2種真菌漆酶降解桉葉木質素的比較

劉梓韜，王繼坤，王麗，曹庸，郭麗瓊，曹素芳，趙力超,2*

1(華南農業大學 食品學院，廣東 廣州，510642)2(廣東省天然產物綠色加工與產品安全重點實驗室，廣東 廣州，510640)3(澳優乳業(中國)有限公司，湖南 長沙，410200)

2種真菌漆酶降解桉葉木質素的比較

劉梓韜1，王繼坤1，王麗1，曹庸1，郭麗瓊1，曹素芳3，趙力超1,2*

1(華南農業大學 食品學院，廣東 廣州，510642)2(廣東省天然產物綠色加工與產品安全重點實驗室，廣東 廣州，510640)3(澳優乳業(中國)有限公司，湖南 長沙，410200)

從菌株對桉葉殘渣的降解、純酶與桉葉木質素吸附和降解以及底物和產物變化3個角度，比較研究了木霉LaTr01和靈芝TR6產真菌漆酶降解桉葉木質素的差異。研究結果表明，殘渣木質素的降解程度與菌株產漆酶的能力緊密相關，菌株在以桉葉殘渣為底物的固態發酵過程中，靈芝TR6產漆酶酶活較高，但木霉LaTr01具有表達量大、胞外分泌率高、產酶速度快等特點；兩種純化真菌漆酶在精制桉葉木質素上的吸附更貼近非均勻表面兩階段多層吸附，符合Sips吸附模型，靈芝TR6被桉葉木質素吸附量較多，酶解效果就更明顯；底物光譜分析和產物GC-MS法檢測表明，兩種漆酶對木質素降解后底物的官能團在種類上沒有變化，數量上有一定的差異，降解途徑都是側鏈氧化去甲基化和芳香環骨架斷裂。兩真菌漆酶降解桉葉木質素的差異性主要體現分子結構導致的與底物易接近性，從而進一步導致降解酶解率、產物種類和數量的差異。

桉葉木質素；漆酶；木霉；靈芝；酶解差異

桉樹(Eucalyptusspp.)為桃金娘科(Myrtaceae)桉屬(Eucalyptus)樹種的統稱，是全球三大著名速生造林樹種(桉、松、楊)之一，也是我國華南地區最主要的紙漿用材[1]，我國種植面積已逾200萬hm2[2]。桉葉是桉木加工過程中大量存在的副產品，含有桉葉油、黃酮、有機酸、鞣質及酚、蛋白質等有效成分[3-6]。目前對其的利用主要集中在桉葉精油的開發提取上[7]，對其他成分的應用開發研究較少。本課題組前期對桉葉中的多酚種質資源進行了研究[8]，分離提取出抗氧化活性較強的桉葉多酚。經檢測，提取精油和桉葉多酚后的桉葉殘渣中還含有大量的木質素，如果最終的木質素殘渣也能加以利用，就能實現桉葉資源的整體再利用。

目前眾多木質素再利用方法中，生物降解法具有處理成本低、條件溫和、對環境無污染等優點，是具有應用潛力的一種方法[9]。在自然界中，木質素完全降解需要真菌、細菌和其他微生物群落共同作用，其中真菌起著主要作用[10]。真菌降解木質素通過分泌木質素降解酶，如漆酶(Laccase)，木質素過氧化物酶(LiP)及錳過氧化物酶(MnP)，并在氧分子的共同作用下完成酶解[11]。其中真菌漆酶作為一種多功能氧化還原酶，能夠催化木質素等多種化合物的氧化降解反應[12]，具有更大的實際應用價值。目前漆酶主要用擔子菌中的白腐菌生產[13]，但隨著研究的深入和應用的需要，其他漆酶高產菌株不斷被挖掘。課題組前期篩選出2株產漆酶真菌，1株為靈芝(Ganodermalucidum)TR6，優化后菌株產漆酶最高活性可達11 000 U/L[14]與其他常用漆酶生產菌株(糙皮側耳類)相比，漆酶活性有了較大幅度提高，同時該菌株具有較高的食藥用價值。另1株為華南地區土壤中分離得到的產漆酶的小型絲狀真菌，鑒定為棘孢木霉(Trichodermaasperellum)LaTr01，該菌酶活可達480.556 U/L[15]，比靈芝TR6低，但其具有表達量大、胞外分泌率高、產酶速度快等優點。

雖然漆酶降解木質素的機理已經很清晰，但漆酶對不同的底物的降解能力并不一致，針對桉葉木質素的分解能力尚未見報道，對不同漆酶在同一種底物上的降解差異性研究也不夠系統。課題組比較了兩種真菌靈芝TR6和木霉LaTr01在桉葉殘渣上的生長和利用能力，同時將菌株分泌的漆酶純化，研究兩種真菌漆酶與桉葉木質素的吸附特性和降解特性，并對降解產物的種類和數量進行分析。課題組一方面試圖解釋真菌漆酶降解木質素的差異性所在，對漆酶降解理論體系提供新的數據，另一方面為推動木質素降解產物工業化生產和桉葉加工廢棄物的綜合利用打下理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桉葉殘渣，取自課題組利用廣林9號桉樹葉提取桉葉精油、桉葉多酚后剩余殘渣，其中木質素含量為30.15%，纖維素含量為41.09%，半纖維素含量為24.05%；木霉LaTr01號菌株，由課題組研究人員自華南地區的菜地、草地、樹木園、湖邊淤泥中及湖邊枯木堆中篩選獲得；靈芝TR6號菌株，由課題組研究人員從熱帶地區多株木腐真菌中篩選獲得。

木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶，由課題組經過鹽析、超濾和分級柱層析獲得，比活力分別為32.16 U/mg和65.38 U/mg。木霉LaTr01產漆酶表觀分子量為69.2 kDa，降解木質素無需誘導劑，最適作用條件為pH5.0、50 ℃；靈芝TR6產漆酶表觀分子量為62.6 kDa，0.05 mmol/L ABTS為最佳誘導劑，含誘導劑最適作用條件為pH4.6、50 ℃。

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基，北京陸橋技術有限公司；雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA)，上海古朵生物科技有限公司；2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)，Sigma公司。

1.2 儀器與設備

SW-CJ-2D型超凈工作臺，蘇州智凈凈化設備有限公司；JY92-2D型超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；UV-3010系列紫外可見分光光度計，日本島津；VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀，德國BRUKE公司；7890A-5975氣相質譜連用，安捷倫。

1.3 實驗方法

1.3.1 桉葉木質素的提取

將干燥后的桉葉殘渣在常溫下用二氧六環-水(體積比9∶1)溶劑連續抽提4 h，反復提取3次，使原料中木質素和可溶性物質全部被提取出來。然后在旋轉蒸發器中，在真空條件下于40 ℃下將溶劑蒸干，得到粗制二氧六環木質素。所得到的粗木質素按Lundquist 液-液提純方法進行精制[16-17],該方法得到部分水解的、極少縮合的木質素，可作為結構研究用[18]。

1.3.2 桉葉木質素1H-NMR分析

稱取15 mg樣品溶于0.5 mL DMSO-d6中，在DRX500型超導核磁共振波譜儀上進行1H-NMR測定。

1.3.3 漆酶活力的測定

參考韓君莉的方法[14]并加以改進。以0.5 mmol/L ABTS作為反應底物，在pH4.5的檸檬酸-檸檬酸鈉體系中，加入適量的酶液，50 ℃反應5 min。在紫外分光光度計測定420 nm處反映吸光值的變化，取其線性部分，計算漆酶的酶活力。定義每分鐘轉化1 μmol的底物所需的酶量為1個酶活力單位。

1.3.4 兩菌株對桉葉殘渣的降解差異

稱取一定量100目桉葉殘渣，加入無機鹽營養液(其中Cu2+為1.0 mmol/L)使其充分濕潤，滅菌后接入菌株(靈芝TR6體系額外添加誘導劑ABTS 0.05 mmol/L)。在溫度為36 ℃、濕度為80%條件下培養，每隔一段時間測殘渣中木質素的量和單位殘渣中漆酶的活力。降解率D渣%按公式(1)計算：

(1)

式中：D渣%為桉葉殘渣中木質素降解率；M0為桉葉殘渣中初始木質素的質量分數；M1為降解一段時間后桉葉殘渣中木質素的質量分數。

1.3.5 兩種漆酶在桉葉木質素上的吸附及降解差異

1.3.5.1 漆酶的吸附動力學

參考趙力超的方法并加以改進[19]。取1 g精制的桉葉木質素，加入100 mL pH4.5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液浸沒，在4 ℃的冰箱中放置12 h，使木質素充分潤脹，達到最大表面積。分組加入過量的等蛋白質質量(20 mg)的兩種純化漆酶(靈芝TR6漆酶反應體系含誘導劑ABTS 0.05 mmol/L)。在4 ℃，轉速為150 r/min下吸附，測定不同時間(0、5、10、20、30、60、120、180 min)體系中上清液酶活。空白同上操作，不加吸附劑。吸附量按公式(2)計算：

(2)

式中：Γ，單位底物對酶蛋白的吸附量， mg/g；C0、C1分別是吸附前后酶液的酶活， U/mL；V為體系總體積，mL；m，體系中固體桉葉木質素質量，g；v，所取酶液的體積，mL；SA為酶的比活力，U/mg。

1.3.5.2 漆酶的吸附等溫線及等溫線模型

操作步驟同上，根據吸附動力學結果設定等溫吸附時間，測定不同加酶量(1、2、4、6、8、10、12、16、20 mg)體系中上清液酶活。吸附量按公式(2)計算。繪制吸附等溫線，根據吸附等溫線的形狀和數據，用Freundlich吸附模型(3)、Langmuir單層吸附模型(4)和Sips吸附模型(Langmuir模型改進型)(5)對實驗數據進行擬合。數據采用Origin軟件處理。

(3)

(4)

(5)

式中：Γe平衡吸附量，mg/g；Γmax為飽和吸附量，mg/g；Ce為單位酶質量濃度，mg/L；b，吸附作用平衡常數；n，吸附劑的不均一性。

1.3.5.3 漆酶的酶解動力學

參考趙力超的方法并加以改進[19]。用100 mL pH4.5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液體系浸泡1 g精制的桉葉木質素，在4 ℃的冰箱中放置12 h，使桉葉木質素充分潤脹，達到最大表面積。加入15 mg純化漆酶(靈芝TR6漆酶體系含誘導劑ABTS 0.05 mmol/L)。在50 ℃、轉速150 r/min條件下反應一定時間(0、10、20、30、60、100、140、180 min)，研究反應時間對降解率的影響。反應前后在280 nm下測定吸光值，木質素的降解率D木%按照公式(6)計算：

(6)

式中：D木%，精制桉葉木質素的降解率；A0、A1分別為降解前后精制桉葉木質素的吸光值。

1.3.5.4 酶解前后桉葉木質素紅外光譜

取1 mg酶解180 min后的樣品和100 mg KBr在干燥條件下混合均勻后研磨、壓片，在德國BRUKER VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀上進行測試。掃描范圍：4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.5.5 酶解前后體系生成物分析

酶解產物用GC-MS法分析[20]。GC分析采用一級程序升溫，45 ℃停留4 min以3 ℃/min升溫至280 ℃，保持15 min進樣口溫度為250 ℃，檢測器溫度為280 ℃，載氣為氦氣，流量1.0 mL/min，分流比為100∶1。MS測試電離源的電子能量為70 eV，離子源溫度為230 ℃，掃描范圍為15～500 u。利用儀器配套的分析軟件和NIST02質譜庫及人工分析產物的組成并鑒定結構。

2 結果與分析

2.1 桉葉木質素1H-NMR分析

圖1 桉葉木質素的1H-NMRFig.1 1H-NMR spectra acquired of Eucalyptus leaves lignin

表1 桉葉木質素的1H-NMR峰譜主要歸屬Table 1 The assignments of Eucalyptus leaves lignin main1H-NMR absorption peaks

2.2 兩菌株對桉葉殘渣的降解差異

課題組利用自主研發的低溫連續相變萃取技術[19]，以廣林9號桉樹葉為原料，提取桉葉精油、桉葉多酚[21]，以提取后剩余的殘渣為底物，研究木霉LaTr01和靈芝TR6在固態發酵過程中的產漆酶規律和對底物中木質素的降解規律，如圖2所示。

從產漆酶能力比較2種菌株(圖2右Y軸)：在木質素含量30%左右的桉葉殘渣固體發酵培養基上，木霉LaTr01產漆酶的速度明顯快于靈芝TR6，在8 d達到峰值，靈芝TR6在21 d才達到峰值。但靈芝TR6的最大漆酶酶活為木霉LaTr01的1倍，能達到60 U/g。從對桉葉殘渣的降解比較2種菌株(圖2左Y軸)：木霉LaTr01在8 d內分解木質素較快，此后降解速度趨緩，最大分解率為18.5%；靈芝TR6在16 d內的降解速度較慢，在16～24 d內快速上升，此后緩慢增加，最大分解率為31.3%。2菌株對桉葉殘渣的降解快慢和降解率高低與菌株產酶規律基本一致。

圖2 兩菌株產漆酶和降解木質素隨時間變化規律Fig.2 The variation of Laccase production and lignin degradation with time in two strains

2.3 兩種漆酶在桉葉木質素上的吸附等溫線

圖3為4 ℃下，木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶(已純化，比活力分別為32.16 U/mg和65.38 U/mg)在精制桉葉木質素上的吸附動力學實驗結果。

圖3 在4 ℃下，木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶在精制桉葉木質素上的吸附動力學Fig.3 Adsorption dynamics of LaTr01 and TR6 on refined Eucalyptus leaves lignin at 4 ℃

由圖3可見，兩種漆酶在精制桉葉木質素上都能很快達到吸附平衡，均在40 min左右。在吸附體系中，純酶在溶液和單一吸附劑表面之間平衡分布是固定的，由吸附動力學結果可以設定酶的等溫吸附實驗時間為45 min。

圖4 在4 ℃下，木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶在精制桉葉木質素上吸附45 min時的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of LaTr01 and TR6 on refined Eucalyptus leaves lignin for 45 min at 4 ℃

由圖4可知，4 ℃吸附45 min條件下，兩條吸附等溫線均符合“S”型吸附等溫線特征。當平衡液酶量較小時，吸附量隨著平衡液酶量的增加而緩慢增大；當平衡液酶量繼續增加，吸附量會急劇增加；當平衡液酶量達到某一值時，吸附量增加開始變緩。桉葉木質素對靈芝TR6產漆酶吸附量較高。

2.4 兩種漆酶與桉葉木質素間的等溫線模型

根據圖3等溫線形態，“S”型特征首先排除Freundlich吸附模型，用Origin軟件對數據進行Langmuir和Sips吸附模型擬合，結果如表2所示。從R2來看，Sips吸附模型比Langmuir單分子層吸附模型更符合試驗結果，按該模型繪制的回歸曲線見圖4中的實線。

表2 按照公式(4)和公式(5)計算的吸附等溫線模擬參數Table 2 Simulation parameters of the adsorption isotherms calculated from the formula(4) and the formula(5)

2.5 兩種真菌漆酶對桉葉木質素的酶解差異

兩種真菌漆酶對桉葉木質素降解率隨時間變化的曲線如圖5所示。在前80 min內，降解率隨著時間的增加而迅速升高，隨后變緩。靈芝TR6漆酶對木質素的降解率較高，最后穩定在33.98%左右，木霉LaTr01漆酶降解率穩定在22.99%左右。

圖5 木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶在精制桉葉木質素上的酶解動力學Fig.5 Enzymolysis kinetics of LaTr01 and TR6 on refined Eucalyptus leaves lignin

EL1:桉葉木質素； EL2:LaTr01酶解后的桉葉木質素；EL3:TR6酶解后的桉葉木質素圖6 紅外光譜圖Fig.6 IR Spectrum

表3 主要紅外吸收譜帶歸屬Table 3 The assignments of main IR absorption peaks

在24 h條件下比較2種真菌漆酶對桉葉木質素降解的差異，GC-M分析結果見表4。從表4可以看出，空白組出現1,2,3-丙三羧酸及少量的丙酸、十八酸、棕櫚酸等物質，與文獻中報道的情況吻合，表明木質素確實發生了降解。HERNANDEZ等[22-23]研究發現在木質素的對照組出現小分子的醛類和酸類物質，認為是木質素被空氣中的氧氣氧化所致。靈芝TR6降解桉葉木質素的產物中含量較高的是丙酸和丙二酸，分別為12.33%和19.67%，丙二酸、乙酰乙酸、丁二酸、丁酸、十四烷酸、L-脯氨酸等都是新生成的物質；木霉LaTr01降解桉葉木質素的產物中出現了丙二酸、丁二酸等新物質，丙酸含量略有增加，其余成分變化不大。

表4 木霉LaTr01和靈芝TR6產漆酶桉葉木質素的產物GC-MS檢測結果Table 4 Analysis results of Eucalyptus leaves Lignin after enzymatic hydrolysis by LaTr01 and TR6 by GC-MS

3 結論

(1)兩種產漆酶菌株在桉葉殘渣上的固體發酵試驗表明，雖然菌株在發酵過程中均會產生含漆酶在內的復雜酶系，但二者對底物的利用都依賴于漆酶的分泌，殘渣木質素的降解程度與菌株產漆酶的能力緊密相關。同時，該結果驗證了課題組前期液體發酵的結果，兩菌株產酶各有優點，靈芝TR6產漆酶酶活較高，但木霉LaTr01具有表達量大、胞外分泌率高、產酶速度快等優點。

(2)實驗構建的等溫吸附體系是異類的固液體系，由水不溶性木質素和水溶性漆酶組成。提純的桉葉木質素(吸附劑)對不同菌種產漆酶的吸附量不同，說明酶與底物的易接近性不同。漆酶對木質素的易接近性受許多因素影響，如木質素的表面積、密度、孔隙率、孔徑大小，酶的分子大小、結構、基團等。木質素是由苯基丙烷結構單元通過碳-碳和醚鍵連接而成的具有三度空間的高分子聚合物，易形成氫鍵，憎水基多，不易與水形成氫鍵，而對兩菌株產漆酶吸附量都比較大。兩種漆酶的分子量接近，木霉LaTr01產漆酶為69.2 kDa，靈芝TR6產漆酶為62.6 kDa。而漆酶是一種糖蛋白，肽鏈一般由500個左右的氨基酸組成，糖基占整個分子的10%～45%[24]，糖基的差異導致同工酶的產生[25]。因此，推測實驗中的等溫吸附差異是由溶液中漆酶的結構狀態和糖基的變化造成，原因有待于對兩種漆酶的結構進一步研究。

(3)漆酶在木質素上的吸附是一個極其復雜的過程，清楚地認識酶在溶液中的固體上吸附機理存在一定的困難，但可以借助數學模型從理論上進行剖析。實驗中Sips吸附模型更符合兩種漆酶在木質素上的吸附特性，該模型是Langmuir單分子層吸附模型的變型，是一種非均勻表面兩階段吸附熱力學模型。這說明，兩種真菌漆酶在木質素上的吸附不是簡單的單分子層吸附，更貼近非均勻表面兩階段多層吸附。該模型的建立可對指導設計生化反應器提供參數依據。

(4)酶解動力學和GC-MS結果都說明，對同一種底物來說，吸附酶量越大，酶解率越高。靈芝TR6被桉葉木質素吸附量較多，酶解效果就更明顯。GC-MS同樣檢測到的丙酸、丁酸等小分子酸類物質，可以說明木質素芳香環骨架發生斷裂后，被氧化生成羧酸類或者醛類物質[26]。兩種漆酶對木質素降解后底物的官能團在種類上沒有變化，數量上有一定的差異，降解途徑都是側鏈氧化去甲基化和芳香環骨架斷裂，進而說明了不同來源的漆酶作用在木質素的位點是相同的，但程度不同。

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ComparativestudyonEucalyptusleaveslignindegradationbytwofungallaccase

LIU Zi-tao, WANG Ji-kun1, WANG Li1, CAO Yong1,GUO Li-qiong1, CAO Su-fang3, Zhao Li-chao1,2*

1(College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)2(Guangdong Province Key Laboratory for Green Processing of Natural Products and Product Safety, Guangzhou 510640, China)3(Ausnutria Dairy (China) Co. Ltd., Changsha 410005, China)

TheEucalyptusleaves lignin degradation byTrichodermaspp. LaTr01 andGanodermalucidumTR6 from three aspects the degradation ofEucalyptusleaves, the adsorption and degradation of pure enzyme andEucalyptuslignin, and the changes of substrate and product. The results prove that the degradation degree of residual lignin was closely related to the laccase producing ability. In the process of solid-state fermentation withEucalyptusleaves residue as substrate, the laccase activity of TR6 was higher, LaTr01 showed the characteristics of high expression, high excretion rate and rapid enzyme production. The adsorption of two kinds of purified laccase on purifiedEucalyptuslignin was close to the Uniform Surface Two-Step Adsorption Model, which conformed to Sips adsorption model adsorption capacity of TR6 was higher and the effect was more obvious. Spectroscopic analysis of the substrate and detection of the product by GC-MS showed that there was no difference in the number of functional groups in the substrates of the two kinds of laccase, the degradation pathway of both the side chain oxidative demethylation and the aromatic ring skeleton breakage. The differences of the degradation ofEucalyptusleaves lignin by two kinds of fungal laccase mainly showed that the molecular structure of laccase led to the accessibility of the substrate, which further led to the enzymatic hydrolysis rate the type and quantity of products.

Eucalyptusleaves lignin; laccase;Trichoderma;Ganodermalucidum; difference of enzymatic hydrolysis

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014223

碩士研究生(趙力超副教授為通訊作者,E-mail：zlc@scau.edu.cn)。

廣東省科技計劃項目(2013B090800022)；廣東省科技計劃項目(2017A020224024)；廣東省天然產物綠色加工與產品安全重點實驗室開放基金資助項目(201613)

2017-03-06，改回日期：2017-07-12