曾霖霖,黃惠華
(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510640)
超聲波及熱處理對(duì)柚皮苷酶穩(wěn)定性及其二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響
曾霖霖,黃惠華*
(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510640)
研究了超聲波及熱處理對(duì)柚皮苷酶的活性及熱穩(wěn)定性的影響,通過(guò)圓二色譜分析超聲波及熱處理對(duì)柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,隨著溫度的升高,酶失活速率加快,在80℃下保溫150min,柚皮苷酶殘留酶活僅為原酶的15.69%。超聲功率為40~120W時(shí),短時(shí)間的超聲處理對(duì)柚皮苷酶活性有促進(jìn)作用,而功率大于160W時(shí)超聲波處理對(duì)柚皮苷酶活性有鈍化作用。80W處理對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性有促進(jìn)作用,處理5min后60℃保溫150min,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性增加了64.34%;而280W處理對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定有鈍化作用,處理40min后60℃保溫150min,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性降低了42.61%。圓二色譜分析結(jié)果表明,未經(jīng)處理的柚皮苷酶中α-螺旋含量較少,主要結(jié)構(gòu)為β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲;熱處理及超聲波處理對(duì)α-螺旋結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響,β-折疊、β-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)則卷曲含量的變化分別在0.4%~1.1%、0.1%~0.4%及0~0.9%之間。
柚皮苷酶,超聲波,熱處理,圓二色譜,二級(jí)結(jié)構(gòu)
柚皮苷酶首先被Hall和Thomas分別于1938年和1958年從芹菜種子和葡萄果實(shí)的葉子中分離出來(lái)。然而,只有經(jīng)過(guò)微生物培養(yǎng)分離出的柚皮苷酶才是可以應(yīng)用的,該產(chǎn)品可經(jīng)過(guò)液體深層發(fā)酵法或固體發(fā)酵法獲得[1]。柚皮苷酶主要應(yīng)用于果汁的脫苦,它是由α-L-鼠李糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶組成的混合酶系,兼具兩種酶的活性。前者可將果汁中黃烷酮糖苷類化合物的柚皮苷水解成櫻桃苷和鼠李糖,櫻桃苷的苦味約為柚皮苷的1/3;櫻桃苷接著在β-D-葡萄糖苷酶的作用下生成無(wú)苦味的柚皮素和葡萄糖[2-3],苦味消失。因此研究不同處理后柚皮苷酶穩(wěn)定性及二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,對(duì)提高果汁的脫苦率具有非常重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于柚皮苷酶穩(wěn)定性及二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究還未見(jiàn)報(bào)道,本文研究了超聲波及熱處理對(duì)柚皮苷酶穩(wěn)定性的影響,并通過(guò)圓二色譜儀分析柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,以探討熱處理及超聲波處理與柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系,為促進(jìn)柚皮苷酶的工業(yè)化應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。
1.1 材料與設(shè)備
柚皮苷酶 來(lái)源于青霉屬,活力414U/g(酶活定義:在40℃、pH為4.0的條件下每分鐘從柚皮苷中分解出1.0μmol葡萄糖所需的酶量定義為一個(gè)活力單位),購(gòu)于sigma公司;柚皮苷 購(gòu)于sigma公司。
圓二色譜儀(MOS-450) Blo-Logic公司;JY92-IIDN超聲波 寧波新芝;UV-1800紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 日本島津;恒溫水浴鍋 HH-4富華儀器有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 柚皮苷酶溶液中蛋白含量的測(cè)定
1.2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 以牛血清白蛋白為標(biāo)樣,取0.5g標(biāo)樣溶于50m L蒸餾水,配成10mg/m L牛血清白蛋白溶液。取6支試管,分別吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m L標(biāo)液,用蒸餾水補(bǔ)足至1m L,分別加入4m L堿性硫酸銅溶液(由1.5g硫酸銅、6.0g酒石酸鉀鈉溶于500m L蒸餾水中,攪拌下緩慢加入300m L 10%的 NaOH溶液,定容至1L),振搖10min,靜置30m in后在500~600nm范圍內(nèi)快速掃描,得產(chǎn)物最大吸收波長(zhǎng)為543nm。然后在543nm處測(cè)定反應(yīng)液的吸光值,以吸光度對(duì)蛋白質(zhì)的含量作圖,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程為 y=0.2373x+0.0075,R2=0.9982。
1.2.1.2 樣品測(cè)定 取5支試管,分別加入1.0m L 5mg/m L的酶液,振蕩10m in,靜置30min后在543nm處測(cè)定吸光度,根據(jù)吸光度計(jì)算所取樣液中蛋白質(zhì)含量。結(jié)果表明,柚皮苷酶中蛋白質(zhì)含量為32.68%。
1.2.2 柚皮苷酶活力測(cè)定方法[4]取2m L 0.1%柚皮苷標(biāo)準(zhǔn)溶液和0.2mol/L pH3.8的檸檬酸緩沖液1.9m L置于試管中,在40℃恒溫水浴中預(yù)熱5m in,然后加入未處理及處理過(guò)的柚皮苷酶液0.1m L,充分搖勻,準(zhǔn)確保溫30m in,用三氯乙酸滅酶后吸取0.5m L酶解液,置于10m L的小試管中,加入90%二甘醇5m L,1mol/L NaOH 溶液 0.5m L,搖勻,在 40℃ 保溫10m in,倒入厚度為1cm的比色皿中,空白以蒸餾水代替NaOH,在最適波長(zhǎng)下測(cè)定光密度。柚苷酶活力的定義為:在40℃,pH3.8條件下,每毫升柚皮苷酶每分鐘催化分解1μg柚皮苷為一個(gè)單位,以 U/m L表示。
1.2.3 柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性 配制0.1mg/m L的柚皮苷酶溶液,分別在30~80℃下保溫,每隔30m in取0.1m L酶液測(cè)定殘留酶活,總處理時(shí)間為150min,本文中殘留酶活都用相對(duì)酶活表示,定義未經(jīng)任何處理的柚皮苷酶活力為100%。
1.2.4 超聲波對(duì)柚皮苷酶活性的影響 取25m L 0.1mg/m L的柚皮苷酶溶液于50m L燒杯中,將超聲波變幅桿插入處理液下10~15cm。頻率固定為20kHz,脈沖方式為 1∶1,分別在功率為 40、80、120、160、200、280W 下處理 5~40min,測(cè)定柚皮苷酶殘存酶活,以相對(duì)酶活表示。
1.2.5 超聲波對(duì)柚皮苷酶熱穩(wěn)定性的影響 將80W及280W超聲波處理后的柚皮苷酶溶液置于60℃下保溫不同時(shí)間(0~150m in),每隔30min取0.1m L酶液測(cè)定殘留酶活。在給定條件下,保留的活性越高,酶的穩(wěn)定性越強(qiáng)。
1.2.6 熱處理及超聲波處理對(duì)柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響 二級(jí)結(jié)構(gòu)可以用遠(yuǎn)紫外圓二色譜測(cè)定[5-6],為適合圓二色譜分析,配制蛋白質(zhì)含量為0.15mg/m L的柚皮苷酶溶液。
用Blo-Logic MOS-450圓二色譜儀測(cè)定熱處理及超聲波處理前后柚皮苷酶遠(yuǎn)紫外圓二色譜變化。樣品池光程為0.1cm,在25℃和連續(xù)充氮的條件下,進(jìn)行遠(yuǎn)紫外區(qū)域(185~250nm)掃描,速度為3.3nm/s,光譜間隔0.5nm,3次累積??朔肿訖E圓率[θ]=θ/(10CL),式中,θ:CD儀測(cè)出的橢圓率單位(mdeg);C:柚皮苷酶濃度(mg/m L);L:比色皿的厚度(cm)。通過(guò)儀器提供的軟件 CDPro-Protein Secondary Structure Estimation Program,套用43種不同的蛋白模型,采用Continll算法估算原酶液及不同處理的柚皮苷酶溶液二級(jí)結(jié)構(gòu)中α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲所占的比率。
2.1 柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性
圖1所示為柚皮苷酶在不同溫度下的失活動(dòng)力學(xué)曲線,由于柚皮苷酶是一種混合酶,因此酶的熱失活并不遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線[7]。從圖1中可知,柚皮苷酶在30℃下保溫90m in,酶活幾乎沒(méi)有損失,保溫150min,酶活仍然高達(dá)85.3%。當(dāng)溫度為40℃時(shí),柚皮苷酶開(kāi)始發(fā)生變性,酶活下降比較顯著。隨著溫度的升高,酶變性速度加快,酶活下降的速度也隨之增大。當(dāng)溫度高于70℃時(shí),酶失活速度顯著增大,在70℃和80℃柚皮苷酶的半衰期分別在100m in和50m in左右。在80℃下保溫150m in,柚皮苷酶殘留酶活僅為15.69%。這是因?yàn)樵谌魏螠囟认?,總?huì)有少量酶分子處于較高能量狀態(tài),這些分子會(huì)越過(guò)能障成為非活性分子,導(dǎo)致酶活降低。相對(duì)來(lái)說(shuō),柚皮苷酶是一種比較耐熱的酶。
2.2 超聲波處理對(duì)柚皮苷酶穩(wěn)定性的影響
大多數(shù)研究表明,超聲功率不同,對(duì)酶的處理效果也不同。較低強(qiáng)度的超聲作用,超聲強(qiáng)度與酶活力呈正相關(guān),隨著強(qiáng)度的增大,酶逐漸被激活,強(qiáng)度越高,酶的催化活力越高。若進(jìn)一步加大強(qiáng)度,酶催化活力反而降低[8-9]。
圖2所示為柚皮苷酶在不同超聲功率下作用不同時(shí)間酶活性的變化,從圖2中可知,超聲波對(duì)柚皮苷酶的活性影響隨著功率和處理時(shí)間均有所變化,當(dāng)超聲功率在40~120W時(shí),柚皮苷酶活性隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低,40W處理5min、80W處理10m in,柚皮苷酶活性分別比原酶增加 5.77%和9.54%;120W 超聲 30min,相對(duì)酶活仍然高達(dá)106.65%,隨后酶活急劇下降,在超聲40m in時(shí)酶活降為原酶的81.26%。隨著超聲功率的增大,超聲時(shí)間的延長(zhǎng),柚皮苷酶活性呈下降趨勢(shì),當(dāng)柚皮苷酶在280W下處理40min,酶活損失高達(dá)37.27%。因此,超聲功率為40~120W之間時(shí),短時(shí)間的超聲處理對(duì)柚皮苷酶活性有促進(jìn)作用,當(dāng)處理達(dá)到一定時(shí)間后,酶活性逐漸下降[8-10];當(dāng)功率大于 160W 時(shí),超聲波對(duì)柚皮苷酶活性有鈍化作用。這是因?yàn)槊甘且环N活性生物分子,其活性的高低從根本上取決于酶分子構(gòu)象的合理程度。較低強(qiáng)度的超聲處理可導(dǎo)致酶分子能量的增加與介質(zhì)溫度的增高,引起酶分子構(gòu)象的微小變化,使酶分子的超微結(jié)構(gòu)更具有柔性、更合理,從而表現(xiàn)出較高的催化活性;但在較高強(qiáng)度的超聲作用下,酶分子的能量進(jìn)一步加大,構(gòu)象進(jìn)一步改變,趨向于不合理的構(gòu)象,導(dǎo)致酶分子本身的催化活力受到阻礙,表現(xiàn)為酶的失活[11]。
圖2 超聲波處理對(duì)柚皮苷酶穩(wěn)定性的影響
2.3 超聲波對(duì)柚皮苷酶熱穩(wěn)定性的影響圖3為柚皮苷酶經(jīng)過(guò)超聲波處理后,在60℃保溫不同時(shí)間活性的變化情況。從圖3可知,超聲波功率和超聲時(shí)間對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性影響較大。
與未經(jīng)超聲處理的柚皮苷酶相比,80W處理對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性有促進(jìn)作用,即柚皮苷酶的半衰期延長(zhǎng);80W處理5m in后,60℃保溫150m in,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性增加了64.34%。當(dāng)超聲處理的功率為280W,超聲時(shí)間超過(guò)5m in時(shí),柚皮苷酶的熱穩(wěn)定受到抑制;280W處理40min后,60℃保溫150m in,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性降低了42.61%。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可得知,80W處理的柚皮苷酶半衰期明顯比280W處理的柚皮苷酶半衰期長(zhǎng)。這與柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān),從表1中可知,80W處理后β-折疊含量下降,而無(wú)規(guī)則卷曲含量上升,表明柚皮苷酶的結(jié)構(gòu)變得更具有柔性、更加合理,底物分子更容易進(jìn)入酶活性中心,因此柚皮苷酶活性得到提高;280W處理后β-折疊含量上升,而β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲含量均有所下降,表明柚皮苷酶的結(jié)構(gòu)變得更具有剛性,結(jié)構(gòu)更加緊密,底物分子較難進(jìn)入酶活性中心,因此柚皮苷酶活性也相對(duì)降低。
2.4 不同處理對(duì)柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響
圖3 超聲波功率80W及280W處理對(duì)柚皮苷酶熱穩(wěn)定性的影響
從表1可知,柚皮苷酶中α-螺旋含量較少,主要結(jié)構(gòu)為β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲。熱處理的溫度高低對(duì)柚皮苷酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)影響不同,40℃處理60m in,α-螺旋和β-折疊含量均降低,β-轉(zhuǎn)角含量上升;60℃處理60m in,無(wú)規(guī)則卷曲含量降低1.5%,β-折疊含量增加1.1%。說(shuō)明柚皮苷酶分子在低溫處理時(shí)柔性增大,結(jié)構(gòu)變得更加松散,同時(shí)β-轉(zhuǎn)角增多,酶活性中心或者鍵合位點(diǎn)被覆蓋的幾率增大,導(dǎo)致底物和酶結(jié)合失敗的概率增大,從而使酶失去活性;而在較高溫度處理時(shí)剛性增大,同時(shí)β-折疊非自然的錯(cuò)誤增多,最終導(dǎo)致酶天然構(gòu)象改變,活性中心或鍵合位點(diǎn)就越少,酶活性越差[12-13]。超聲波功率高低對(duì)柚皮苷酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)也有類似影響,較低功率時(shí)β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量均降低,無(wú)規(guī)則卷曲含量上升0.9%,而在較大功率時(shí),二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化主要為β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲含量的變化。
表1 熱處理及超聲波處理對(duì)柚皮苷酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響
圖4所示為柚皮苷酶在熱處理及超聲波處理前后圓二色譜的變化。從圖4中可知,未經(jīng)處理的柚皮苷酶在208nm及222nm有兩個(gè)負(fù)峰,[θ]208=-539deg·cm2·dmol-1,這是 α-螺旋的典型結(jié)構(gòu),但是雙負(fù)峰并不十分明顯,可以判斷柚皮苷酶中螺旋結(jié)構(gòu)比例很少,熱處理和超聲處理后,負(fù)峰位置并沒(méi)有發(fā)生明顯變化,可知α-螺旋結(jié)構(gòu)并沒(méi)有受到影響,這與表1中數(shù)據(jù)相吻合。圖4中顯示在200nm及215nm附近均有明顯的負(fù)峰,這是β-折疊的典型結(jié)構(gòu),相比于未處理的柚皮苷酶,圖4(a)中200nm附近的負(fù)峰在40℃處理后往下移,說(shuō)明β-折疊結(jié)構(gòu)含量降低,而60℃處理后的柚皮苷酶在215nm處的負(fù)峰往上移,說(shuō)明β-折疊結(jié)構(gòu)含量增加。圖4(b)中超聲波處理的柚皮苷酶相應(yīng)位置的負(fù)峰也有類似變化。圖中205nm及218nm處均有一個(gè)明顯正峰,這分別是β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲的典型結(jié)構(gòu),與未經(jīng)處理的柚皮苷酶相比,熱處理和80W及160W超聲波處理后205nm處的正峰均明顯下移,而280W超聲處理正峰位置幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明熱處理及低功率的超聲處理對(duì)柚皮苷酶的β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)有顯著影響。40℃處理60m in后柚皮苷酶218nm處的正峰發(fā)生藍(lán)移,而60℃處理正峰峰形及位置都沒(méi)明顯變化,不同功率超聲處理后218nm處的正峰位置均有所下降,80W時(shí)變化最為明顯,說(shuō)明較低溫度及較小超聲功率對(duì)柚皮苷酶的無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)影響較大。因此,溫度及超聲波均能導(dǎo)致柚皮苷酶的構(gòu)象變化。
圖4 熱處理及超聲波處理對(duì)柚皮苷酶圓二色譜的影響
圖4中所示的圓二色譜圖與典型的α-螺旋雙負(fù)峰圖譜有所差異,可能原因有:柚皮苷酶純度可能不高或者在使用過(guò)程中混入了其它干擾雜質(zhì);柚皮苷酶是由α-L-鼠李糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶組成的混合酶系,并不是單一酶種,因此兩種酶在遠(yuǎn)紫外區(qū)的吸收可能會(huì)相互干擾;柚皮苷酶在儲(chǔ)藏過(guò)程中,構(gòu)象可能發(fā)生了不可逆的變化。因此,如何從柚皮苷酶中分離純化α-L-鼠李糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶,以及這兩種酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)在超聲波及熱處理后的變化將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。
柚皮苷酶隨著溫度的升高,酶失活速率加快,在80℃下保溫150m in,柚皮苷酶殘留酶活僅為原酶的15.69%;超聲功率為40~120W時(shí),短時(shí)間的超聲處理對(duì)柚皮苷酶活性有促進(jìn)作用,功率大于160W時(shí)超聲波處理對(duì)柚皮苷酶活性有鈍化作用。80W處理對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定性有促進(jìn)作用,處理5m in后60℃保溫150m in,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性增加了64.34%;而280W處理對(duì)柚皮苷酶的熱穩(wěn)定有鈍化作用,處理40m in后60℃保溫150m in,酶活性比未經(jīng)處理的柚皮苷酶活性降低了42.61%。圓二色譜結(jié)果顯示,未經(jīng)處理的柚皮苷酶中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量較少,主要結(jié)構(gòu)為β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲,熱處理及超聲波處理對(duì)柚皮苷酶β-螺旋幾乎沒(méi)有影響,β-折疊、β-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)則卷曲含量的變化分別在0.4%~1.1%、0.1%~0.4%及0~0.9%之間。
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Effect of ultrasonic and heat treatment on the activity and secondary structure of naringinase
ZENG Lin-lin,HUANG Hui-h(huán)ua*
(College of Light Industry and Food Technology,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)
The effects of ultrasonic and heat treatment on the activity and secondary structure of naringinase were studied.The results showed that the activity of naringinase was found decreased to 15.69%with heat treatment for 150m in at80℃.Naringinase activity was found enhanced with ultrasonic treatment for a short time from 40W to 120W,but inhibited once the ultrasonic power higher than 160W.The thermostability of naringinase was promoted under 80W ultrasonic treatment,but passivated under 280W.Naringinase activity was increased by 64.34%under 80W,5m in ultrasonic treatment,while decreased by 42.61%under 280W,40m in ultrasonic treatment.CD detection showed that the content ofα-h(huán)elix remained steady under heat and ultrasonic treatment,while the content changes ofβ-sheet,β-turn and random were found from 0.4%~1.1%,0.1%~0.4%and 0~0.9%,respectively.
naringinase;ultrasonic;heat treatment;circular dichroism;secondary structure
TS255.1
A
1002-0306(2011)08-0101-04
2010-06-28 *通訊聯(lián)系人
曾霖霖(1987-),男,在讀碩士,研究方向:食品科學(xué)。
國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2007EA780005);廣東省關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(2008A024200003)。