3。如圖3所示,隨著溫度的升高,離子液體溶液對酶活性的抑制作用逐漸加強。[C2mim]Cl受溫度的影響相對較小,在溫度60℃時酶活性比有90%;[C6mim]Cl受溫度的影響相對較大,在溫度60℃時酶活性比只有58%;[C4mim]Cl、[C4mim]BF4、[C2mim]Br溶液在溫度 50℃時酶活性比在 90%左右,當溫度升到60℃時,酶活性比都低于80%,說明離子液體溶液在溫度較高時對酶活性影響較大。

圖3 不同溫度的離子液體溶液對酶活性的影響Fig.3 Effect of temperature of ionic liquids on activity of enzyme

圖4 不同離子液體雙水相體系對分配行為的影響Fig. 4 Effect of different ionic liquid aqueous two-phase systems on partitioning behavior

2.4 離子液體雙水相體系及鹽的濃度對分配行為的影響

根據文獻[11],選取[C4mim]BF4/NaH2PO4、[C4mim]Cl/K2HPO4、[C4mim]Br/K2HPO4雙水相體系,考察不同離子液體雙水相體系對木瓜蛋白酶分配行為的影響,結果見圖 4。結果表明,在所研究的3個體系中,[C4mim]BF4體系萃取木瓜蛋白酶的回收率偏低,NaH2PO4濃度為0.40 g·ml?1時達到最大,為65.48%,萃取木瓜蛋白酶的效果不理想,故舍去。說明離子液體種類不同,對蛋白質選擇性分離產生重要的影響,Zeng等[26]采用不同離子液體雙水相提取BSA,其萃取效果差異很大。[C4mim]Cl體系和[C4mim]Br體系的酶活性回收率和純化因子先增大后減小,在K2HPO4濃度為0.35 g·ml?1時達到最大,酶活性回收率分別為91.3%和86.55%,純化因子分別為1.48和1.49。原因是無機鹽的鹽析作用是雙水相成相的主要原因之一[27],增大 K2HPO4的濃度,無機鹽的鹽析作用加強,木瓜蛋白酶更趨向分配于上相,但過多的鹽對木瓜蛋白酶的活性影響又較大,實驗結果與Huang等[28]用離子液體雙水相提取BSA的結果相同。相比而言,[C4mim]Cl體系的酶活性回收率比[C4mim]Br體系的酶活性回收率整體偏高,純化因子相差不多,故選取 K2HPO4濃度0.35 g·ml?1的[C4mim]Cl體系進一步優化。

2.5 離子液體側烷基鏈長度及濃度對分配行為的影響

在上述最佳條件下,考察不同側烷基鏈長度的離子液體([Cnmim]Cl,n=2,4,6)及濃度對分配行為的影響。由圖5可知,隨著離子液體濃度的增大,[C2mim]Cl體系、[C4mim]Cl體系、[C6mim]Cl體系的酶活性回收率先增大后較小,最大分別為93.41%、92.03%、59.53%。原因是隨著離子液體濃度的增加,相比逐漸增大,木瓜蛋白酶的回收率隨之增大,繼續增大離子液體的濃度,體積排阻效應增大,導致木瓜蛋白酶在相間的傳遞以及在相中的擴散阻力大大增大,不利于蛋白質進入離子液體相,回收率下降,相同的結果在Lin等[29]使用離子液體雙水相提取BSA的研究中也可以觀察到。

在相同離子液體濃度下,[C6mim]Cl體系酶活性回收率明顯低于[C2mim]Cl和[C4mim]Cl體系。隨著離子液體側烷基鏈的增長,疏水性增強,其形成的雙水相臨界點越靠近原點,越有利于蛋白質選擇性分離,即易于分配于富含離子液體相中,分配系數增大[30],但離子液體側烷基鏈越長,反而對酶活性影響較大,不利于酶活性的保持。相比[C2mim]Cl和[C4mim]Cl體系,最高酶活性回收率基本相同,但圖5 (b)結果顯示,[C4mim]Cl體系木瓜蛋白酶的純化因子明顯高于[C2mim]Cl體系,0.25 g·ml?1時達到最大 1.5,而[C2mim]Cl體系純化因子最高為1.37。純化因子高,表明該體系對木瓜蛋白酶的分離選擇性好,酶純度高。綜合考慮,選取0.25 g·ml?1的[C4mim]Cl體系為最佳。

圖5 不同側烷基鏈長度的離子液體及濃度對分配行為的影響Fig.5 Effect of alkyl chain length and concentration of ionic liquid on partitioning behavior

2.6 酶添加量對分配行為的影響

在上述最佳條件下,考察酶添加量對分配行為的影響。由圖6可知,酶添加量在2.2 mg·ml?1左右時,酶活性回收率最大,為94.47%;在1.8 mg·ml?1時純化因子最大,為 1.51。酶添加量在 0.20~3.0 mg·g?1時,酶活性回收率和純化因子的變化不大,說明離子液體雙水相可以提供一個比較寬的酶添加范圍,這與 Cao等[31]利用離子液體雙水相提取HRP的結果相同。隨著酶添加量的增加,相比逐漸增大,回收率相對增加,繼續增加酶量,不僅上相發生微乳化現象,增大后續分離酶的工作量,也使上相的酶容量達到飽和,導致過多的木瓜蛋白酶分配于兩相中間,使回收率下降,造成酶的浪費。綜合考慮,酶添加量為2.0 mg·ml?1比較合適,不僅酶活性回收率和純化因子較高,實驗操作和計算也方便。

圖6 酶添加量對分配行為的影響Fig.6 Effect of dosage of papain on partition behavior

圖7 pH對分配行為的影響Fig.7 Effect of pH on partitioning behavior

2.7 pH對分配行為的影響

在上述最佳條件下,考察pH對分配行為的影響,結果見圖 7。由于木瓜蛋白酶是中性蛋白,在pH 7.0左右酶活性最大,過酸或者過堿對酶活性的影響較大,為保證木瓜蛋白酶的活性不受太大影響,選取pH=5.0~11.0。由圖7所示,體系pH在5.0~7.5時,木瓜蛋白酶的酶活性回收率逐漸增大;在所選取的7個pH中,pH 8.0時,酶活性回收率和純化因子最大,分別為95.16%和1.50;pH在7.5~10.0時,木瓜蛋白酶的回收率呈下降趨勢,這與木瓜蛋白酶的等電點和電荷性質有關[32]。蛋白質是兩性電解質,離子液體雙水相體系pH的變化必然會改變蛋白質的電荷性質,從而影響到離子液體咪唑類陽離子與蛋白質之間的靜電相互作用。因此,靜電相互作用在蛋白質選擇性分離中起著重要的作用。

2.8 溫度對分配行為的影響

在上述最佳條件下,考察溫度對分配行為的影響,結果如圖8所示。溫度的變化一方面影響相物理性質的變化(例如黏度和密度等),從而影響蛋白質的分配,另一方面溫度對體系的疏水相互作用和氫鍵作用也有影響,而疏水相互作用是蛋白質在離子液體雙水相中分配的主要驅動力,氫鍵相互作用對蛋白質的分配也有重要影響[11]。在20~30℃時酶活性回收率變化不大,在 30℃時達到 93.77%,隨著溫度的繼續升高,酶活性回收率急劇下降;蛋白回收率先減小后增大,在 50℃時最小,只有32.8%。原因是,一方面在此溫度下成相物質的密度、黏度等性質發生變化,從而影響蛋白質在離子液體雙水相中的分配;另一方面,隨著溫度的升高,疏水相互作用逐漸增強,氫鍵作用逐漸減弱,在50℃時,蛋白質氨基酸殘基和水分子間的氫鍵作用遭到破壞。此時氫鍵(其他分子間)的形成受疏水相互作用的影響較少,導致疏水相互作用的效果減弱[26]。一般來說,適當提高溫度有利于蛋白質分配于富離子液體相,但在 60℃時,蛋白回收率達到53.71%,而酶活性回收率只有13.49%。根據文獻[23]可知,木瓜蛋白酶具有耐高溫的特性,60℃對活性有一定影響,但影響不是很大,而離子液體的熱穩定性非常好,咪唑類離子液體在 400℃左右才開始分解[33],結合2.3節實驗可知,高溫(≥60℃)條件下,離子液體和木瓜蛋白酶之間存在相互作用,進而影響了木瓜蛋白酶的結構和活性。故提取木瓜蛋白酶的離子液體雙水相體系的溫度不宜太高,30℃左右為宜。

圖8 溫度對分配行為的影響Fig.8 Effect of temperature on partitioning behavior

3 結 論

木瓜蛋白酶在離子液體雙水相中選擇性分離的機理是比較復雜的。研究表明,在該體系中主要有3種作用力,即疏水相互作用、靜電相互作用和鹽析作用,蛋白酶的選擇性分配主要是這3種作用力的聯合效應,因此受到離子液體側烷基鏈長度及濃度、鹽濃度、pH、溫度等因素的影響,而疏水相互作用是蛋白酶在雙水相體系中分配的主要驅動力[11]。眾所周知,蛋白質表面存在著大量如酪氨酸、苯丙氨酸等芳香族氨基酸殘基,約占總蛋白的10%左右,由于離子液體中的咪唑陽離子與木瓜蛋白酶氨基酸的苯環上均含有π-電子結構,兩者之間存在強烈的π-π堆積作用,從而使木瓜蛋白酶趨于分配于富離子液體上相中[34]。

(1)通過對酶活性穩定的考察可知,在溫度(≤30℃)較低時,離子液體對木瓜蛋白酶的活性影響較小,低濃度時還能促進酶活性;高溫(≥60℃)時,離子液體對酶活性影響較大。

(2)考察不同離子液體雙水相系統對木瓜蛋白酶分配行為的影響,可知[C4mim]Cl和[C4mim]Br體系萃取木瓜蛋白酶的效果比[C4mim]BF4體系好。

(3)通過對溫度的考察可知,高溫(≥60℃)對離子液體雙水相體系萃取木瓜蛋白酶不利。

(4)實驗優化得到[C4mim]Cl/K2HPO4離子液體雙水相體系萃取木瓜蛋白酶的最佳條件為:[C4mim]Cl質量濃度 0.25 g·ml?1,K2HPO4質量濃度 0.35 g·ml?1,pH 8.0,酶添加量 2.0 mg·ml?1,30℃。此條件下木瓜蛋白酶的酶活性回收率達到95.16%,純化因子 1.5,萃取結果較理想。而采用PEG/鹽雙水相系統的酶活性回收率大都在 90%以下。

(5)實驗中存在的不足在于離子液體的成本較高,對工業化大規模提取不利。今后實驗室對廉價離子液體的合成進行研究,是有實際應用價值的。

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