樟絨枝霉α-淀粉酶在畢赤酵母中的高效表達及在麥芽糖漿制備中的作用

趙寧，王玉川，易萍，閆巧娟，江正強*

1(中國農業大學 食品科學與營養工程學院，北京，100083)2(中國農業大學 工學院，北京，100083)

α-淀粉酶廣泛應用于食品、飼料、造紙等工業中，在整個酶制劑市場中約占25%份額[1]。微生物是α-淀粉酶的主要來源，其中產α-淀粉酶的細菌主要是芽孢桿菌屬微生物[2]，真菌主要是曲霉和青霉屬[3]，此外還有一些嗜熱真菌產α-淀粉酶，如Scytalidiumthermophilum[4]和Thermomyceslanuginosus[5]。細菌α-淀粉酶的最適溫度和最適pH分布廣泛，真菌α-淀粉酶的作用條件較溫和，最適溫度一般在50～60 ℃，最適pH一般在5.0～6.0[3]。HAN等[6]研究了嗜熱真菌樟絨枝霉(Malbrancheacinnamomea)產α-淀粉酶的產酶條件、純化及性質，但產酶水平低，無法工業生產應用。

構建工程菌株是實現外源基因高效表達的有效途徑，巴斯德畢赤酵母作為較完善的真核表達系統，目前，已有多種來源α-淀粉酶在畢赤酵母中高效表達。WANG等[7]將地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)α-淀粉酶在畢赤酵母高效表達，經5 L發酵罐分批補料發酵168 h，α-淀粉酶產量為8.3 mg/mL，在 50 L發酵罐中α-淀粉酶產量為12.2 mg/mL；PARASHAR等[8]克隆來源于Bacillusacidicola和Geobacillusthermoleovorans嵌合的α-淀粉酶基因，成功表達于畢赤酵母，在7 L發酵罐中發酵，最終α-淀粉酶表達量為0.120 mg/mL，比酶活為1 180 U/mg(DNS法，每分鐘反應產生1 μmol麥芽糖定義為1個酶活單位)。可以看出α-淀粉酶在畢赤酵母中高效表達具有較大應用潛力，但是目前關于嗜熱真菌α-淀粉酶在畢赤酵母中表達的報道較少，僅有Rhizomucorpusillus來源α-淀粉酶。ZHANG等[9]將Rhizomucorpusillus來源α-淀粉酶和糖化酶在畢赤酵母共表達，與單一表達糖化酶相比，共表達淀粉酶的糖化活力提高了79%。

在麥芽糖漿的工業生產中，淀粉需經液化和糖化兩個步驟，液化主要采用耐高溫α-淀粉酶，糖化采用β-淀粉酶、真菌α-淀粉酶等糖化酶。真菌α-淀粉酶作為生產麥芽糖漿的關鍵酶之一，已廣泛應運于生產，如以大米淀粉為原料，經真菌α-淀粉酶水解制備得麥芽糖含量為45.18%的麥芽糖漿[10]。為制備高麥芽糖漿，常將α-淀粉酶與普魯蘭酶、β-淀粉酶等復配，亢潘潘[11]等將真菌α-淀粉酶與β-淀粉酶復配，制備得到麥芽糖含量為62.1%的麥芽糖漿。此外還采用色譜分離、酵母發酵等方法提高麥芽糖含量，黃偉紅[12]等將色譜分離后的麥芽糖漿經活性干酵母發酵，制備得到麥芽糖含量為99%的超高麥芽糖漿。本文將嗜熱真菌樟絨枝霉α-淀粉酶基因McAmyA在畢赤酵母GS115中高效表達和高密度發酵，研究重組α-淀粉酶McAmyA的酶學性質，并直接以工業化生產的液化產物為底物，研究該酶在制備麥芽糖漿中的應用。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

菌株：樟絨枝霉S168由本實驗室保存，大腸桿菌E.coliDH5α，購于北京博邁德生物技術有限公司，畢赤酵母GS115和質粒pPIC9K，購于美國Invitrogen公司，淀粉液化液由山東隆科特酶制劑有限公司提供(玉米淀粉為底物，細菌α-淀粉酶高溫液化制得)。

液化液原液：干物質含量32%，DE值32，葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、麥芽四糖的含量分別為(以干物質計)：1.5%、11.8%、14.1%、8.7%，殘留液化酶活為150 U/mL。

1.1.2培養基

LB、YPD、MD、BMGY、BMMY等培養基的配制方法參照Invitrogen公司的《畢赤酵母表達操作手冊》。

PTM1(g /L)：CuSO4·5H2O 6，NaI 0.08，MnSO4·H2O 3，Na2MoO4·2H2O 0.2，H3BO30.02，CoCl20.5，FeSO4·7 H2O 65，生物素 0.2，濃硫酸 5 mL。

1.2 方法

1.2.1 樟絨枝霉α-淀粉酶基因McAmyA的克隆和表達載體構建

根據HAN等[6]的報道，以cDNA為模板，設計引物McAmyADNAF(5′—ATGGTTTCAACAGCACTATTCCT—3′)和McAmyADNAR(5′—TCAGTTCTCGCAAAGCCCGGA—3′)，克隆樟絨枝霉α-淀粉酶基因McAmyA，然后將PCR擴增回收的DNA片段和巴斯德畢赤酵母表達載體pPIC9K雙酶切，酶切位點為SnaBI和AvrⅡ，用試劑盒回收DNA片段和表達載體pPIC9K，T4連接酶連接目的基因片段和表達載體后，轉化至大腸桿菌DH5α，涂布于含氨芐青霉素的LB抗性平板培養基，挑取轉化子進行菌落PCR和雙酶切驗證，陽性轉化子命名為pPIC9K-McAmyA。

1.2.2 α-淀粉酶基因McAmyA在畢赤酵母中表達

提取陽性轉化子質粒，進行線性化，電轉化至畢赤酵母感受態GS115，涂布于MD平板培養基，30 ℃培養4 d，待轉化子長出后，將其涂布在含不同濃度遺傳霉素G418的平板培養基。長出酵母后，挑取單菌落到BMGY培養基，30 ℃恒溫搖床培養至OD600=2～6，離心收集菌體，用BMMY培養基重懸并接種至BMMY培養基，使OD600達1.0，30 ℃恒溫搖床誘導3 d，每24 h補充甲醇，使甲醇終體積分數為0.5%。

1.2.3 畢赤酵母高密度發酵

選取搖瓶發酵酶活最高的菌株，在5 L發酵罐進行高密度發酵，工作體積為1.5 L，發酵方法和發酵培養基的配制參照PichiaFermentation Guidelines (Version B，053002，Invitrogen)。發酵過程主要分為分批培養、甘油流加培養和甲醇誘導培養3個階段。

分批培養：裝1.5 L基本培養基，滅菌發酵罐，28%濃氨水調節pH至4.0，加入PTM14.35 mL/L，接種量10%，起始轉速600 r/min，溫度30 ℃，發酵18～24 h。

甘油流加培養：待分批培養至培養基中的甘油耗盡，流加50%甘油，28%濃氨水調節pH至5.0，流速為18.4 mL/(h·L)，流加時間4～5 h，待OD600達180～220，停止流加甘油。

甲醇誘導培養：停止流加甘油后，饑餓30 min左右，28%濃氨水調節pH至6.0，轉速調為800 r/min，流加甲醇，誘導產酶，監控溶氧變化，保持DO>20%，發酵過程中取樣分析菌體濕重、酶活力和蛋白含量。

1.2.4 α-淀粉酶活力及蛋白含量的測定

α-淀粉酶活力測定：采用DNS法[13]測定酶活力，將900 μL用緩沖液配置的10 g/L可溶性淀粉，于一定溫度水浴鍋中預熱5 min后加入100 μL適當稀釋的酶液，在一定溫度下，水浴反應10 min，加入1 mL DNS終止反應，沸水浴10 min后測吸光值OD540，以葡萄糖作為標準品。酶活定義：每分鐘反應生成1 μmol葡萄糖所需要的酶量定義為1個酶活力單位。

另外，同時采用輕工行業標準(QB 2526—2001)測定酶活，將10 mL可溶性淀粉溶液在40 ℃水浴鍋中預熱10 min，加入適當稀釋的酶液1 mL，40 ℃準確加熱30 min后，加入費林試劑4 mL使酶失活，硫代硫酸鈉滴定測定生成的還原糖。酶活定義：反應30 min，反應液中產生相當于10 mg葡萄糖的還原糖所需的酶量，定義為1個淀粉糖化酶活力單位。

蛋白含量測定：參照LOWRY等的方法[14]，以牛血清蛋白(BSA)作為標準蛋白。

1.2.5 重組α-淀粉酶McAmyA的純化

重組α-淀粉酶McAmyA經甲醇誘導168 h后，10 000 r/min 離心5 min收集上清液，用50 mmol/L Tris-HCl (pH 8.0)在4 ℃條件下透析過夜，然后10 000 r/min離心10 min，收集上清液即為粗酶液。將粗酶液過QSFF強陰離子交換柱(50 mmol/L pH 8.0 Tris-HCl緩沖液平衡)，流速為1.0 mL/min，用0～500 mmol/L 的NaCl溶液洗脫，收集有α-淀粉酶活性的組分，采用SDS-PAGE分析蛋白純度。

1.2.6 最適pH和最適溫度測定

最適pH的測定：選擇不同pH的50 mmol/L 6種緩沖液，包括檸檬酸-檸檬酸鈉(pH3.0～6.0)、醋酸-醋酸鈉(pH4.0～6.0)、MES(pH5.5～7.0)、MOPS(pH6.5～8.0)、CHES(pH8.0～10.0)和CAPS(pH10.0～11.0)，配制1%可溶性淀粉底物，在65 ℃條件下，按照DNS法，測定重組α-淀粉酶McAmyA在不同緩沖體系中的酶活，測定酶活最高點設為100%。

最適溫度的測定：用最適pH緩沖液配制1%可溶性淀粉底物，在40～90 ℃條件下，按照DNS法測定重組α-淀粉酶McAmyA酶活，測定酶活最高點設為100%。

1.2.7 重組α-淀粉酶McAmyA水解液化液制備麥芽糖漿

1.2.7.1 重組α-淀粉酶McAmyA加酶量對麥芽糖含量的影響

以液化液為底物，在60 ℃和自然pH(pH 5.9)下，按照液化液質量分別添加α-淀粉酶40、60、80、100、120、140、160、180 U/g，水解8 h，HPLC檢測麥芽糖含量，考察重組α-淀粉酶McAmyA加酶量對麥芽糖含量的影響，并計算在最優加酶量下的水解率。

1.2.7.2 水解溫度對麥芽糖含量的影響

以液化液為底物，按照120 U/g的加酶量，自然pH(pH 5.9)，水解溫度分別為50、55、60、65、70、75 ℃下水解8 h，HPLC檢測麥芽糖含量，考察水解溫度對麥芽糖含量的影響，并計算在最佳水解溫度下的水解率。

1.2.7.3 水解時間對麥芽糖含量的影響

以液化液為底物，在加酶量為120 U/g、溫度60 ℃和自然pH(pH 5.9)的條件下分別水解8、10、12、14、16、20、24 h，HPLC檢測麥芽糖含量，考察水解時間對麥芽糖含量的影響，并計算在最佳水解時間下的水解率。

1.2.7.4 糖含量測定和水解率計算

糖含量采用高效液相(HPLC)測定。

色譜柱：氨基鍵合柱(4.6×250 mm，5 μm)；檢測器：ELSD 2424 蒸發光檢測器；柱溫：45 ℃；流動相：乙腈∶水=60∶ 40，流速1 mL/min，進樣體積10 μL，糖化液過0.22 μm濾膜，稀釋一定倍數備用。

水解液中各糖含量和水解率的計算如下：

(1)

(2)

干物質質量測定：阿貝折光儀直接測定(GB/T 20885—2007)。

2 結果與分析

2.1 α-淀粉酶基因McAmyA的畢赤酵母表達和高密度發酵

α-淀粉酶基因McAmyA在畢赤酵母GS115中成功表達，高拷貝篩選酶活最高的菌株進行5 L發酵罐高密度發酵，測定發酵液的酶活、蛋白含量和菌體濕重，并對發酵上清液進行SDS-PAGE分析，結果如圖1所示。

M-低分子質量標準蛋白；1-7分別為甲醇誘導24、48、72、96、118、144、168 h的發酵上清液圖1 畢赤酵母表達重組α-淀粉酶McAmyA的高密度發酵歷程(A)及SDS-PAGE(B)Fig.1 Time-course of recombinantα-amylase (McAmyA) expression in Pichia pastoris by high cell density fermention (A) and SDS-PAGE analysis of curde enzyme (B)

隨甲醇誘導時間增加，菌體濕重、蛋白含量和α-淀粉酶酶活力逐漸上升(圖1-A)，由SDS-PAGE可看出，目標蛋白條帶隨發酵時間增加逐漸變粗(圖1-B)。甲醇誘導168 h時，菌體濕重為470 g/L，胞外酶活力達13 440 U/mL(QB 2526—2001法測定酶活為：253.6 U/mL)，蛋白含量為13.2 mg/mL，酶活力相比最初搖瓶發酵(554 U/mL)，提高了24.3倍。

野生型樟絨枝霉菌株產α-淀粉酶活力低(308.5 U/mL)，α-淀粉酶基因McAmyA在畢赤酵母GS115中成功表達，進行高密度發酵后，相對于原始菌株發酵，酶活提高了43.6 倍。已報道畢赤酵母表達中α-淀粉酶的表達水平較低。米曲霉(Rhizopusoryzae)α-淀粉酶在畢赤酵母中表達，分批補料發酵140 h后，蛋白表達量為0.382 mg/mL[15]。地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)α-淀粉酶在畢赤酵母中表達，經5 L發酵罐發酵168 h，蛋白表達量為8.3 mg/mL(酶活8 100 U/mL，DNS法，每分鐘水解1 mg淀粉定義為1個酶活單位)[7]。本研究中樟絨枝霉α-淀粉酶在畢赤酵母GS115中高效表達，表達量在α-淀粉酶研究中處于較高水平。

2.2 重組α-淀粉酶McAmyA的純化

重組α-淀粉酶McAmyA的純化表如表1所示。

表1 重組α-淀粉酶McAmyA純化表Table 1 Purification summary of McAmyA

注：a酶活測定條件：可溶性淀粉為底物，MES緩沖液(pH 6.5)，65 ℃；b蛋白質測定采用Lowry法，以牛血清蛋白(BSA)為標準品。

發酵粗酶液經QSFF強陰離子交換柱后一步純化得到電泳級純酶，純化倍數為1.2，比酶活為1 230.2 U/mg，酶活力回收率為63.5%，純酶在SDS-PAGE上顯示為單一蛋白條帶(見圖2)，分子質量約為55 kDa。基因序列預測該蛋白分子質量為51.9 kDa，含有1個可能的N-糖基化位點，純酶經Endo H處理后，分子質量沒有發生明顯變化，說明該蛋白可能未發生糖基化。

M-低分子質量標準蛋白；1-純酶液；2-經Endo H酶切除糖基后的蛋白圖2 重組α-淀粉酶McAmyA的SDS-PAGE分析Fig.2 SDS-PAGE of recombinant α-amylase McAmyA

2.3 重組α-淀粉酶McAmyA的最適pH和最適溫度

重組α-淀粉酶McAmyA的最適pH和最適溫度見圖3。α-淀粉酶McAmyA的最適pH為6.5 (圖3-A)，最適反應溫度為65 ℃(圖3-B)，大于65 ℃，酶活降低，在90 ℃基本失活。

圖3 重組α-淀粉酶McAmyA的最適pH(A)和最適溫度(B)Fig.3 Optimal pH (A) and optimal temperature (B) of McAmyA

重組α-淀粉酶McAmyA與野生型樟絨枝霉α-淀粉酶的最適pH和最適溫度一致，最適pH接近于Fusicoccumsp.來源的α-淀粉酶[16](pH 7.0)，高于Paecilomycessp.來源的α-淀粉酶[17](pH 4.0)。最適溫度低于Fusicoccumsp.[16]來源的α-淀粉酶(70 ℃)，高于Geomycespannorum來源的α-淀粉酶[18](40 ℃)。

2.4 重組α-淀粉酶McAmyA制備麥芽糖漿

2.4.1 重組α-淀粉酶McAmyA加酶量對麥芽糖含量的影響

工業生產中，淀粉液化后直接進入糖化階段，因此選用液化液為底物，在溫度60 ℃和自然pH的條件下水解8 h，重組α-淀粉酶McAmyA加酶量對麥芽糖含量的影響如圖4所示。

圖4 重組α-淀粉酶McAmyA加酶量對麥芽糖含量的影響Fig.4 Effect of recombinant α-amylase McAmyA dosage on maltose content

加酶量小于120 U/g時，隨加酶量增加，麥芽糖含量明顯增加，加酶量大于120 U/g后，麥芽糖含量增加緩慢，同時考慮生產成本和糖化效率，選擇120 U/g為最適加酶量，此時的麥芽糖含量為44.3%，葡萄糖含量為14.4%(質量分數)，水解率為54.6%。

2.4.2 水解溫度對麥芽糖含量的影響

以液化液為底物，在加酶量120 U/g，水解8 h的條件下，水解溫度對麥芽糖含量的影響見圖5。

圖5 水解溫度對麥芽糖含量的影響Fig.5 Effect of hydrolysis temperature on maltose content

溫度小于60 ℃時，隨溫度升高，麥芽糖含量增加，糖化溫度60 ℃時，麥芽糖含量達到最大，最大為43.3%，葡萄糖含量為15.7%，此時水解率為54.9%，溫度大于60 ℃后，酶活穩定性差，水解率降低，麥芽糖含量減少。

2.4.3 水解時間對麥芽糖含量的影響

以液化液為底物，在加酶量120 U/g和水解溫度60 ℃的條件下，水解時間對麥芽糖含量的影響結果如圖6所示。隨水解時間增加，麥芽糖含量逐漸增加(圖6-A)，水解時間大于14 h，麥芽糖含量增加緩慢，水解24 h時，主要產物是葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖和少量麥芽四糖(圖6-B)，麥芽糖含量為50.0%(圖6-B)，葡萄糖含量為40.4%，此時的水解率為83.44%，達到GB/T 20883—2007對麥芽糖漿的要求，即麥芽糖含量≥50%。

圖6 水解時間對麥芽糖含量的影響(A)和水解24 h糖化液的HPLC色譜圖(B)Fig.6 Effect of time on maltose content (A) and HPLC chromatogram of maltose syrup at the optimal condition (B)

與已報道制備麥芽糖漿的研究相比，如張正文等[19]利用真菌α-淀粉酶在60 ℃和pH 5.5的條件下，水解40 h制備得麥芽糖含量為60%，葡萄糖含量為9.0%的啤酒用麥芽糖漿。易翠平等[10]以大米淀粉為原料，利用真菌淀粉酶在58 ℃下，水解10 h，制備得麥芽糖含量為45.18%，葡萄糖含量為4.75%的麥芽糖漿。郭俊珍等[20]在55 ℃下，水解44 h制備得76.8%的麥芽糖漿。重組α-淀粉酶McAmyA制備的麥芽糖漿中葡萄糖雖然含量較高，但是糖化溫度較高，時間較短，在糖化過程中具有一定優勢。

3 結論

將嗜熱真菌樟絨枝霉α-淀粉酶基因McAmyA在畢赤酵母中高效表達，高密度發酵168 h時，蛋白表達量為13.2 mg/mL，胞外酶活力達13 440 U/mL。重組α-淀粉酶McAmyA粗酶液經強陰離子交換層析純化得到電泳級純酶，酶學性質研究表明，重組α-淀粉酶McAmyA的最適pH和最適溫度分別為6.5 和65 ℃。以淀粉液化液為底物，在60 ℃、加酶量120 U/g和自然pH的條件下，水解24 h，重組α-淀粉酶McAmyA制備得麥芽糖含量為50.0%的麥芽糖漿。表明該酶在制備麥芽糖漿中具有很大應用潛力。