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耐有機溶劑低溫堿性脂肪酶產(chǎn)酶條件優(yōu)化及其酶學(xué)性質(zhì)

2019-06-11 05:31嚴曉云石紅璆查代明余甜甜張炳火
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年3期

嚴曉云 石紅璆 查代明 余甜甜 張炳火

摘要[目的]研究沙雷氏菌JXJ-54胞外脂肪酶的產(chǎn)酶條件以及粗酶酶學(xué)性質(zhì)。[方法]以沙雷氏菌JXJ-54為出發(fā)菌株,采用單因素分析優(yōu)化其產(chǎn)胞外脂肪酶的條件并對該酶進行酶學(xué)性質(zhì)研究。[結(jié)果]該菌株的最佳產(chǎn)酶條件為牛肉浸膏10 g/L、K2HPO4 2 g/L、菜籽油乳化液體積分數(shù)2.25%,初始pH 9.0、培養(yǎng)溫度20 ℃、裝樣量40 mL、接種量2%、發(fā)酵時間20 h。JXJ-54脂肪酶的最適底物為對硝基苯酚辛酸酯和對硝基苯酚葵酸酯,在30 ℃、pH 8.5~9.5時酶活力最高,且具有一定的熱穩(wěn)定性和較好的pH穩(wěn)定性;酶樣品受到多數(shù)供試金屬離子和EDTA的抑制,在供試表面活性劑和有機溶劑中具有良好耐受性,甚至處于激活狀態(tài)。[結(jié)論]該菌株能利用簡單的發(fā)酵培養(yǎng)基達到較好的產(chǎn)酶效果,其所產(chǎn)胞外脂肪酶為低溫堿性脂肪酶,具有一定的熱穩(wěn)定性和較好的pH穩(wěn)定性,在供試表面活性劑和有機溶劑中具有良好的耐受性,在食品加工、洗滌劑、低溫環(huán)境修復(fù)等低溫堿性環(huán)境的工業(yè)領(lǐng)域中有一定的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞低溫堿性脂肪酶;有機溶劑耐受性;表面活性劑耐受性;沙雷氏菌屬

中圖分類號Q815文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2019)03-0076-06

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.025

脂肪酶(triacylglycerol acylhydrolases,EC 3.1.1.3)廣泛存在于動植物和微生物中,既能在油水界面上催化?;视退?,又能在微水相或非水相中催化轉(zhuǎn)酯、酯化、氨解、醇解、酸解等多種化學(xué)反應(yīng),且催化反應(yīng)具有良好的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和/或立體選擇性[1]。微生物脂肪酶具有資源豐富、催化活性多樣、穩(wěn)定性高、工業(yè)生產(chǎn)適用性好等優(yōu)點,已成為工業(yè)用脂肪酶的主要來源,廣泛應(yīng)用于食品、洗滌劑、飼料、生物能源、精細化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[2-3]。

有機溶劑耐受性是評價脂肪酶性能的重要指標,也是脂肪酶資源挖掘的熱點方向。雖然關(guān)于有機溶劑耐受性脂肪酶的研究報道較多[4-6],但是從沙雷氏菌屬(Serratia)細菌中篩選出有機溶劑耐受性脂肪酶的研究報道較少。Zhao等[7]對粘質(zhì)沙雷氏菌(S. marcescens)ECU1010胞外脂肪酶進行了純化,并對該純酶進行了酶學(xué)性質(zhì)研究,發(fā)現(xiàn)該脂肪酶具有良好的有機溶劑耐受性,這是首次關(guān)于沙雷氏菌脂肪酶具有有機溶劑耐受性的研究報道。朱綺霞等[8]在大腸桿菌(Escherichia coli)BL21(DE3)中高效表達了粘質(zhì)沙雷氏菌脂肪酶LipA,酶學(xué)性質(zhì)表明LipA對一些有機溶劑有較好的耐受性。司冠儒[9]從土壤中篩選出一株脂肪酶活力較高的粘質(zhì)沙雷氏菌JNS3-9,通過PCR技術(shù)克隆了其脂肪酶基因lipA,并在枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)168中實現(xiàn)了高效表達,酶學(xué)性質(zhì)表明LipA對有機溶劑有一定的耐受性。Ugur等[10]從生乳中篩選出一株產(chǎn)脂肪酶的格氏沙雷氏菌(S. grimesii)RB06-22,對部分純化后的胞外脂肪酶進行了酶學(xué)性質(zhì)研究,結(jié)果表明該脂肪酶對一些有機溶劑有一定的耐受性,其中正己烷對該酶有強烈的激活作用。李婧玒等[11]克隆了源于北極凍土沙雷氏菌BOB的脂肪酶基因lip18,并在大腸桿菌BL21(DE3)中實現(xiàn)了活性表達,酶學(xué)性質(zhì)表明Lip18具有較好的有機溶劑耐受性。García-Silvera等[12]從石油污染的土壤中篩選出一株產(chǎn)脂肪酶的粘質(zhì)沙雷氏菌SM3,甲磺酸乙酯誘變處理后獲得了一株產(chǎn)脂肪酶活力較高的突變株SMRG4,其胞外脂肪酶具有良好的有機溶劑耐受性。筆者以沙雷氏菌JXJ-54為對象,研究其胞外脂肪酶的產(chǎn)酶條件以及粗酶酶學(xué)性質(zhì),旨在為進一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1菌種。沙雷氏菌JXJ-54,前期分離并用甘油管保藏于超低溫冰箱中。

1.1.2

培養(yǎng)基。LB培養(yǎng)基:蛋白脈10 g/L、酵母提取物5 g/L、NaCl 10 g/L,自然pH,固體培養(yǎng)基另加瓊脂條18 g/L;基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基:麥芽糖5 g/L、蛋白胨10 g/L、K2HPO4 2 g/L、MgSO4 0.5 g/L、大豆油乳化液體積分數(shù)2%,pH 7.0。大豆油乳化液:大豆油與體積分數(shù)2%的PVA按1∶3的比例混合,10 000 r/min乳化10 min即可。

1.2方法

1.2.1

脂肪酶活力的測定。挑取生長于LB固體培養(yǎng)基上的沙雷氏菌JXJ-54單菌落,接種到4 mL LB液體培養(yǎng)基中,30 ℃、160 r/min培養(yǎng)過夜,然后以2%的接種量接種于20 mL基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基中,30 ℃、160 r/min發(fā)酵24 h;所有發(fā)酵液于4 ℃、4 500 r/min離心15 min,所得上清液即為胞外脂肪酶粗酶,酶活力測定參考文獻[6]。

1.2.2培養(yǎng)基的優(yōu)化。

1.2.2.1碳源。在基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上改變碳源組成,按照上述條件進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定碳源對產(chǎn)酶的影響,對照組不添加碳源,其酶活力設(shè)為100%。

1.2.2.2氮源。在上述優(yōu)化培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上改變氮源組成,按照上述條件進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定氮源對產(chǎn)酶的影響,對照組不添加氮源,其酶活力設(shè)為100%;分別添加7.50、8.75、10.00、11.25、12.50 g/L最佳氮源以確定其添加量對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.2.3

金屬離子。在上述優(yōu)化培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上改變金屬離子的組成,按照上述條件進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定金屬離子對產(chǎn)酶的影響,對照組不添加金屬離子,其酶活力設(shè)為100%。

1.2.2.4

誘導(dǎo)劑。在上述優(yōu)化培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上改變油脂誘導(dǎo)劑的組成,按照上述條件進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定誘導(dǎo)劑對產(chǎn)酶的影響,對照組不添加誘導(dǎo)劑,其酶活力設(shè)為100%;分別添加2.00%、2.25%、2.50%、2.75%、300%最佳誘導(dǎo)劑以確定其添加量對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.3

發(fā)酵條件的優(yōu)化。

1.2.3.1

初始pH。采用優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基,在初始發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上改變初始pH進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.3.2

溫度。采用優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基,在上述優(yōu)化發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上改變溫度進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定發(fā)酵溫度對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.3.3

裝樣量。采用優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基,在上述優(yōu)化發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上改變250 mL三角燒瓶中的培養(yǎng)基體積進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定裝樣量對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.3.4

接種量。采用優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基,在上述優(yōu)化發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上改變種子液的接種量進行發(fā)酵培養(yǎng),測定脂肪酶活力以確定接種量對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.3.5

發(fā)酵時間。采用優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基,在上述優(yōu)化發(fā)酵條件下進行發(fā)酵培養(yǎng),分別在不同時間段取樣進行脂肪酶活力測定以確定發(fā)酵時間對產(chǎn)酶的影響,最佳組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.4酶學(xué)性質(zhì)研究。

1.2.4.1底物特異性。以對硝基苯酚乙酸酯、對硝基苯酚丁酸酯、對硝基苯酚辛酸酯、對硝基苯酚葵酸酯、對硝基苯酚月桂酸酯、對硝基苯酚豆蔻酸酯和對硝基苯酚棕櫚酸酯為底物,分別測定脂肪酶活力以確定底物對酶活力的影響,最高酶活力設(shè)為100%。

1.2.4.2

溫度對酶活力的影響。在最適底物條件下,分別測定不同反應(yīng)溫度(20~55 ℃)下的脂肪酶活力以確定反應(yīng)溫度對酶活力的影響,最高酶活力設(shè)為100%。不同溫度(30~60 ℃)下溫浴處理酶樣品,1 h后分別測定脂肪酶活力以確定其熱穩(wěn)定性,處理前的酶活力設(shè)為100%。

1.2.4.3

pH對酶活力的影響。在最適底物、溫度條件下,分別在Na2HPO4-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH 5.0~8.0)和Tris-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH 8.0~10.5)中測定脂肪酶活力以確定反應(yīng)pH對酶活力的影響,最高酶活力設(shè)為100%。在不同pH緩沖液中28 ℃搖床處理酶樣品,1 h后測定脂肪酶活力以確定其pH穩(wěn)定性,pH 7.0組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.4.4

金屬離子和EDTA對酶活力的影響。酶樣品中分別加入NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、MnCl2、ZnCl2、CuCl2、FeCl3和EDTA,使其終濃度為10 mmol/L,將加入等量雙蒸水的酶樣品設(shè)為對照組,28 ℃搖床處理1 h后,分別測定脂肪酶活力以確定金屬離子和EDTA對酶活力的影響,對照組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.4.5

表面活性劑對酶活力的影響。酶樣品中分別加入SDS、CTAB和Triton X-100,使其終濃度為0.10%,加入等量雙蒸水的酶樣品設(shè)為對照組,28 ℃搖床處理1 h后,分別測定脂肪酶活力以確定表面活性劑對酶活力的影響,對照組的酶活力設(shè)為100%。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2019年

1.2.4.6

有機溶劑對酶活力的影響。酶樣品中分別加入異丙醇、甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷和正己烷,使其體積分數(shù)分別為10%~50%,加入等量雙蒸水的酶樣品設(shè)為對照組,28 ℃搖床處理1 h后,分別測定脂肪酶活力以確定有機溶劑對酶活力的影響,對照組的酶活力設(shè)為100%。

1.2.5

數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)來自3次獨立重復(fù)試驗,以平均數(shù)±標準差表示。

2結(jié)果與分析

2.1培養(yǎng)基的優(yōu)化

2.1.1碳源。由圖1可知,葡萄糖、蔗糖、乳糖、可溶性淀粉、麥芽糖均顯著抑制菌株JXJ-54產(chǎn)酶,其中蔗糖的抑制作用最強。因此,發(fā)酵培養(yǎng)基中無需額外添加碳源。這些碳源的存在不利于菌株JXJ-54產(chǎn)脂肪酶,可能是由于它們的分解代謝物抑制脂肪酶基因的表達。

2.1.2

氮源。由圖2A可知,硝酸鈉、尿素、酵母提取物、牛肉浸膏、蛋白胨均顯著促進菌株JXJ-54產(chǎn)酶,其中牛肉浸膏的促進作用最強,因此選擇牛肉浸膏作為該菌株產(chǎn)酶的最佳氮源。由圖2B可知,牛肉浸膏加入量為10 g/L時,菌株的產(chǎn)酶活力最強,因此選擇該濃度為牛肉浸膏的最適加入量。

2.1.3金屬離子。由圖3可知,供試金屬離子均不同程度地抑制菌株JXJ-54產(chǎn)酶,其中Cu2+、Mg2+、Fe3+顯著抑制菌株產(chǎn)酶,而Ca2+、Mn2+的抑制作用沒有顯著性。因此,發(fā)酵培養(yǎng)基中無需額外添加金屬離子。

2.1.4誘導(dǎo)劑。由圖4A可知,供試油脂乳化液作為誘導(dǎo)劑顯著促進菌株JXJ-54產(chǎn)酶,其中菜籽油的促進作用最強,其次為葵花籽油、玉米油、芝麻油、花生油和大豆油,但是它們之間的促進作用沒有顯著差異,因此選擇菜籽油乳化液作為該菌株產(chǎn)酶的最佳誘導(dǎo)劑。與不添加誘導(dǎo)劑的對照組相比,各誘導(dǎo)劑組的脂肪酶活力只增加了20%~29%,這可能是由于誘導(dǎo)劑為菌株JXJ-54提供了額外的碳源所致,說明該菌株可能是組成型表達胞外脂肪酶。由圖4B可知,菜籽油乳化液加入量為2.25%時,菌株產(chǎn)酶活力最強,因此選擇該體積分數(shù)為菜籽油乳化液的最適加入量。

2.2發(fā)酵條件的確定

2.2.1初始pH。由圖5可知,菌株JXJ-54在初始pH為40~10.0的發(fā)酵培養(yǎng)基中具有較高的產(chǎn)酶活力,其中初始pH為9.0時菌株產(chǎn)酶活力最高,因此選擇9.0為該菌株產(chǎn)酶的最佳初始pH。

2.2.2溫度。由圖6可知,發(fā)酵溫度對菌株JXJ-54產(chǎn)酶的影響較大,發(fā)酵溫度為20 ℃時菌株產(chǎn)酶活力最高,因此選擇20 ℃為該菌株產(chǎn)酶的最佳發(fā)酵溫度。

2.2.3

裝樣量。由圖7可知,裝樣量對菌株JXJ-54產(chǎn)酶的影響不大,裝樣量為30 mL時菌株產(chǎn)酶活力最高,由于裝樣量為30 mL與40 mL時的酶活力沒有顯著差異,因此選擇40 mL為該菌株產(chǎn)酶的最佳裝樣量。

2.2.4

接種量。由圖8可知,接種量對菌株JXJ-54產(chǎn)酶的影響較大,隨著接種量的增加,菌株產(chǎn)酶活力逐漸增高,接種量為2%時產(chǎn)酶活力達到最高,隨后緩慢下降,因此選擇2%為該菌株產(chǎn)酶的最佳接種量。

2.2.5

發(fā)酵時間。由圖9可知,發(fā)酵時間是影響菌株JXJ-54產(chǎn)酶的關(guān)鍵因素之一,隨著發(fā)酵時間的延長,菌株產(chǎn)酶活力迅速增高,12 h達到產(chǎn)酶的穩(wěn)定期,24 h達到產(chǎn)酶的峰值,隨后逐漸下降。由于20 h的酶活力與24 h相比沒有顯著差異,因此選擇20 h為該菌株產(chǎn)酶的最佳發(fā)酵時間。

2.3酶學(xué)性質(zhì)研究

2.3.1

底物特異性。由圖10可知,JXJ-54脂肪酶特異性水解中鏈對硝基苯酚酯,其最適底物為對硝基苯酚辛酸酯和對硝基苯酚葵酸酯,與其他沙雷氏菌屬脂肪酶的底物特異性存在較大的差異[7,11,13]。

2.3.2

溫度對酶活力的影響。由圖11A可知,JXJ-54脂肪酶的最適反應(yīng)溫度為30 ℃,20 ℃時其酶活力較低,保持在45%,而25~55 ℃時其酶活力較高,均保持在85%以上。由圖11B可知,酶樣品在30~60 ℃下溫浴1 h后,其殘余酶活力急劇下降,50~60 ℃的殘余酶活力只有溫浴處理前的20%左右。JXJ-54脂肪酶的溫度特性與Lip18脂肪酶類似[11]。一般來說,最適反應(yīng)溫度低于40 ℃的酶屬于低溫酶,且具有一定的熱穩(wěn)定性[14]。因此,JXJ-54脂肪酶為低溫脂肪酶,在30~40 ℃時具有較好的熱穩(wěn)定性,這對該酶應(yīng)用于生物轉(zhuǎn)化領(lǐng)域非常有利,特別是食品加工和油脂加工領(lǐng)域[15]。

2.3.3pH對酶活力的影響。由圖12A可知,JXJ-54脂肪酶

的最適反應(yīng)pH為8.5~9.5,pH 8.0~10.0時其酶活力保持在70%以上,pH低于8.0或高于10.0時其酶活力急劇下降。由圖12B可知,酶樣品在不同pH緩沖液(5.0~10.5)中28 ℃處理1 h后,其殘余酶活力均保持在80%以上。JXJ-54脂肪酶的pH特性與RB06-22脂肪酶和SMRG4脂肪酶類似[10,12]。綜上,JXJ-54脂肪酶為低溫堿性脂肪酶,具有較寬的最適反應(yīng)pH和較好的pH穩(wěn)定性,在低溫堿性環(huán)境的工業(yè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力,比如洗滌劑配方和低溫環(huán)境修復(fù)。

2.3.4

金屬離子和EDTA對酶活力的影響。由圖13可知,金屬離子和EDTA對JXJ-54脂肪酶活力具有不同的影響,K+和Mg2+對酶活力具有顯著激活作用,Ca2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+和EDTA對酶活力具有顯著抑制作用,Na+對酶活力沒有顯著作用。由EDTA抑制酶活力可知,JXJ-54脂肪酶為金屬酶,其催化活性需要一定的金屬離子參與。一般來說,Ca2+和Mn2+對脂肪酶活力具有激活作用,但它們卻抑制JXJ-54脂肪酶活力,與LipA脂肪酶和RB06-22脂肪酶相反[8,10],與Lip42脂肪酶、UD-8脂肪酶和CICC1368脂肪酶類似[16-18]。

2.3.5

表面活性劑對酶活力的影響。由圖14可知,表面活性劑對JXJ-54脂肪酶活力具有不同的影響,陽離子表面活性劑CTAB顯著激活酶活力,而陰離子表面活性劑SDS和非離子表面活性劑Triton X-100對酶活力沒有顯著影響,與RB06-22脂肪酶和SMRG4脂肪酶類似[10,12]??梢姡琂XJ-54脂肪酶在供試表面活性劑中具有良好的耐受性,在洗滌劑配方中可能具有應(yīng)用潛力。

2.3.6

有機溶劑對酶活力的影響。由表1可知,有機溶劑對JXJ-54脂肪酶活力的影響與其lg P值有關(guān)。當lg P < 0時,除甲醇和乙醇外,酶活力隨著有機溶劑體積分數(shù)的增大而降低,10%~30%甲醇、10%乙腈和30%乙醇對酶活力具有顯著激活作用,30%~50%異丙醇、50%甲醇、30%~50%乙腈、50%乙醇和30%~50%丙酮對酶活力具有顯著抑制作用,10%異丙醇、10%乙醇和10%丙酮對酶活力沒有顯著影響。當lg P > 0時,酶活力隨著有機溶劑體積分數(shù)的增大而增強,30%~50%乙酸乙酯、30%~50%三氯甲烷和50%正己烷對酶活力具有顯著激活作用,10%乙酸乙酯對酶活力具有顯著抑制作用,10%三氯甲烷和10%~30%正己烷對酶活力沒有顯著影響??傊琂XJ-54脂肪酶具有良好的有機溶劑耐

受性,這一現(xiàn)象在其他沙雷氏菌屬脂肪酶中也有報道[7-12]。脂肪酶在有機溶劑中呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性,使其在基于非水相或微水相催化反應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力,比如食品、油脂、新型材料、精細化工、醫(yī)藥、化妝品、生物能源等[19]。

3結(jié)論

通過單因素分析,確定出沙雷氏菌JXJ-54產(chǎn)胞外脂肪酶的最佳發(fā)酵培養(yǎng)基為牛肉浸膏10 g/L、K2HPO4 2 g/L、菜籽油乳化液體積分數(shù)2.25%,最佳發(fā)酵條件為初始pH 9.0、培養(yǎng)溫度20 ℃、裝樣量40 mL、接種量2%、發(fā)酵時間20 h??傊?,該菌株能夠利用簡單的發(fā)酵培養(yǎng)基達到較好的產(chǎn)酶效果。

從底物、溫度、pH、金屬離子、EDTA、表面活性劑、有機溶劑等方面研究了沙雷氏菌JXJ-54所產(chǎn)胞外脂肪酶粗酶的酶學(xué)性質(zhì)。該酶對中鏈對硝基苯酚酯有最大水解活力,最適底物為對硝基苯酚辛酸酯和對硝基苯酚葵酸酯;在30 ℃、pH 8.5~9.5時酶活力最高,且具有較好的溫度(30~40 ℃)和pH(5.0~10.5)穩(wěn)定性;K+和Mg2+對酶活力具有顯著激活作用,Ca2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+和EDTA對酶活力具有顯著抑制作用,Na+對酶活力沒有顯著作用;陽離子表面活性劑CTAB顯著激活酶活力,而陰離子表面活性劑SDS和非離子表面活性劑Triton X-100對酶活力沒有顯著影響;酶樣品在不同體積分數(shù)的異丙醇、甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷和正己烷中具有良好耐受性,甚至處于激活狀態(tài)??傊?,JXJ-54脂肪酶為低溫堿性脂肪酶,具有一定的熱穩(wěn)定性和較好的pH穩(wěn)定性,在供試表面活性劑和有機溶劑中具有良好的耐受性。

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