酸碱耐受低温碱性脂肪酶产酶条件优化及其酶学性质
摘 要:以沙雷氏菌JXJ-7为供试菌株,采用单因素试验确定了其最适发酵培养基配方、最佳胞外产酶条件,并对其粗酶酶学性质进行了研究。结果表明:该菌株的最佳发酵培养基为葡萄糖3.750 g/L、牛肉浸膏8.75 g/L、K2HPO4 2 g/L、菜籽油乳化液体积分数1.75%,初始pH值9;最佳发酵条件为培养温度30℃、装样量20 mL/250 mL、接种量1.0%、發酵时间28 h;沙雷氏菌JXJ-7所产胞外脂肪酶粗酶最适底物为对硝基苯酚辛酸脂,在10~35℃的温度范围内具有较高的酶活力,其中35℃时酶活力最高,但热稳定性较差;该酶具有良好的酸碱耐受性,pH 值为9.5~10.5时酶活力较高;酶样品受到供试金属离子的抑制,在供试有机溶剂中具有良好的耐受性,对供试表面活性剂有一定的耐受性。总之,JXJ-7脂肪酶为低温碱性脂肪酶,在低温碱性环境的工业领域中有一定的应用潜力。
关键词:沙雷氏菌属;培养基;发酵条件;酶学性质;低温碱性脂肪酶
中图分类号:TQ920.6文献标识码:A文章编号:1006-060X(2018)11-0001-06
Optimization of Enzyme Production Conditions and Enzymatic Properties of Low Temperature Alkaline Lipase with Acid-base Tolerance
CHEN Fang,SHI Hong-qiu,ZHA Dai-ming,YU Tian-tian,ZHANG Bing-huo,LI Han-quan
(School of Pharmacy and Life Sciences, Jiujiang University, Jiujiang 332000, PRC)
Abstract: Using Serratia JXJ-7 as the test strain, the optimum fermentation medium formulation and the optimum conditions for extracellular enzyme production were determined by single factor test, and the crude enzymatic properties of Serratia JXJ-7 were studied. The results showed that the optimum fermentation medium was glucose 3.750 g/L, beef extract 8.75 g/L, K2HPO4 2 g/L, and rapeseed oil emulsion 1.75% at an initial pH 9. The optimum fermentation conditions were incubation temperature 30 ℃, sample loading 20 mL/250 mL,
inoculum concentration 1.0% and fermentation time 28 hours. Serratia JXJ-7 produced crude extracellular lipase and the optimum substrate was p-nitrophenol octanoic acid lipid. The enzyme activity was higher in the temperature range of 10 to 35 ℃, and the highest was at 35 ℃,
but the thermal stability was poor. It had good acid-base tolerance and high enzyme activity when pH value was 9.5-10.5. Enzyme samples were inhibited by metal ions, well tolerated in organic solvents, and a certain tolerance to the tested surfactants. In conclusion, JXJ-7 lipase is a low-temperature alkaline lipase, which has a certain application potential in the industrial field of low-temperature alkaline environment.
Key words: Serratia; culture medium; fermentation conditions; enzymatic properties; low temperature alkaline lipase
脂肪酶(lipase,EC 3.1.1.3)又称三酰基甘油酰基水解酶(triacylglycerol acylhydrolases),属于α/β折叠酶家族,是一类能够催化天然油脂分解成脂肪酸、甘油和甘油单酯或甘油二酯,并能在有机相中催化转酯、酯化、醇解等多种反应的酯键水解酶。从其定义可知,有机溶剂耐受性是脂肪酶广泛应用的必备特性[1-2]。
一般来说,脂肪酶在有机相中进行催化反应具有诸多优点:酶的活性更高、稳定性更好、选择性更强,底物的溶解性更好,产物的回收更容易,底物/产物对酶的抑制程度更低,反应平衡更倾向于合成方向等[3]。因此,脂肪酶在基于有机相催化的应用领域(如食品、精细化工、医药、生物能源等)具有较大
潜力[4-5]。
低温碱性脂肪酶在温度10~35℃、pH值8.0~10.5的范围内具有较高的催化活力,较好的有机溶剂耐受性,较差的热稳定性,因此在低温碱性环境的工业领域(如洗涤剂、食品加工、毛纺加工、生物制药、低温环境修复等)应用广泛。目前,低温碱性脂肪酶最大的应用领域是洗涤剂行业,其主要功能是清除衣物、碗碟、医疗器械上的油污以及疏通因油脂凝固而堵塞的下水管道[6]。自从第一个有机溶剂耐受脂肪酶被鉴定以来,越来越多的有机溶剂耐受脂肪酶被人们发现,它们主要来源于假单胞菌属(Pseudomonas)和芽孢杆菌属(Bacillus)[7]。然而,关于沙雷氏菌属(Serratia)脂肪酶具有有机溶剂耐受性的研究报道较少,到目前为止只有少数几个沙雷氏菌属脂肪酶表现出有机溶剂耐受性[8-13]。笔者以实验室分离并保藏的沙雷氏菌JXJ-7为研究对象,采用单因素分析法优化其胞外脂肪
酶的产酶条件,并对粗酶的酶学性质进行研究,旨在为
该菌株所产胞外脂肪酶的进一步应用提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 供试菌株 沙雷氏菌JXJ-7,由实验室前期分离并保藏。
1.1.2 培养基 (1)LB液体培养基:蛋白胨10 g/L、酵母提取物5 g/L、NaCl 10 g/L,自然pH值;固体培养基另加琼脂条18 g/L。(2)基础发酵培养基:麦芽糖5 g/L、蛋白胨10 g/L、K2HPO4 2 g/L、MgSO4 0.5 g/L、大豆油乳化液体积分数2%,pH值7.0。(3)大豆油乳化液:大豆油与2%聚乙烯醇按1︰3的比例混合,10 000 r/min乳化10 min即可。
1.2 试验方法
1.2.1 JXJ-7脂肪酶活力的测定 挑取LB固体培养基上的沙雷氏菌JXJ-7单菌落,接种于4 mL LB液体培养基中,28℃、180 r/min培养20 h;然后以2%的接种量接种于20 mL基础发酵培养基中,28℃、180 r/min发酵24 h;取发酵液于4℃、4 500 r/min离心15 min,上清液即为胞外脂肪酶粗酶,酶活力的测定根据谢玉婷等[3]的方法进行。
1.2.2 沙雷氏菌JXJ-7发酵培养基的单因素优化 (1)碳源。在基础发酵培养基的基础上,以等量的葡萄糖、乳糖、蔗糖、可溶性淀粉替代麦芽糖,按照1.2.1中的条件进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳碳源,对照组为无碳源组,其酶活力设为100%;分别添加1.250、1.875、2.500、3.125、3.750、4.375、5.000、5.625 g/L最佳碳源以确定其最适添加量,最适添加量组的酶活力设为100%。(2)氮源。在确定了最佳碳源及其添加量的基础上,以等量的硝酸钠、尿素、酵母提取物、牛肉浸膏替代基础发酵培养基中的蛋白胨,按照1.2.1中的条件进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳氮源,对照组为无氮源组,其酶活力设为100%;分别添加7.50、8.75、10.00、11.25、12.50 g/L最佳氮源以确定其最适添加量,最适添加量组的酶活力设为100%。(3)诱导剂。在确定了最佳碳源、氮源及其添加量的基础上,以等量的芝麻油乳化液、葵花籽油乳化液、玉米油乳化液、花生油乳化液、菜籽油乳化液替代基礎发酵培养基中的大豆油乳化液作为诱导剂,按照1.2.1中的条件进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳诱导剂,对照组为无诱导剂组,其酶活力设为100%;分别添加1.50%、1.75%、2.00%、2.25%、2.50%、2.75%、3.00%的最佳诱导剂以确定其最适添加量,最适添加量组的酶活力设为100%。(4)金属离子。在确定了最佳碳源、氮源、诱导剂及其添加量的基础上,以等量的CuSO4、CaSO4、FeSO4、MnSO4替代基础发酵培养基中的MgSO4,按照1.2.1中的条件进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳金属离子,对照组为无金属离子组,其酶活力设为100%。(5)初始pH值。在确定了最佳碳源、氮源、诱导剂、无机盐及其添加量的基础上,分别将发酵培养基的初始pH值调整为4、5、6、7、8、9、10、11,按照1.2.1中的条件进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳初始pH值,最佳组的酶活力设为100%。
1.2.3 沙雷氏菌JXJ-7发酵条件的的单因素优化 (1)发酵温度。采用优化后的发酵培养基,在初始发酵条件的基础上,分别在15、20、25、30、35℃下进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳发酵温度,最佳组的酶活力设为100%。(2)装样量。采用优化后的发酵培养基,在上一步发酵条件优化的基础上,分别以10、20、30、40 mL/250 mL装样量进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳装样量,最佳组的酶活力设为100%。(3)接种量。采用优化后的发酵培养基,在上一步发酵条件优化的基础上,分别以0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的接种量进行发酵培养,测定脂肪酶活力以确定最佳接种量,最佳组的酶活力设为100%。(4)发酵时间。采用优化后的发酵培养基,在上一步发酵条件优化的基础上进行发酵培养,分别在4、8、12、16、20、24、28、32、36 h取样测定脂肪酶活力以确定最佳发酵时间,最佳组的酶活力设为100%。
1.2.4 JXJ-7脂肪酶的酶学性质研究 (1)底物对粗酶酶活的影响。以对硝基苯酚乙酸酯、对硝基苯酚丁酸酯、对硝基苯酚辛酸酯、对硝基苯酚葵酸酯、对硝基苯酚月桂酸酯、对硝基苯酚豆蔻酸酯和对硝基苯酚棕榈酸酯为底物,分别测定脂肪酶活力以确定最适底物,最高酶活力设为100%。(2)温度对粗酶酶活的影响。在最适底物条件下,测定不同反应温度(15、20、25、30、35、40、45℃)下的脂肪酶活力,最高酶活力设为100%。在不同温度(30、40、50、60℃)下温浴处理酶样品,1 h后分别测定脂肪酶活力以确定温度稳定性,处理前的酶活力设为100%。(3)pH值对粗酶酶活的影响。在最适底物、最适温度条件下,添加Na2HPO4-HCl缓冲液(50 mmol/L,pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0)和Tris-HCl缓冲液(50 mmol/L,pH值分别为8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5),分别测定脂肪酶活力,最高酶活力设为100%。在不同pH值缓冲液中28℃摇床处理酶样品,1 h后分别测定脂肪酶活力以确定pH值的稳定性,pH 值为7.0时酶活力设为100%。(4)金属离子和EDTA对粗酶酶活的影响。在上述优化后的反应体系中,分别加入Na2SO4、K2SO4、CaSO4、MgSO4、MnSO4、CuSO4、ZnSO4、Fe2(SO4)3和EDTA溶液,使终浓度为10 mmol/L,以添加等量双蒸水的酶样品为对照组,28℃摇床处理1 h后,分别测定脂肪酶活力以确定金属离子和EDTA对酶活力的影响,对照组的酶活力设为100%。(5)有机溶剂对粗酶酶活的影响。在上述优化后的反应体系中,分别加入异丙醇、甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷和正己烷,使体积分数分别为10%、30%、50%,以添加等量双蒸水的酶样品为对照组,28℃摇床处理1 h后,分别测定脂肪酶活力以确定有机溶剂对酶活力的影响,对照组的酶活力设为100%。(6)表面活性剂对粗酶酶活的影响。在上述优化后的反应体系中,分别加入阴离子型表面活性剂SDS、阳离子型表面活性剂CTAB和非离子型表面活性剂Triton X-100溶液,使终浓度分别为0.05%、0.10%,以添加等量双蒸水的酶样品为对照组,28℃摇床处理1 h后,测定脂肪酶活力以确定表面活性剂对酶活力的影响,对照组的酶活力设为100%。
1.2.5 数据处理 试验数据为3次独立重复试验的平均数,以平均数±标准差的形式表示。
2 结果与分析
2.1 沙雷氏菌JXJ-7的最适发酵培养基
2.1.1 碳 源 由图1A可知,供试碳源均对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶具有显著性促进作用,其中葡萄糖的促进作用最强,其次依次为麦芽糖、蔗糖、可溶性淀粉和乳糖,因此研究选择葡萄糖作为最佳碳源。由图1B可知,葡萄糖添加量为5.000 g/L时,菌株产酶活力最强,由于3.750~5.000 g/L间的酶活力没有显著性差异,因此从经济角度选择3.750 g/L作为葡萄糖的最适添加量。
2.1.2 氮 源 由图2A可知,供试氮源均对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶具有显著性促进作用,其中牛肉浸膏的促进作用最强,其次依次为酵母提取物、蛋白胨、硝酸钠和尿素,因此研究选择牛肉浸膏作为最佳氮源。由图2B可知,牛肉浸膏添加量为11.25 g/L时,菌株产酶活力最强,由于8.75~11.25 g/L间的酶活力没有显著性差异,因此从经济角度选择8.75 g/L作为牛肉浸膏的最适添加量。
2.1.3 诱导剂 由图3A可知,菌株JXJ-7产胞外脂肪酶对供试诱导剂具有不同的响应,其中菜籽油、大豆油和葵花籽油乳化液作为诱导剂对该菌株产酶具有促进作用,而花生油、玉米油和芝麻油乳化液具有抑制作用,因此研究选择菜籽油乳化液作为最佳诱导剂。由图3B可知,菜籽油乳化液添加量为1.75%时,菌株产酶活力最强,因此选择1.75%为菜籽油乳化液的最适添加量。
2.1.4 金属离子 由图4可知,供试金属离子均对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶具有顯著性抑制作用,因此发酵培养基中无需额外添加金属离子。
2.1.5 pH值 由图5可知,发酵培养基的初始pH值为5.0~11.0时,菌株JXJ-7具有较高的产胞外脂肪酶
图4 金属离子对菌株JXJ-7产脂肪酶的影响
活力,其中初始pH值为9时菌株产酶活力最高,因此研究选择9作最佳初始pH值。
2.2 沙雷氏菌JXJ-7的最佳发酵条件
2.2.1 发酵温度 由图6A可知,发酵温度对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶的影响较大,15~25℃时菌株产酶活力缓慢上升,25~30℃时急剧上升并达到最高,随
后逐渐下降,因此研究选择30℃作为最佳发酵温度。
2.2.2 装样量 由图6B可知,装样量对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶的影响不大,装样量为20 mL/250 mL时菌株产酶活力最高,因此研究选择20 mL/250 mL作为最佳装样量。
2.2.3 接种量 由图6C可知,接种量对菌株JXJ-7产胞外脂肪酶的影响不大,接种量为1.0%时菌株产酶活力最高,随后缓慢下降,因此研究选择1.0%作为最佳接种量。
2.2.4 发酵时间 由图6D可知,发酵时间是影响菌株JXJ-7产胞外脂肪酶的主要因素,随着发酵时间的延长菌株产酶活力缓慢上升,16 h后开始迅速上升,28 h达到产酶的峰值,随后逐渐下降,因此研究选择28 h作为最佳发酵时间。
2.3 JXJ-7脂肪酶的酶学性质
2.3.1 底物特异性 由图7可知,JXJ-7脂肪酶的最适底物为对硝基苯酚辛酸酯,其次依次为对硝基苯酚葵酸酯、对硝基苯酚丁酸酯、对硝基苯酚月桂酸酯、对硝基苯酚乙酸酯、对硝基苯酚豆蔻酸酯和对硝基苯酚棕榈酸酯,与其他沙雷氏菌属脂肪酶的底物特异性存在较大的差异[8,12,14]。
2.3.2 温度对酶活力及其稳定性的影响 由图8A可知,JXJ-7脂肪酶在15~45℃下的酶活力较高,均保持在68%以上,其中35℃下的酶活力最高,故35℃为该酶的最适反应温度。由图8B可知,酶样品的温度稳定性较差,在30~60℃范围内,随着温度的升高,温浴1 h后其残余酶活力急剧下降,其中30℃的残余酶活力只有温浴处理前的46.9%。研究表明,低温脂肪酶在10~35℃的温度范围内具有较高的酶活力以及较差的热稳定性[6]。因此,初步鉴定JXJ-7脂肪酶属于低温脂肪酶,具有较宽的反应温度和较差的温度稳定性,适合于低温环境下的催化反应。
2.3.3 pH值对酶活力的影响 由图9A可知,JXJ-7脂肪酶在pH值8.0~10.5下的酶活力较高,均保持在83%以上,其中pH值9.5~10.5范围内的酶活力最高,故9.5~10.5为该酶的最适反应pH值范围,但是在pH值低于8.0时其酶活力较低。由图9B可知,酶样品具有良好的pH值稳定性,在pH值5.0~10.5范围内,28℃处理1 h后,其残余酶活力均保持在93%以上,且在pH值 8.0~10.5范围内处于激活状态。可见,JXJ-7脂肪酶为低温碱性脂肪酶,具有较宽的最适反应pH值和良好的酸碱耐受性,在低温碱性环境的工业领域有着较大应用潜力。
2.3.4 金属离子和EDTA对酶活力的影响 由图10可知,JXJ-7脂肪酶受到所有供试金属离子和EDTA的抑制,其中Mg2+和EDTA的抑制作用没有显著性。由EDTA对酶活力没有显著性影响可知,JXJ-7脂肪酶为非金属酶,其催化的反应不需要金属离子参与。一般来说,Ca2+和Mn2+对脂肪酶活力具有激活作用,但是它们却抑制了JXJ-7脂肪酶的活力。这一特性与LipA脂肪酶和RB06-22脂肪酶相反[9,11],与Lip42脂肪酶、UD-8脂肪酶和CICC1368脂肪酶类似[15-17]。
图10 金属离子和EDTA对JXJ-7脂肪酶粗酶活力的影响
2.3.5 有机溶剂对酶活力的影响 由表1可知,不同有机溶剂对JXJ-7脂肪酶活力有不同的影响,总体上与lgP值有关;当lgP<0时,除甲醇和乙醇外,酶活力随着有机溶剂体积分数的增大而降低,酶样品在10%~50%异丙醇、10%~50%甲醇、10%~30%乙腈、10%~50%乙醇和10%~50%丙酮中具有良好的耐受性,残余酶活力均在70%以上;当lgP>0时,除10%三氯甲烷显著抑制酶活力外,10%~50%乙酸乙酯、30%~50%三氯甲烷和10%~50%正己烷均对酶活力没有显著性影响。可见,JXJ-7脂肪酶的有机溶剂耐受性良好,适合于非水相或微水相催化反应,这一现象在其他沙雷氏菌属脂肪酶中也有报道[8-13]。
2.3.6 表面活性剂对酶活力的影响 由表2可知,不同离子类型的供试表面活性剂对JXJ-7脂肪酶活力有不同的影响。阴离子型表面活性剂SDS在体积分数为0.05%和0.10%时均强烈抑制JXJ-7脂肪酶的酶活力;而在0.05%和0.10%的阳离子型表面活性剂CTAB中JXJ-7脂肪酶表现出一定的耐受性,残余酶活力分别为91.7%和46.2%;对于非离子型表面活性剂Triton X-100,当其体积分数为0.05%时显著抑制酶活力,残余酶活力为88.2%,当其体积分数为0.10%时显著促进酶活力,残余酶活力为112.2%。可见,JXJ-7脂肪酶具有一定的表面活性剂耐受性,可在洗涤剂配方中应用。这一现象在其他沙雷氏菌属脂肪酶中也有报道[11,13]。
3 结 论
通过单因素分析,确定了沙雷氏菌JXJ-7高效产胞外脂肪酶的产酶条件,最佳发酵培养基为葡萄糖3.750 g/L、牛肉浸膏8.75 g/L、K2HPO4 2 g/L、菜籽油乳化液体积分数1.75%,初始pH值9;最佳发酵条件为装样量20 mL/250 mL、接种量1.0%、发酵温度30℃、发酵时间28 h。总之,该菌株能够利用葡萄糖、菜籽油等廉价易得的培养基原料,在较适宜的发酵条件下达到较高效的产胞外脂肪酶效果。
沙雷氏菌JXJ-7所产胞外脂肪酶粗酶的最适底物为对硝基苯酚辛酸脂,在10~35℃的温度范围内具有较高的酶活力,其中35℃时酶活力最高,但热稳定性较差;pH 值为9.5~10.5时酶活力较高,具有良好的酸碱耐受性;Na+、K+、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+和Fe3+显著性抑制酶活力,而Mg2+和EDTA对酶活力没有显著性影响;酶样品在异丙醇、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的耐受性;酶样品对阴离子表面活性剂SDS的耐受性很差,而对阳离子表面活性剂CTAB和非离子表面活性剂Triton X-100有一定的耐受性。总之,JXJ-7脂肪酶为低温碱性脂肪酶,在低溫环境中有较高的酶活力,具有良好的酸碱耐受性、有机溶剂耐受性和一定的表面活性剂耐受性,在低温碱性环境的工业领域中有一定的应用潜力,如食品加工、油脂加工、洗涤剂、低温环境修复等。
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(责任编辑:成 平)