虞鳳慧 徐澤平,2 劉圣鵬 馮文娟
(1.黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東 濱 州 256500;2.濱州市環(huán)境微生物技術(shù)工程研究中心,山東 濱 州 256500)
雙水相萃?。╝queous two-phase extraction,ATPS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種分離提取技術(shù),廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)[1]、酶等生物活性物質(zhì)的分離、提取和純化。該技術(shù)具有操作條件溫和、容易放大、可連續(xù)操作[2],且無(wú)有機(jī)溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。更重要的是雙水相萃取避免了傳統(tǒng)液—液萃取中生物活性物質(zhì)與有機(jī)溶劑的直接接觸,保護(hù)了其活性[5],有研究[6]表明聚合物對(duì)顆?;蛏锓肿拥慕Y(jié)構(gòu)不但沒(méi)有破壞作用,反而有穩(wěn)定作用。ATPS極具大規(guī)模應(yīng)用的潛力。
漆酶(laccase,EC1.10.3.2)是一種含銅的多酚氧化酶[7,8],具有獨(dú)特的催化特性。在污水處理、食品加工、紙漿造紙、紡織等工業(yè)[9,10]以及有機(jī)合成等化學(xué)反應(yīng)中具有巨大的應(yīng)用前景,因此,隨著對(duì)其研究的逐漸深入,已成為當(dāng)今的熱門(mén)研究課題之一[11]。漆酶廣泛分布于植物、真菌、少數(shù)昆蟲(chóng)和細(xì)菌中[12,13]。在真菌中,擔(dān)子菌是目前獲得漆酶的主要來(lái)源?;覙?shù)花(Grifolafrondosa)屬擔(dān)子菌亞門(mén)、層菌綱、非褶菌目、多孔菌科、樹(shù)花菌屬[14],是一種藥食兩用珍稀菇類(lèi)。灰樹(shù)花能分泌多種具有生物活性的代謝產(chǎn)物[15],一直以來(lái),對(duì)它的研究多集中于灰樹(shù)花多糖,而對(duì)灰樹(shù)花漆酶的研究尚不多見(jiàn)。目前,灰樹(shù)花漆酶的生產(chǎn)技術(shù)極不成熟,產(chǎn)品鮮有報(bào)道,主要是因?yàn)槠涿富盍νǔ:艿停匾氖翘崛?、分離、精制效率低、酶易失活,這些問(wèn)題亟待解決。傳統(tǒng)方法,如鹽析、微濾、超濾、離子交換層析等方法純化漆酶,一般回收率低。與傳統(tǒng)方法相比,ATPS法簡(jiǎn)單易行,易于除去雜質(zhì),提高酶的純度且回收率高,有較大的工業(yè)應(yīng)用潛力[16]。本試驗(yàn)選擇PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系對(duì)灰樹(shù)花漆酶進(jìn)行萃取分離效果的研究,同時(shí)對(duì)純化后的灰樹(shù)花漆酶進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)的研究。為灰樹(shù)花漆酶的大規(guī)模生產(chǎn)、分離提取及應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1.1.1 菌種
灰樹(shù)花(Grifolafrondosa)GF-931菌株:本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.1.2 培養(yǎng)基
種子培養(yǎng)基:土豆1%,麩皮2%,葡萄糖2%,玉米粉0.5%,蛋白胨 0.3%,酵母浸粉 0.15%,磷酸二 氫鉀 0.05%,硫酸鎂0.1%;
液體發(fā)酵培養(yǎng)基:土豆15%,可溶性淀粉1.5%,酵母浸粉0.3%,硫酸銨0.1%,磷酸二氫鉀0.05%,硫酸鎂0.1%,硫酸銅0.012%。
1.1.3 主要試劑
2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS):分析純,美國(guó)Sigma公司;
聚乙二醇(PEG)6000:化學(xué)純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;
硫酸銨:分析純,天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;
冰醋酸:分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;醋酸鈉:分析純,天津市博迪化工股份有限公司。
1.1.4 儀器
低速大容量離心機(jī):DL-5型,上海安亭科學(xué)儀器廠;
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):UV-1700型,島津(蘇州)有限公司;
精密pH計(jì):PHS-3C型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;
數(shù)顯恒溫水浴鍋:HH-1型,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;
電子天平:FA2004型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。
1.2.1 灰樹(shù)花漆酶粗酶液的制備
(1)種子培養(yǎng):無(wú)菌條件下,取適量新鮮的PDA斜面保藏菌種接入種子培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)2 d,即為一級(jí)種子液。
無(wú)菌條件下,將適量一級(jí)種子液轉(zhuǎn)接至種子培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)2d,即為二級(jí)種子液。
(2)液體發(fā)酵培養(yǎng):無(wú)菌條件下,按10%的接種量,將二級(jí)種子液轉(zhuǎn)接至發(fā)酵培養(yǎng)基中,于28℃、200r/min條件下培養(yǎng)8d,發(fā)酵液經(jīng)4 000r/min離心10min,收集上清液,即為漆酶粗酶液,4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 雙水相體系相圖的繪制 精確配制40%(m/V)的(NH4)2SO4和80%PEG6000溶液。取一定量已配制好的PEG6000于一潔凈試管中,加入0.5mL蒸餾水,緩慢滴加已配制好的(NH4)2SO4溶液,混勻,至試管內(nèi)溶液開(kāi)始出現(xiàn)混濁為止,記錄加入(NH4)2SO4的體積和質(zhì)量。然后計(jì)量加入適量蒸餾水,使體系澄清,繼續(xù)向試管中滴加(NH4)2SO4溶液,使其再次達(dá)到混濁,如此反復(fù)操作。計(jì)算每次達(dá)到混濁時(shí)PEG6000和(NH4)2SO4在系統(tǒng)總量中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。以PEG6000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo),(NH4)2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)作圖,即得到一條雙節(jié)線[17]。
1.2.3 雙水相萃取方法 根據(jù)雙水相體系相圖,選擇可形成雙水相的PEG6000與(NH4)2SO4的濃度。固定體系總質(zhì)量為20g,向其中加入一定量的PEG6000、(NH4)2SO4溶液至所需質(zhì)量分?jǐn)?shù),不足部分以蒸餾水補(bǔ)充,振蕩混勻。然后向雙水相體系中加入酶液至所需質(zhì)量分?jǐn)?shù),振蕩混勻2min。4 000r/min離心1 0min使快速分相。讀取上、下相體積及測(cè)定酶活,按式(1)~(3)計(jì)算相體積比、酶分配系數(shù)和酶活收率。
式中:
R——相體積比;
V上——上相體積,mL;
V下——下相體積,mL。
式中:
K——酶分配系數(shù);
U上——上相酶活,U/mL;
U下——下相酶活,U/mL。
式中:
Y——酶活收率,%;
R——相體積比;
K——酶分配系數(shù)。
1.2.4 雙水相萃取條件的優(yōu)化
(1)酶液添加量對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響:根據(jù)雙水相體系相圖,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4溶液配制成可形成雙水相的濃度,按不同的添加量分別加入漆酶粗酶液,組成不同的雙水相體系,進(jìn)行酶液添加量對(duì)漆酶萃取效應(yīng)影響的研究。
(2)PEG 6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量為基礎(chǔ),將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000溶液配制成一系列含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG的雙水相體系,研究PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響。
(3)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量、PEG6000最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ),將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PEG6000和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的(NH4)2SO4溶液形成一系列含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(NH4)2SO4的雙水相體系,研究(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響。
(4)雙水相體系pH對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響:以酶液的最佳添加量、PEG6000最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、(NH4)2SO4最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ),調(diào)節(jié)雙水相體系pH 分別為3.5,4.5,5.0,5.5,6.0(自然),研究體系pH對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響。
(5)正交試驗(yàn):根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選擇影響漆酶萃取效應(yīng)的主要因素,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),確定最佳萃取條件。
1.2.5 漆酶酶活的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[18],修改如下:將漆酶酶液用0.05mol/L、pH 5的醋酸—醋酸鈉緩沖液稀釋至適當(dāng)倍數(shù),于30℃水浴鍋中保溫7min,取2.3mL稀釋酶液于比色皿中,再加入0.7mL 1mM ABTS溶液,兩者迅速混勻,啟動(dòng)反應(yīng)。于420nm下測(cè)定反應(yīng)液前2min內(nèi)吸光值的變化△A,按式(4)計(jì)算酶活。酶活定義為每秒鐘氧化1 nmol ABTS所需要的酶量為一個(gè)活力單位U。
式中:
XL——酶活,U/mL;
△A——2min內(nèi)吸光度的變化;
V1——總反應(yīng)體積,3mL;
ε——ABTS吸光系數(shù),0.036mL/(nmol/cm);△T——反應(yīng)時(shí)間,120s;
V2——酶液體積,2.3mL;
I——光程,1cm;
n——稀釋倍數(shù)。
1.2.6 漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究
(1)漆酶的最適反應(yīng)溫度:經(jīng)雙水相萃取純化后,按照1.2.5方法測(cè)定純化漆酶酶活。設(shè)定漆酶的不同反應(yīng)溫度為30,35,45,55,65,75,100 ℃,以 測(cè) 定 的 最 高 酶 活 力 作 為100%,計(jì)算其他不同溫度下漆酶的相對(duì)酶活。
(2)漆酶的熱穩(wěn)定性:設(shè)定漆酶的保溫溫度分別為30,35,45,55,65,75,100℃,分別保溫2h,按照1.2.5方法測(cè)定純化漆酶剩余酶活力,以最高酶活力作為100%,計(jì)算不同溫度下漆酶剩余酶活力的相對(duì)酶活。
(3)漆酶的最適反應(yīng)pH:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液分別配制成pH 2.97,3.50,4.00,4.50,5.00,5.50,6.00,7.00的緩沖液,并以此不同pH梯度的緩沖液分別稀釋漆酶酶液以及配制相應(yīng)的1mM ABTS底物。在最適反應(yīng)溫度下,按照1.2.5方法測(cè)定純化漆酶酶活,以最高酶活力作為100%,計(jì)算不同pH下漆酶的相對(duì)酶活。
(4)漆酶的pH穩(wěn)定性:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液分別配制成 pH 2.97,3.50,4.00,4.50,5.00,5.50,6.00,7.00的緩沖液,并以此不同pH梯度的緩沖液分別稀釋漆酶酶液以及配制相應(yīng)的1mM ABTS底物。在最適反應(yīng)溫度下,分別保溫2h,按照1.2.5方法測(cè)定純化漆酶剩余酶活力,以最高酶活力作為100%,計(jì)算不同pH下漆酶剩余酶活力的相對(duì)酶活。
(5)金屬離子對(duì)漆酶酶活性的影響:用0.05mol/L醋酸和醋酸鈉溶液配制最適pH的緩沖液,加入不同的金屬鹽,配制成金屬離子濃度為5mmol/L的緩沖液。在最適溫度和最適pH條件下,按照1.2.5方法測(cè)定酶活,以不加入金屬離子的酶活力作為100%,計(jì)算加入不同金屬離子的漆酶相對(duì)酶活。
由圖1可知,此雙節(jié)線圖即為PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系的相圖。雙節(jié)線上的點(diǎn)為臨界區(qū),線的下方為均相區(qū),線的上方為兩相區(qū),即可形成雙水相體系,其中T、B點(diǎn)連線稱(chēng)為系線,T為上相組成,B為下相組成,由此可得知形成雙水相時(shí)PEG6000與(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的具體配比關(guān)系,以此選擇不同的萃取體系進(jìn)行漆酶萃取效應(yīng)的研究。
圖1 PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系相圖Figure 1 The phase diagram of aqueous two-phase system PEG6000/(NH4)2SO4
圖2 酶液添加量對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 2 The effect of adding amount of enzyme on extraction of laccase with aqueous two-phase system
由圖2可知,隨著漆酶酶液添加量的增加,相體積比變化不明顯,分配系數(shù)和酶活收率呈先增后減的趨勢(shì),當(dāng)酶液添加量為10%時(shí),分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為4.4和86.4%,此時(shí)漆酶的萃取效果最好。因此,選擇酶液的最佳添加量為10%。
由圖3可知,隨著PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,相體積比先緩慢增加后趨于平緩,分配系數(shù)和酶活收率呈逐漸增大趨勢(shì)。PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%時(shí),分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為13.0和95.3%,即漆酶的萃取效果最好。已有研究[19]表明,當(dāng)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),隨著 PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,酶的分配系數(shù)增加,酶活收率也同時(shí)增加,增加PEG相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)分離是有利的。因此,選擇PEG6000的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%。
圖3 PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 3 The effect of mass fraction of PEG6000on extraction of laccase with aqueous two-phase system
由圖4可知,隨著(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,相體積比逐漸減小,后趨于平穩(wěn),分配系數(shù)逐漸增大,而酶活收率呈先減后增趨勢(shì),當(dāng)(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí),酶分配系數(shù)和酶活收率最高,分別為5.4和85.5%。因此,選擇(NH4)2SO4的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%。
圖4 (NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 4 The effect of mass fraction of(NH4)2SO4on extraction of laccase with aqueous two-phase system
圖5 pH對(duì)漆酶萃取效應(yīng)的影響Figure 5 The effect of pH on extraction of laccase with aqueous two-phase system
由圖5可知,當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH為3.5至5.5時(shí),分配系數(shù)和酶活收率都很低,而體系pH為6.0(自然)時(shí),分配系數(shù)和酶活收率明顯增大,分別為5.5和91.1%,因此選擇雙水相體系最佳pH為自然,即不進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選擇酶液添加量、PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)和(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為三因素,按照表1設(shè)計(jì)L9(33)正交表,正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,各因素對(duì)PEG6000/(NH4)2SO4體系萃取漆酶的影響主次關(guān)系為RA>RC>RB,即酶液添加量對(duì)萃取效率的影響最大,其次為(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另外,從極差來(lái)看,RD(空列)>RB,說(shuō)明試驗(yàn)中有一定的誤差,是否還有其他因素比PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漆酶萃取效果的影響大,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。最優(yōu)組合為A1B3C2,即當(dāng)酶液添加量為5%,PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí),漆酶的萃取效果最佳,并在此最佳萃取條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到漆酶的分配系數(shù)和酶活收率分別高達(dá)7.6和96.6%,說(shuō)明正交試驗(yàn)優(yōu)化出的最佳萃取條件較好。
表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels for orthogonal design/%
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experimental design
2.7.1 漆酶的最適反應(yīng)溫度 由圖6可知,在45℃時(shí)純化漆酶的酶活最高,之后酶活明顯降低,至100℃時(shí)酶活幾乎為0。因此,確定純化漆酶的最適反應(yīng)溫度為45℃。
圖6 漆酶的最適反應(yīng)溫度Figure 6 The optimal temperature of the purified laccase activity
2.7.2 漆酶的熱穩(wěn)定性 由圖7可知,在30,35,45℃分別保溫2h后,漆酶的剩余相對(duì)酶活分別為78.2%,86.7%,74.4%,穩(wěn)定性較好,而在55℃保溫2h后其相對(duì)酶活仍剩余65.3%,由此表明,純化漆酶在30~55℃范圍內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性,其中在30~45℃范圍內(nèi),熱穩(wěn)定性較好。
2.7.3 漆酶的最適反應(yīng)pH 由圖8可知,在最適反應(yīng)溫度45℃時(shí),反應(yīng)pH為2.97時(shí)漆酶的酶活最高,之后酶活迅速下降,pH為4時(shí)相對(duì)酶活僅為61.0%,由此確定,在測(cè)定條件下,漆酶的最適反應(yīng)pH為2.97。
圖7 漆酶的熱穩(wěn)定性Figure 7 The thermostability of the purified laccase activity
2.7.4 漆酶的pH穩(wěn)定性 由圖9可知,純化漆酶在p H 3.5~5.0時(shí)穩(wěn)定性較好,保溫2h,剩余相對(duì)酶活均在72.7%~87.7%,在pH 5.5條件下保溫2h,相對(duì)酶活仍為66.0%,之后酶活逐漸降低,pH 7時(shí)酶活幾乎為0。由此可知,純化漆酶在pH 3.5~5.0時(shí)穩(wěn)定性最好。
圖8 漆酶的最適反應(yīng)pHFigure 8 The optimal pH of the purified laccase activity
圖9 漆酶的pH穩(wěn)定性Figure 9 The purified laccase stability under different pH
2.7.5 金屬離子對(duì)漆酶酶活性的影響 由圖10可知,與對(duì)照相 比 (不 加 金 屬 離 子),金 屬 離 子 Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+、K+、Ca2+對(duì)漆酶酶活有較好的促進(jìn)作用,其中 Cu2+和Mg2+促進(jìn)作用最顯著,其相對(duì)酶活分別達(dá)150.0%和148.0%。而Co2+、Fe2+、Na+則對(duì)漆酶酶活有很大的抑制作用,其中Fe2+抑制作用最明顯,其相對(duì)酶活僅為2.0%。
圖10 金屬離子對(duì)漆酶酶活的影響Figure 10 The effects of metal ions on the laccase activity
本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)灰樹(shù)花GF-931菌株的液體發(fā)酵,灰樹(shù)花漆酶的酶活力可達(dá)200~300U/mL,直接冷凍干燥酶活達(dá)3萬(wàn)U/g,采用ATPS法對(duì)其進(jìn)行分離純化,顯著降低了酶損失的同時(shí),更提高了其純度,穩(wěn)定了酶活性。
本試驗(yàn)采用PEG6000/(NH4)2SO4雙水相體系對(duì)灰樹(shù)花漆酶進(jìn)行萃取效應(yīng)的研究。通過(guò)單因素試驗(yàn)研究酶液添加量、PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)、(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體系pH對(duì)灰樹(shù)花漆酶萃取效應(yīng)的影響,通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化萃取條件。試驗(yàn)結(jié)果表明:在pH為6(自然)時(shí),漆酶最佳萃取條件為酶液添加量5%,PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%,(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%,在此最佳萃取條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),漆酶的分配系數(shù)和酶活收率分別高達(dá)7.6和96.6%。說(shuō)明該技術(shù)能夠用于灰樹(shù)花漆酶的分離純化。
對(duì)雙水相萃取純化的漆酶進(jìn)行了酶學(xué)性質(zhì)研究,由試驗(yàn)結(jié)果可知,純化漆酶的最適反應(yīng)溫度為45℃,在30~45℃時(shí)熱穩(wěn)定性最好;最適反應(yīng)pH為2.97,在pH 3.5~5.0時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。金屬離子 Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+、K+、Ca2+對(duì)漆酶酶活有促進(jìn)作用,其中Cu2+和Mg2+促進(jìn)作用最強(qiáng);而Co2+、Fe2+、Na+則抑制漆酶酶活,其中Fe2+的抑制作用最明顯。
本試驗(yàn)利用ATPS法進(jìn)行了灰樹(shù)花漆酶的萃取,確定了最佳萃取條件,并進(jìn)行了純化漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究,為漆酶的系統(tǒng)研究及工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
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