王 藏,馬小藝,田小鵬,祖航天,丁延帥,呂明生,王淑軍,*
(1.江蘇海洋大學(xué) 海洋資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 連云港 222005;2.江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 連云港 222005)
磷脂酶是能特異性水解磷脂的酶的統(tǒng)稱,分布于動(dòng)物、植物和微生物中。廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、油脂精煉、磷脂改性、食品加工等領(lǐng)域[1-5]。另外,磷脂酶在許多生理過(guò)程中起重要作用,如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、磷脂代謝、細(xì)胞骨架組織等[6-7]。磷脂酶根據(jù)作用于底物的位置不同可以分為磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶B、磷脂酶C、磷脂酶D[8-14]。
磷脂酶B(又稱溶血磷脂酶,EC.3.1.1.5)能夠水解sn-1和sn-2的?;?,釋放出溶血磷脂和兩個(gè)脂肪酸;同時(shí),還具有溶血磷脂酶和轉(zhuǎn)?;富盍15]。研究發(fā)現(xiàn),磷脂酶B在人體和動(dòng)物的表皮細(xì)胞[9,16]、細(xì)菌[17-19]和真菌[20-21]中大量存在。已有磷脂酶B基因克隆表達(dá)的相關(guān)研究[22-23]。磷脂酶B在油脂精煉的脫膠上起關(guān)鍵性作用,可以把非水合磷脂轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的水合形式,通過(guò)離心進(jìn)行分離和去除[22]。與傳統(tǒng)脫膠方法相比,減少了化學(xué)藥品的消耗,降低損耗[15]。在高附加值磷脂衍生物的生產(chǎn)方面亦起著重要作用[1]。甘油磷脂酰膽堿作為體內(nèi)天然存在的較少的水溶性磷脂代謝產(chǎn)物,可延緩記憶力衰退,治療腦部中風(fēng)與腦部損傷患者,故常用于食品保健中,而使用磷脂酶水解磷脂制備甘油磷脂酰膽堿,得率高于其他方法[24]。李蔚筠等[25]探索華支睪吸蟲分泌排泄蛋白磷脂酶B(Clonorchis sinensisphospholipase B,CsPLB)與乙肝病毒X蛋白(hepatitis B virus,HBx)共同作用對(duì)HepG2肝癌細(xì)胞株增殖、凋亡的影響,研究發(fā)現(xiàn)rCsPLB與HBx共同作用可促進(jìn)HepG2細(xì)胞的增殖和凋亡。此外,磷脂酶B還可以加快受損皮膚的修復(fù),引起了化妝品行業(yè)的注意[15]。磷脂酶B在食品添加劑、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域的市場(chǎng)需求大[24,26]。
海洋的微生物種類繁多,因特殊的地理環(huán)境,微生物的特性與陸生微生物有較大差異,是篩選新型產(chǎn)酶菌株以及獲得獨(dú)特磷脂酶B的重要來(lái)源[27-28]。本研究從黃海49 m深處采集泥樣,篩選產(chǎn)磷脂酶B活性高的微生物菌株,進(jìn)行菌株鑒定、生長(zhǎng)特性、發(fā)酵條件以及酶學(xué)性質(zhì)研究,擬為該菌株及其酶的進(jìn)一步應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
1.1.1 樣品
取自黃海49 m深處采集的底泥樣品。
1.1.2 培養(yǎng)基
富集培養(yǎng)基:蛋黃卵磷脂1 g/L、陳海水、pH值自然;分離培養(yǎng)基:蛋黃卵磷脂2 g/L、瓊脂20 g/L、陳海水、pH值自然;發(fā)酵培養(yǎng)基:酵母粉10 g/L、葡萄糖10 g/L、陳海水、pH值自然;種子液培養(yǎng)基:葡萄糖10 g/L、胰蛋白胨10 g/L、陳海水、pH值自然;硼砂卵黃固體平板:硼酸10.9 g/L、硼砂1.9 g/L、瓊脂粉20 g/L、蛋黃20 g/L、pH 7.2~7.4。
1.1.3 試劑
磷脂酰膽堿標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、磷脂酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、溶血磷脂酰膽堿標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、1-棕櫚酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰膽堿 美國(guó)Aladdin公司;軟脂酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、油酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心;蛋黃卵磷脂 生工生物工程(上海)股份有限公司;GF254硅膠薄層板 青島海洋化工廠分廠;蛋白胨、瓊脂粉等均為生化試劑。
SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱 上海博迅公司;Innova 44R恒溫?fù)u床、Centrifuge 5424R型離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf公司;Multiskan GO全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀 美國(guó)Thermo Scientific公司;7890A型氣相色譜儀 安捷倫科技(中國(guó))有限公司。
1.3.1 產(chǎn)酶菌株富集與分離純化
取1 g海泥接入50 mL富集培養(yǎng)基中,180 r/min、30 ℃搖瓶富集培養(yǎng)24 h,將富集培養(yǎng)液梯度稀釋10-1~10-7后涂布到分離培養(yǎng)基上,挑選帶有透明圈的菌落,進(jìn)一步純化后保藏。
1.3.2 產(chǎn)酶菌株形態(tài)特征及鑒定
菌株平板劃線培養(yǎng)后,觀察菌落形態(tài),進(jìn)行革蘭氏染色、芽孢染色、莢膜染色、鞭毛染色、生物掃描電鏡觀察。對(duì)菌株進(jìn)行生理生化實(shí)驗(yàn)。將菌株培養(yǎng)12 h,提取DNA(杭州寶賽DNA試劑盒),使用細(xì)菌16S rDNA通用引物進(jìn)行基因擴(kuò)增,通用引物為:上游引物27F:5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’;下游引物1492R:5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’。系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建:通過(guò)軟件DNAMNA和MEGA對(duì)序列進(jìn)行分析,用Neighbor-joining構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,并進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。
1.3.3 產(chǎn)酶菌株生長(zhǎng)條件優(yōu)化
在種子培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上,研究不同碳源、氮源、溫度、pH值、NaCl對(duì)菌株生長(zhǎng)的影響。碳源質(zhì)量濃度為10 g/L(葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖、可溶性淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米粉、大麥粉、米糠、麩皮、糊精);氮源的質(zhì)量濃度為10 g/L(胰蛋白胨、魚粉蛋白胨、大豆蛋白胨、酵母粉、花生粉、羽毛粉、干酪素、尿素、硫酸銨、氯化銨、硝酸鈉);溫度分別設(shè)置為20~45 ℃;配制pH值分別為5~11的培養(yǎng)基;NaCl質(zhì)量濃度設(shè)置為0~100 g/L。培養(yǎng)條件為180 r/min、25 ℃培養(yǎng)24 h,檢測(cè)菌液OD600nm。
1.3.4 粗酶液的制備
將產(chǎn)酶菌株接種到種子培養(yǎng)基中,180 r/min培養(yǎng),裝液量20%,25 ℃培養(yǎng)9 h,將種子液以2%的接種量接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中,180 r/min、30 ℃培養(yǎng)48 h后,將發(fā)酵液7 104×g離心20 min,取上清液,4 ℃保藏備用。
1.3.5 磷脂酶活力測(cè)定
根據(jù)代書玲等[29]的方法,采用硼砂卵黃平板牛津杯法測(cè)定酶活力。將用緩沖液稀釋5 倍的粗酶液加入放置在硼砂卵黃平板上的牛津杯中,37 ℃溫育24 h,測(cè)定暈圈的直徑判斷酶活力。根據(jù)吉得寧[30]的方法,加以改進(jìn),測(cè)定粗酶液中的磷脂酶活力與脂肪酶活力。
1.3.6 菌株產(chǎn)酶發(fā)酵條件優(yōu)化
在發(fā)酵培養(yǎng)基上,研究不同的碳源、氮源、溫度、pH值、NaCl、接種量、發(fā)酵時(shí)間對(duì)菌株發(fā)酵產(chǎn)酶的影響。質(zhì)量濃度為10 g/L的碳源(葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、馬鈴薯淀粉、蛋黃卵磷脂、米糠、麩皮、糊精)替換發(fā)酵培養(yǎng)基中的葡萄糖制備培養(yǎng)基;用質(zhì)量濃度為10 g/L氮源(胰蛋白胨、魚粉蛋白胨、大豆蛋白胨、酵母粉、羽毛粉、花生粉、干酪素、尿素、硫酸銨)替換發(fā)酵培養(yǎng)基中的酵母粉配制培養(yǎng)基,并配制不同質(zhì)量濃度最佳碳氮源(5~40 g/L)進(jìn)行優(yōu)化;配制pH值分別為6~9.5的發(fā)酵培養(yǎng)基;溫度分別設(shè)置為15~45 ℃;NaCl質(zhì)量濃度設(shè)置為10~100 g/L;接種量設(shè)置為0.5%~4%。發(fā)酵時(shí)間設(shè)為從12 h起每隔6 h取樣1 次。在30 ℃搖床培養(yǎng)48 h后,7 104×g離心20 min,測(cè)定上清液中粗酶液活力。
1.3.7 菌株產(chǎn)酶發(fā)酵條件正交試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取對(duì)產(chǎn)酶影響較大的因素(麩皮、魚粉蛋白胨、溫度、pH值),采用4因素3水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)化產(chǎn)酶條件。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 培養(yǎng)基配方優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Independent variables and levels used in orthogonal array design for medium formulation optimization
1.3.8 水解產(chǎn)物薄層層析(thin layer chromatography,TLC)和氣相色譜分析
將0.25 mL 5 mg/mL卵磷脂溶液加入1 mL粗酶液,30 ℃恒溫?fù)u床200 r/min,孵育12 h,加入0.5 mL 50 mmol/L乙二胺四乙酸溶液和5 mL三氯甲烷-甲醇(2∶1,V/V)混合液,劇烈振蕩后靜置分層,取出有機(jī)相真空蒸發(fā)得到的白色殘留物,加0.2 mL三氯甲烷-甲醇(1∶1,V/V)混合液溶解后,進(jìn)行薄層層析。展開劑為氯仿-甲醇-乙酸(40∶15∶6,V/V)用碘熏蒸顯色[31]。
采用0.25 mL 5 mg/mL 1-棕櫚酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰膽堿溶液與1 mL粗酶液,30 ℃恒溫?fù)u床200 r/min,孵育12 h。將水解產(chǎn)物與軟脂酸、油酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行脂肪酸甲酯化。步驟如下:取水解產(chǎn)物1 mL,軟脂酸、油酸各2 mg分別放置于具塞試管中,加入1 mL 1%氫氧化鈉-甲醇溶液,振蕩混勻,充1 min氮?dú)狻?5 ℃水浴皂化15 min,冷卻至室溫。加入2 mL 5%鹽酸-甲醇溶液,振蕩混勻,充1 min氮?dú)狻?5 ℃水浴15 min進(jìn)行甲酯化,冷卻至室溫。加入2 mL正己烷萃取。將待測(cè)液裝入進(jìn)樣瓶,氣相色譜檢測(cè)。色譜條件:DB-1毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.530 mm,3 μm),載氣為N2,進(jìn)樣量1 μL,流速2.5 mL/min,分流比15∶1,進(jìn)樣口溫度250 ℃,柱溫從170 ℃以5 ℃/min上升至250 ℃,保持28 min,檢測(cè)器溫度250 ℃。
1.3.9 磷脂酶性質(zhì)分析
根據(jù)硼砂卵黃平板牛津杯法,測(cè)定磷脂酶的最適作用溫度、最適作用pH值、金屬離子對(duì)酶活力影響、有機(jī)溶劑對(duì)酶活力影響。設(shè)置溫度為30~60 ℃;用乙酸鈉緩沖液、磷酸鈉緩沖液和Tris-鹽酸緩沖液將硼砂卵黃固體平板的pH值調(diào)至4~9。將Ca2+、Ni2+、Co2+、Mg2+、Mn2+、Si2+、Zn2+、Ba2+、Fe3+、K+、Cu2+等離子鹽按1 mmol/L濃度添加到硼砂卵黃固體平板中;將有機(jī)溶劑與酶液、緩沖液按1∶2∶7的比例混合。取100 μL的待測(cè)液置于等距放置在硼砂卵黃平板上的牛津杯中,45 ℃溫育,檢測(cè)酶活力。
實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)平行樣,對(duì)結(jié)果計(jì)算平均值,并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析。差異顯著性分析采自SPSS中的S-N-K(S)。
經(jīng)多輪篩選,共獲得11 株菌,選擇透明圈最大的菌株HL9,如圖1A所示,菌株呈圓形,表面光滑,邊緣整齊,呈乳白色,菌落周圍出現(xiàn)較大的透明暈圈。革蘭氏陰性菌,無(wú)莢膜,無(wú)芽孢,無(wú)鞭毛,掃描電鏡顯示該菌為短桿菌(圖1B)。16S rDNA的序列全長(zhǎng)為1 401 bp,用Neighbor-joining構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,系統(tǒng)發(fā)育樹如圖2所示,菌株HL9與假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)相似度達(dá)到99%。如表2所示,該菌株不能利用大部分糖醇,精氨酸脫羧酶、鳥氨酸脫羧酶、賴氨酸脫羧酶、氧化酶、苯丙氨酸呈陽(yáng)性。

表2 菌株HL9的生理生化特征Table 2 Physiological and biochemical characteristics of strain HL9

圖1 菌株HL9菌落形態(tài)Fig. 1 Colony morphology of strain HL9

圖2 菌株HL9系統(tǒng)發(fā)育樹Fig. 2 Phylogenetic tree of strain HL9
2.2.1 不同碳源、氮源對(duì)生長(zhǎng)的影響
如圖3所示,菌株適應(yīng)多種碳源,最終選擇米糠作為最適碳源;菌株在有機(jī)氮源條件下生長(zhǎng)較好,在無(wú)機(jī)氮源中生長(zhǎng)較差,最終選擇酵母粉作為最適氮源。

圖3 碳源(A)和氮源(B)對(duì)菌株生長(zhǎng)的影響Fig. 3 Effects of carbon source (A) and nitrogen source (B) on the growth of strain HL9
2.2.2 溫度、pH值及NaCl質(zhì)量濃度對(duì)生長(zhǎng)的影響
如圖4A所示,菌株在20~35 ℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)穩(wěn)定,25 ℃時(shí)生長(zhǎng)最好,45 ℃幾乎不生長(zhǎng)。如圖4B所示,菌株在pH 6~9范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好,在pH 5.5和pH 10條件下,菌株無(wú)法生長(zhǎng)。如圖4C所示,在無(wú)NaCl條件下菌株不能生長(zhǎng),在NaCl質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),菌株生長(zhǎng)最好。該菌在較高鹽度(100 g/L)條件下,依然生長(zhǎng)良好,值得關(guān)注。竇旖君等[32]篩選的假交替單胞菌屬亦在較高質(zhì)量濃度下生長(zhǎng)良好。


圖4 溫度(A)、pH值(B)及NaCl質(zhì)量濃度(C)對(duì)菌株生長(zhǎng)的影響Fig. 4 Effects of temperature (A), pH (B) and NaCl concentration (C)on the growth of strain HL9
2.3.1 碳源及添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響
如圖5所示,麩皮和葡萄糖促進(jìn)產(chǎn)酶的能力較強(qiáng),選用麩皮為產(chǎn)酶碳源,10 g/L麩皮產(chǎn)酶效果最好。

圖5 碳源種類(A)和碳源添加量(B)對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響Fig. 5 Effects of carbon source type (A) and concentration (B) on enzyme-producing capacity of strain HL9
2.3.2 氮源及添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響
如圖6A所示,魚粉蛋白胨、大豆蛋白胨、酵母粉和羽毛粉等產(chǎn)酶效果良好,最終選用魚粉蛋白胨為發(fā)酵培養(yǎng)基氮源。如圖6B所示,5 g/L魚粉蛋白胨產(chǎn)酶效果最好。隨著添加量的增加,產(chǎn)酶效果逐漸減弱。

圖6 氮源種類(A)和氮源添加量(B)對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響Fig. 6 Effects of nitrogen source type (A) and concentration (B) on enzyme-producing capacity of strain HL9
2.3.3 溫度、pH值及NaCl質(zhì)量濃度對(duì)產(chǎn)酶的影響
如圖7A所示,15~25 ℃產(chǎn)酶效果一直呈上升趨勢(shì),在25 ℃時(shí)達(dá)到最高,隨后開始降低,在40 ℃時(shí)不產(chǎn)酶,故選用25 ℃為發(fā)酵產(chǎn)酶溫度。如圖7B所示,菌株在pH 7~9范圍內(nèi)產(chǎn)酶能力穩(wěn)定,在pH 8時(shí)產(chǎn)酶效果最好,最終選用pH 8配制發(fā)酵培養(yǎng)基。圖7C結(jié)果表明,在NaCl質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)產(chǎn)酶最好,在NaCl質(zhì)量濃度范圍為30~80 g/L時(shí)相對(duì)酶活力亦可達(dá)到95%。質(zhì)量濃度高于90 g/L時(shí)不利于產(chǎn)酶。


圖7 溫度(A)、pH值(B)及NaCl質(zhì)量濃度(C)對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響Fig. 7 Effects of temperature (A), pH (B) and NaCl concentration (C)on enzyme-producing capacity of strain HL9
2.3.4 接種量和發(fā)酵時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響
圖8結(jié)果表明,在接種量為2%時(shí)產(chǎn)酶最好;在發(fā)酵48 h產(chǎn)酶達(dá)到最高,隨后逐漸下降。

圖8 接種量(A)和發(fā)酵時(shí)間(B)對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響Fig. 8 Effects of inoculum amount (A) and fermentation time (B) on enzyme-producing capacity of strain HL9

表4 正交試驗(yàn)方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal array design results
正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析見表3、4。4個(gè)因素對(duì)產(chǎn)酶影響不顯著(P>0.05),發(fā)酵培養(yǎng)基最優(yōu)組合為A2B1C3D3,即培養(yǎng)基中加入10 g/L麩皮、5 g/L魚粉蛋白胨,pH 8.5,培養(yǎng)溫度30 ℃。4因素的影響均為不顯著,表明該菌在發(fā)酵產(chǎn)酶中適應(yīng)性較好。

表3 培養(yǎng)基配方優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Orthogonal array design with experimental results for optimization of medium formulation
為了判斷該磷脂酶的水解產(chǎn)物,選用TLC檢測(cè)。由圖9可見,水解產(chǎn)物中有溶血磷脂酰膽堿,也有脂肪酸,尚難以判斷水解的是sn-1酰基還是sn-2?;?。為了進(jìn)一步判斷該磷脂酶為A1、A2或B型。運(yùn)用氣相色譜進(jìn)行定性分析,水解產(chǎn)物中分別含有軟脂酸和油酸。結(jié)果表明,該磷脂酶可以同時(shí)水解sn-1?;蛃n-2酰基,篩選的磷脂酶為磷脂酶B。在水解產(chǎn)物中,油酸占70.67%,軟脂酸占29.33%。表明該磷脂酶B以水解sn-2酰基為主。經(jīng)滴定法檢測(cè),該磷脂酶B的發(fā)酵液酶活力為1.2 U/mL,發(fā)酵液沒(méi)有檢測(cè)到脂肪酶活力。

圖9 水解產(chǎn)物分析Fig. 9 TLC analysis of hydrolysates
2.6.1 溫度、pH值對(duì)酶活力的影響
如圖10A所示,溫度對(duì)酶的活力影響較大,在30~50 ℃時(shí)酶活力可以保持80%以上,45 ℃是該酶最適作用溫度。如圖10B所示,在pH 4~7.5范圍內(nèi)隨著pH值的升高酶活力也隨之增加,在pH 7.5時(shí)達(dá)到最高,隨后酶活力開始下降。在pH 7~8之間時(shí),酶活力較穩(wěn)定。Jiang Fangyan等[33]研究發(fā)現(xiàn)重組熒光假單胞菌磷脂酶B的最適作用溫度僅為30 ℃,最適作用pH值為6。本研究篩選的磷脂酶B具有較高的作用溫度,并適用于堿性條件。

圖10 溫度(A)和pH值(B)對(duì)酶活力的影響Fig. 10 Effects of temperature (A) and pH (B) on the activity of phospholipase B
2.6.2 金屬離子對(duì)酶的作用
如表5所示,Ca2+、Co2+、Mn2+、Si2+、Zn2+、Ba2+對(duì)酶活力有促進(jìn)作用,Ni2+、Mg2+、Fe3+、K+對(duì)酶活力影響較小,而Cu2+對(duì)酶活力有較大的抑制作用。

表5 金屬離子對(duì)酶穩(wěn)定性的影響Table 5 Effects of metal ions on the stability of phospholipase B
2.6.3 有機(jī)溶劑對(duì)酶的作用
如表6所示,該酶對(duì)有機(jī)溶劑耐受性好,酶活力均能保持在80%以上。有利于該酶水解溶于有機(jī)相中的脂質(zhì)。

表6 有機(jī)溶劑對(duì)酶穩(wěn)定性的影響Table 6 Effects of organic solvents on the stability of phospholipase B
本研究從黃海海泥中篩選出1 株產(chǎn)磷脂酶B的假交替單胞菌屬菌株HL9。對(duì)該菌株的生長(zhǎng)特性和產(chǎn)酶特性進(jìn)行了研究。水解產(chǎn)物的氣相色譜與TLC結(jié)果表明,菌株HL9產(chǎn)的是磷脂酶B,并以水解sn-2?;鶠橹?,產(chǎn)物中油酸占70%。磷脂酶B活力為1.2 U/mL,無(wú)脂肪酶活力。酶的最適作用溫度和pH值分別為45 ℃和7.5。有機(jī)溶劑對(duì)酶活力影響較小。研究結(jié)果表明該酶具有獨(dú)特的酶學(xué)性質(zhì),為進(jìn)一步研究酶的結(jié)構(gòu)與功能打下了基礎(chǔ)。該酶在食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用潛力。