左寧柯,常明昌,2,孟俊龍,2,王昭玉,武 斌,徐麗婧,3?
(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太谷 030801;2. 山西省食用菌工程技術(shù)研究中心,山西 太谷 030801;3. 黃土高原食用菌山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太谷 030801)
α-半乳糖苷酶(α-Gal, EC 3.2.1.22)廣泛存在于植物、微生物和動物中,是能催化水解α-半乳糖苷鍵的酶類。由于豆類中含有無法被人類及其他單胃動物消化的半乳糖苷類低聚糖如水蘇糖、棉子糖、蜜二糖和毛蕊花糖等[1-2],所以食用后會在體內(nèi)經(jīng)厭氧發(fā)酵形成腸胃脹氣[3],導(dǎo)致豆制品的吸收率無法達(dá)到最大。α-半乳糖苷酶通過消除α-D-半乳糖,提高單胃動物的消化率,抑制腸胃氣脹[4]。此外,α-半乳糖苷酶通過切斷甘露聚糖主鏈上的半乳糖側(cè)鏈來修飾天然半乳甘露聚糖,以改善其溶解度和凝膠性能[5]。在紙漿和造紙工業(yè)中,α-半乳糖苷酶與內(nèi)切β-1,4-甘露聚糖酶一起用于增強(qiáng)軟木牛皮紙漿的漂白效果[6]。α-半乳糖苷酶與環(huán)糊精一起使用,可用于遞送一些重要的健康化合物[7]。還有一些 α-半乳糖苷酶可以清除B血型細(xì)胞表面糖蛋白上的α-半乳糖殘留物,引起B(yǎng)→O血型轉(zhuǎn)換[8]。
大型真菌中的 α-半乳糖苷酶因其來源安全、產(chǎn)量高而備受關(guān)注。食用菌成為富含α-半乳糖苷酶的食物來源具有很大的優(yōu)勢。鱗杯傘(Clitocybe squamulosa)隸屬于擔(dān)子菌門(Basidiomycota)傘菌綱(Agaricomycetes),傘菌目(Agaricales),未定科;鱗杯傘是野生臺蘑中的營養(yǎng)價值極高的一種,其質(zhì)地柔嫩、風(fēng)味獨(dú)特,并含有活性較高的α-半乳糖苷酶。但是該酶存在耐熱性不好、成本較高等缺點(diǎn),不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求,而固定化酶通常可以改善游離酶穩(wěn)定性,使其可重復(fù)使用,減少生產(chǎn)成本[9-10]。然而不同的固定化載體和固定化方法均會影響酶的固定化效率,因此選擇合適的固定化載體和固定化方法就顯得尤為重要[11]。所以開發(fā)固定化鱗杯傘α-半乳糖苷酶用于工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的意義[12]。
本文以海藻酸鈉和殼聚糖作為固定化載體,比較了游離酶和兩種固定化酶的理化特性;并且以大豆低聚糖為水解底物,研究了兩種固定化酶的添加量、保存時間、操作穩(wěn)定性對水解率的影響,篩選出較為適合鱗杯傘α-半乳糖苷酶的固定化載體,為提高其使用價值提供資料。
鱗杯傘干子實(shí)體:山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食用菌中心;大豆:市售;海藻酸鈉、殼聚糖(分析純):上海阿拉丁生化科技有限公司;4-硝基苯基-α-D-半乳吡喃糖苷(pNPG)、二硝基水楊酸(DNS):北京索萊寶生物科技有限公司;氫氧化鈉、冰乙酸、氯化鈣、戊二醇(50%)、檸檬酸、磷酸氫二鈉、甘氨酸、無水乙酸鈉等均分析純:天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。
KQ5200 DE數(shù)控超聲波清洗機(jī):昆山市超聲儀器有限公司;Multifuge XIR高速冷凍心離心機(jī):美國Thermo Fisher公司;ZQPW-250恒溫振蕩培養(yǎng)箱:天津市萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司;UV-2550紫外分光光度計(jì):上海美普達(dá)儀器有限公司;DF-101S磁力攪拌器:北京中興偉業(yè)儀器有限公司。
1.3.1 鱗杯傘α-半乳糖苷酶游離酶的提取
在室溫條件下,將鱗杯傘干子實(shí)體粉碎成粉末狀。粉末和去離子水以1∶10(w/v)的比例均勻混合。為獲得更高的提取率,將浸提物在4 ℃下浸泡保存過夜,然后在4 ℃下6 000 r/min離心15 min。取上清液分別加入20%、40%、60%、80%、100%的硫酸銨進(jìn)行蛋白質(zhì)鹽析確定最佳硫酸銨添加量,4 ℃下靜置過夜,然后在4 ℃下6 000 r/min離心15 min,取沉淀透析后作為游離酶。
1.3.2 固定化酶的制備
1.3.2.1 海藻酸鈉固定化酶的制備 取 49.5 mL游離酶加入0.5 mL pH4.6 1 mol/L NaAc-HAc緩沖溶液,配制成0.01 mol/L pH4.6游離酶溶液,加入1.25 g海藻酸鈉,混勻。用針管吸取滴入0.2 mol/L CaCl2溶液中,室溫靜置2 h。抽濾并用去離子水和緩沖液洗凈,放置于緩沖溶液中4 ℃?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2.2 殼聚糖固定化酶的制備 稱取1.0 g殼聚糖加入2%醋酸溶液中,60 ℃超聲輔助水浴攪拌至殼聚糖完全溶解。用針管吸取滴入1 mol/L氫氧化鈉溶液中,放置1 h,抽濾并用去離子水洗滌至中性,放入2%戊二醇中靜置3 h進(jìn)行交聯(lián),抽濾并用緩沖液洗凈。
取49.5 mL游離酶加入0.5 mL pH4.6 1 mol/L NaAc-HAc緩沖溶液,配制成0.01 mol/L pH4.6游離酶溶液,稱取10 g微球加入游離酶溶液中,放入搖床中10 ℃ 200 r/min 震蕩16 h。抽濾并用緩沖液洗滌,放置于緩沖溶液中4 ℃?zhèn)溆谩?/p>
1.3.3 酶活力的測定
α-半乳糖苷酶活性測定方法是按照胡玉靜[13]描述的方法用pNPG法,稍作修改進(jìn)行測定的。反應(yīng)體系由 0.1 mL酶液或 0.1 g固定化酶和0.01 mol/L 0.1 mL pNPG(pH4.6)組成,反應(yīng)溫度40 ℃,反應(yīng)時間10 min,加入0.5 mol/L Na2CO30.8 mL終止反應(yīng)。在405 nm波長處測定溶液的吸光度。在分析條件下,每分鐘釋放 1 μmol/mL對硝基苯酚所需的酶量定義為α-半乳糖苷酶活性單位。重復(fù)檢測3次。
1.3.4 固定化后剩余酶活
按照1.3.3的方法測定酶活,以游離酶活性定義為100%,計(jì)算固定化后的剩余酶活。
1.3.5 pH對酶活力的影響
最適pH的測定:將游離酶或固定化酶與0.1 mol/L不同pH的緩沖溶液(pH2.2、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0)等體積混合,以去離子水配制的0.01 mol/L pNPG(pH7.0)為底物,按照1.3.3的方法測定酶活。定義酶活力最高值為100%,計(jì)算相對酶活力。緩沖液的選擇為:檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液(pH2.2~8.0),甘氨酸-氫氧化鈉緩沖液(pH9.0~10.0)。
pH穩(wěn)定性的測定:將游離酶或固定化酶與0.1 mol/L不同pH的緩沖溶液等體積混合,常溫下孵育2 h, 按照1.2.3的方法測定酶活。所有底物為 pH4.6 NaAc-HAc配制而成的 0.01 mol/L pNPG,目的為遮蔽掉緩沖溶液的pH造成的影響,使酶活測定條件統(tǒng)一。
1.3.6 溫度對酶活力的影響
最適溫度的測定:分別在 4、10、20、30、40、50、60、70、80 ℃條件下按照1.3.3的方法測定酶活。定義酶活力最高值為100%,計(jì)算相對酶活力。
溫度穩(wěn)定性的測定:將游離酶或固定化酶分別在以上溫度下保溫2 h后按照1.3.3的方法測定酶活。定義4 ℃酶活力為100%,計(jì)算相對酶活力。
1.3.7 保存時間對酶活力的影響
將游離酶和固定化酶置于 4 ℃和常溫(約15~29 ℃)下保存,每隔三天按 1.3.3的方法測定酶活。定義第一天的酶活力為100%,計(jì)算相對活力。
1.3.8 豆?jié){的制備
將大豆洗凈浸泡一晚,大豆和水按照 1∶10(w/v)的比例將大豆打漿過濾,4 000 r/min離心10 min,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.9 酶添加量對豆?jié){中低聚糖水解率的影響
以 2.5、5、7.5、10、12.5 U/μL 固定化酶或游離酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用DNS法測定對豆?jié){中低聚糖水解的影響。酶和底物混合反應(yīng)后,取0.1 mL混合物加入0.3 mL DNS溶液,沸水浴5 min加入0.8 mL去離子水,540 nm下測吸光度值[14]。
1.3.10 水解時間對豆?jié){中低聚糖的影響
以最佳酶添加量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別在反應(yīng)2、4、6、8、10、12 h后利用DNS法測定對豆?jié){中低聚糖水解的影響。
1.3.11 固定化酶的操作穩(wěn)定性
以豆?jié){為底物,以最佳酶添加量以及反應(yīng)時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每次反應(yīng)完成后,將固定化酶用去離子水沖洗干凈,再次重復(fù)以上方法,共反應(yīng)5次。
所有數(shù)據(jù)均為 3個重復(fù)樣品的平均值,采用Excel 2016軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
硫酸銨添加量對鱗杯傘 α-半乳糖苷酶游離酶提取率的影響如圖1所示,當(dāng)硫酸銨飽和度為20%時,鱗杯傘α-半乳糖苷酶提取率低于10%,隨著硫酸銨飽和度的增大,鱗杯傘α-半乳糖苷酶的相對活性增加,當(dāng)硫酸銨飽和度為80%時,酶的提取率達(dá)到最大。

圖1 硫酸銨添加量對鱗杯傘α-半乳糖苷酶游離酶提取率的影響Fig.1 Effects of ammonium sulfate supplementation on extraction rate of α-galactosidase from Clitocybe squamulosa
α-半乳糖苷酶作為一種蛋白質(zhì),可以利用常規(guī)提取蛋白質(zhì)的方法將其提取[13]。硫酸銨鹽析是蛋白質(zhì)提取的常用方法之一,鱗杯傘α-半乳糖苷酶在80%的飽和度下提取率最高。
不同固定化方法對鱗杯傘 α-半乳糖苷酶固定化效果的影響如表1所示,海藻酸鈉固定化酶的固定化率和酶活力回收率分別為 80.27%和64.30%,殼聚糖固定化酶的固定化率和酶活力回收率分別為 74.99%和 58.34%,前者的固定化率和酶活力回收率均大于后者,但相差不大。

表1 不同固定化方法對鱗杯傘α-半乳糖苷酶固定化效果的影響Table 1 Effect of different immobilization methods on the immobilization of α-galactosidase %
由于載體與酶分子之間的結(jié)合位點(diǎn)有限,因此在固定過程中會損失掉一部分酶分子[13]。兩種固定化酶對鱗杯傘 α-半乳糖苷酶的回收率都在60%左右,高于其它報(bào)道的固定化酶回收率[16]。
2.3.1 最適pH
pH對固定化酶活力的影響如圖2所示,游離酶的最適pH是3.0,且pH2.2~5.0條件下酶活力在50%以上,但在pH7.0時已經(jīng)檢測不到酶活;海藻酸鈉固定化酶的最適pH是5,與游離酶相比活性范圍由pH7增加到了pH9.0,且在pH4.0~7.0條件下酶活力在50%以上;殼聚糖固定化酶的最適pH與游離酶一樣,在pH3.0時催化性能最好,在pH9.0時仍有些許酶活。研究結(jié)果表明,經(jīng)固定化后,酶對堿性條件的耐受力得到了提升,使其在堿性條件下也能發(fā)揮作用。

圖2 pH對固定化酶活力的影響Fig.2 Effect of pH on immobilized enzyme activity
2.3.2 pH穩(wěn)定性
固定化酶的 pH穩(wěn)定性如圖3所示,游離酶在pH3.0時穩(wěn)定性最好,且在酸性條件下酶活性比較穩(wěn)定,在 pH2.2~6.0范圍內(nèi)酶活力可以達(dá)到80%以上;海藻酸鈉固定化酶的 pH5.0時酶活力最高,與最適pH相同,且在pH3.0~7.0范圍內(nèi)酶活力在40%以上,但在pH4.0及以下條件下酶活力沒有游離酶高;殼聚糖固定化酶的pH3.0時酶活力最高,活性范圍最大,且在 pH2.2~8.0范圍內(nèi)酶活力在40%以上。在pH介于2.2~4.0時,殼聚糖固定化酶的穩(wěn)定性要高于海藻酸鈉固定化酶。研究結(jié)果表明,殼聚糖固定化拓寬了鱗杯傘α-半乳糖苷酶的pH穩(wěn)定性。

圖3 固定化酶的pH穩(wěn)定性Fig.3 pH stability of immobilized enzyme
pH在酶促反應(yīng)中是重要因素之一[17],對于任意一種酶都有其最適反應(yīng)pH及穩(wěn)定性,pH過高或過低可能會影響酶的空間結(jié)構(gòu)或與底物的結(jié)合,從而影響酶的反應(yīng)速率,因此只有在酶的最適條件下才能表現(xiàn)最大反應(yīng)速率。游離酶的最適pH是 3.0,隨著 pH的不斷增大,游離酶和固定化酶的活性損失也在增加,但是無論是海藻酸鈉固定化酶還是殼聚糖固定化酶,其最適 pH和穩(wěn)定性范圍和都比游離酶的范圍大。這表明經(jīng)過固定后,酶分子穩(wěn)定性得到了提高[18]。這是由于酶在固定過程中與載體多位點(diǎn)結(jié)合[19],構(gòu)象更加穩(wěn)定,減弱了外部溶液變化對酶分子構(gòu)象的影響。
2.4.1 最適溫度
溫度對固定化酶活力的影響如圖4所示,游離酶的最適溫度為 50 ℃,60 ℃時未檢測到活性,說明其已失活;海藻酸鈉固定化酶的最適溫度與游離酶相同,也是50 ℃,在60 ℃時比游離酶活性高20%左右,70 ℃時失活;殼聚糖固定化酶的最適溫度為60 ℃,在60 ℃時比海藻酸鈉固定化酶和活性游離酶都高,70 ℃時失活。研究結(jié)果表明,海藻酸鈉固定化酶比殼聚糖固定化更易達(dá)到最適溫度。

圖4 溫度對固定化酶活力的影響Fig.4 Effect of temperature on immobilized enzyme activity
2.4.2 溫度穩(wěn)定性
固定化酶的溫度穩(wěn)定性如圖5所示,游離酶在 20 ℃以下比較穩(wěn)定,在 30 ℃時相對活性為65.8%,但在40 ℃時已檢測不到活性,海藻酸鈉固定化酶和殼聚糖固定化酶都是在 40 ℃下比較穩(wěn)定,海藻酸鈉固定化酶在 50 ℃時失活,殼聚糖固定化酶在50 ℃下仍能保持40%以上的活性,在 60 ℃時失活。研究表明兩種固定化酶的溫度穩(wěn)定性要優(yōu)于游離酶,且相比于海藻酸鈉固定化酶,殼聚糖固定化酶穩(wěn)定性更好。

圖5 固定化酶的溫度穩(wěn)定性Fig.5 Temperature stability of immobilized enzyme
溫度對酶的催化作用有很大的影響[20],酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),溫度過高會使酶的蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致酶變性;過低會抑制酶的活性。游離酶的最適溫度為50 ℃,這與 S. J. Prashanth[21]等的報(bào)道一致,許多從真菌中提純的α-半乳糖苷酶熱穩(wěn)定性都較差[22-24]。鱗杯傘α-半乳糖苷酶也和它們一樣,表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性。但兩種固定方法都使酶的溫度穩(wěn)定性范圍有所擴(kuò)大,符合更多工業(yè)化應(yīng)用的需求。當(dāng)溫度大于 50 ℃時,酶活力損失較大,可能是因?yàn)殚L時間溫度過高使酶變性,也可能是由于固定化后的擴(kuò)散限制[25]導(dǎo)致的。
保存時間對酶活力的影響如圖6A~B所示,在4 ℃下游離酶保存15 d后相對酶活力降到60%左右;海藻酸鈉固定化酶15 d后相對活力最高,可以保持在90%以上;殼聚糖固定化酶15 d后相對活力稍差,但仍保持在80%以上。在常溫下游離酶保存15 d后相對酶活力降到40%以下;海藻酸鈉固定化酶常溫下15 d后仍可以保持在75%以上;殼聚糖固定化酶15 d后相對活力保持在70%以上。研究結(jié)果表明,固定化酶可以有效地減少酶的損失,延長鱗杯傘 α-半乳糖苷酶的保存時間。

圖6 保存時間對酶活力的影響Fig.6 Effect of storage time on enzyme activity
酶制劑中的酶活會隨著保存時間的延長而逐漸損失。在常溫下保存的酶無論是游離酶還是固定化酶,酶活損失都比4 ℃下嚴(yán)重,但固定化后的酶活性明顯比游離酶損失的少,說明兩種固定方法均可以減少酶的流失,延長鱗杯傘α-半乳糖苷酶的保存時間。
酶添加量對豆?jié){中低聚糖水解的影響如圖7所示,隨著游離酶濃度的增加,大豆低聚糖的水解率提高,當(dāng)游離酶添加量到2.5 U/μL后,繼續(xù)添加游離酶對大豆低聚糖的水解率不再有影響,說明7.5 U/μL已經(jīng)達(dá)到了游離酶的足夠量;當(dāng)海藻酸鈉固定化酶的添加量為2.5 U/μL時,大豆低聚糖的水解率可以達(dá)到85%,增加到5 U/μL后可以達(dá)到95%以上,7.5 U/μL時大豆低聚糖水解率達(dá)到最大,繼續(xù)添加海藻酸鈉固定化酶大豆低聚糖水解率不再增加;當(dāng)殼聚糖固定化酶的添加量為 2.5 U/μL時,大豆低聚糖的水解率已經(jīng)達(dá)到98.17%±0.03%,繼續(xù)增加殼聚糖固定化酶的添加量對大豆低聚糖的水解率影響不大。研究結(jié)果表明,相同添加量時固定化酶對豆?jié){中低聚糖水解效果優(yōu)于游離酶,添加量為2.5 U/μL時,海藻酸鈉固定化酶更優(yōu)一些。

圖7 酶添加量對豆?jié){中低聚糖水解的影響Fig.7 Effect of enzyme dosage on hydrolysis of oligosaccharides in soybean milk
酶濃度和底物濃度對酶促反應(yīng)也有很大的影響[26],隨著游離酶添加量增多,大豆低聚糖水解率增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)7.5 U/μL時,再添加游離酶水解率也沒有升高,說明7.5 U/μL已到達(dá)足夠的游離酶用量;可能是由于酶固定化后將游離酶富集,使單位體積下的酶濃度比游離酶高,增加了酶與底物的結(jié)合概率,所以當(dāng)固定化酶的添加量加大時,大豆低聚糖的水解率并不像游離酶那樣有明顯的增大。
水解時間對豆?jié){中低聚糖的影響如圖8所示,在 2 h時游離酶降解低聚糖的水解率為 56.77%±0.88%,4~6 h內(nèi)水解率上升速度較快,6 h時水解率達(dá)到最大;海藻酸鈉固定化酶在2 h時水解率就達(dá)到了98.93%±0.02%,4 h時達(dá)到最大值;殼聚糖固定化酶在2 h時水解率為83.33%±0.36%,4 h時達(dá)到最大值。研究結(jié)果表明,固定化酶催化反應(yīng)所需時間少于游離酶。

圖8 水解時間對豆?jié){中低聚糖的影響Fig.8 Effect of hydrolysis time on oligosaccharides in soybean milk
在酶促反應(yīng)中,反應(yīng)時間的延長可以使酶與更多的底物結(jié)合,使酶促反應(yīng)更加徹底。兩種固定方法使鱗杯傘α-半乳糖苷酶在2 h時對低聚糖的水解率達(dá)到80%以上,比游離酶所需催化時間少,可能由于相同時間內(nèi)固定化后的鱗杯傘α-半乳糖苷酶與底物結(jié)合概率更大,催化反應(yīng)快速地發(fā)生。
固定化酶的操作穩(wěn)定性如圖9所示,以豆?jié){為底物時,海藻酸鈉固定化酶在重復(fù)兩次后的低聚糖水解率為97.51%±0.85%,重復(fù)三次后水解率為84.83%±0.16%,重復(fù)第五次時低聚糖水解率降為29.27%±1.41%;殼聚糖固定化酶在重復(fù)兩次后的活性為98.38%±0.38%,重復(fù)第五次時低聚糖水解率仍在60%以上。研究結(jié)果表明,殼聚糖固定化酶的操作穩(wěn)定性優(yōu)于海藻酸鈉固定化酶,說明這種固定方法使殼聚糖與鱗杯傘α-半乳糖苷酶的結(jié)合更加牢固。

圖9 固定化酶的操作穩(wěn)定性Fig.9 Operational stability of immobilized enzyme
游離酶與底物反應(yīng)后不能重復(fù)利用,而固定化酶能夠取出重復(fù)利用,可以節(jié)省成本。海藻酸鈉固定化酶重復(fù)4次時低聚糖水解率接近50%,殼聚糖固定化酶在重復(fù)5次后,水解率在60%以上。可能由于海藻酸鈉固定化酶多次重復(fù)后,包埋不牢固,保護(hù)作用變差,而殼聚糖經(jīng)過戊二醇的交聯(lián)反應(yīng),與鱗杯傘α-半乳糖苷酶的結(jié)合更加牢固,酶活損失比海藻酸鈉少。但與其它固定化酶相比[27],固定化鱗杯傘α-半乳糖苷酶的操作穩(wěn)定性較差,還需進(jìn)一步研究。
本實(shí)驗(yàn)以鱗杯傘為原料提取α-半乳糖苷酶,確定了最佳硫酸銨飽和度為80%,并以兩種固定化方式對其進(jìn)行固定,海藻酸鈉固定化率和固定化酶酶活性保持率均優(yōu)于殼聚糖。兩種固定化酶的溫度穩(wěn)定性要優(yōu)于游離酶,且相比于海藻酸鈉固定化酶,殼聚糖固定化酶穩(wěn)定性更好;4 ℃和常溫下保存15 d后海藻酸鈉固定化酶相對酶活最高,約提高30%;水解4.0 h時的兩種固定化酶大豆低聚糖水解率均達(dá)到100%;添加量為2.5 U/μL時,殼聚糖固定化酶大豆低聚糖的水解率最高;重復(fù)使用3次后,殼聚糖固定化酶大豆低聚糖的水解率高于海藻酸鈉固定化酶。與游離酶相比,固定化酶能夠有效改善鱗杯傘α-半乳糖苷酶的穩(wěn)定性,縮短水解時間,并且能夠重復(fù)使用,且相比于海藻酸鈉,殼聚糖更適宜作為鱗杯傘α-半乳糖苷酶的固定化載體,為鱗杯傘α-半乳糖苷酶工業(yè)化應(yīng)用提供思路。