微生物酯酶的分离纯化技术及应用研究进展
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微生物阿魏酸酯酶的研究进展许 晖,孙兰萍,张 斌,石亚中(蚌埠学院食品与生物工程系,安徽蚌埠,233030)摘 要:阿魏酸酯酶能水解阿魏酸甲酯、低聚糖阿魏酸酯和多糖阿魏酸酯中的酯键,将阿魏酸游离出来的一种酶,在农业、食品和制药工业等具有广阔的应用前景。
该文介绍了阿魏酸酯酶的微生物来源和生产、理化性质、结构特征、酶活力测定等方面的国内外研究进展。
关 键 词:阿魏酸酯酶;微生物发酵法;研究进展中图分类号:Q55 文献标识码:A 文章编号:0254-5071(2008)10-0011-05Advance research on feruloyl esterases produ ced by microbesXU Hui,SUN Lanping,ZHAN G Bin,SHI Y azhong(Department of Food and B ioengineering,Bengbu College,Bengbu233030,China)Abstract:Ferulic acid esterases(FAE)is a new enzyme,which can hydrolyze methyl ferulate,oligosaccharides ferulate and polysaccharides ferulate to ferulic acid (FA),and therefore play a major role in the degradation of plant biomass1It also shows perspective application in agriculture,food and pharmaceutical industries1 This paper reviewed the research progress and trend in recent studies related to main enzyme2producing microorganisms,physicochemical properties,molecular structure,catalysis characteristics,production techniques and assay of microbial FAE1K ey w ords:ferulic acid esterase;microbial fermentation method;research advance阿魏酸(ferulic acid)的化学名称为42羟基232甲基222苯丙烯酸,是植物界普遍存在的一种酚酸,其在植物细胞壁结构中起着重要的作用,可以在植物细胞壁的木质素与木质素之间、木质素与半纤维素之间、半纤维素与半纤维素之间形成交接,从而构成一个骨架结构,使得整个细胞壁变得坚硬。
微生物脂肪酶的纯化方法概述摘要:脂肪酶是一种重要的工业用酶,广泛应用于食品、精细化工、医药和能源等领域。
脂肪酶最主要的来源是通过微生物发酵生产。
本文综述了脂肪酶性质及应用,微生物脂肪酶的常规纯化方法和新型纯化方法,并展望了脂肪酶分离纯化的研究方向及前景。
关键词:微生物脂肪酶;纯化;常规分离纯化技术;新型分离纯化技术1.脂肪酶概述脂肪酶是一类特殊的酞基水解酶,其天然底物是油脂,主要水解由甘油和12碳原子以上的不溶性长链脂肪酸形成的甘油三酯,生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。
同时还催化其他一些水不溶性酯类的水解、醇解、氨解、酯化、转酯化以及酯类逆向合成反应。
1.1脂肪酶的结构与性质在现代生物工程技术的参与下,人们对脂肪酶的结构研究也不断深入。
研究表明,脂肪酶是一种“丝氨水解酶”。
其活性中心都存在His-X-Y-Gly-Z-Ser-W-Gl或Y-Gly-His-Ser-W-Gly(W、X、Y、Z指非特异性氨基酸)相同或相似的一级结构氨基酸序列,在此基础上,His、Ser与另一种氨基酸残基(如CCL和GCL的Glu、RML和hPL的Asp等)一起构成脂肪酶催化活性中心的三元组;从结构功能的角度,脂肪酶中的丝氨酸-OH基既具有底物结合作用,又具有催化作用。
与大多数酶一样,脂肪酶的本质仍然是蛋白质,其氨基酸组成数目从270-641kd 不等,分子量处于25一100kd之间,等电点(Pl)在4-5之间不等。
脂肪酶的催化性质主要表现在催化甘油三酯的水解、催化酯交换和催化拆分手性化合物三个方面。
在催化油脂水解的反应中,脂肪酶表现出一定的脂肪酸特异性,其主要催化带12个碳原子以上的长链脂肪酸的甘油三酷,该反应可逆。
此外,来源不同的脂肪酶在催化油脂水解时还具有明显的轻基位置特异性。
1.2产脂肪酶微生物微生物脂肪酶的发现是在20世纪初,而国内直到60年代才开始了这方面的研究与开发,其中具有代表性的报道是,1967年中科院微生物所筛选得到解脂假丝酵母菌株,并于1969年制成酶制剂供应市场。
生物质分解酶的分离纯化及其应用研究生物质分解酶是一类能够降解生物质的酶,包括纤维素酶、木质素酶等。
这些酶在生物质转化和利用中起着重要的作用。
因此,生物质分解酶的分离纯化及其应用研究具有重要的理论和应用价值。
1.生物质分解酶的分离纯化方法生物质分解酶的分离纯化是生物质转化和利用研究的关键。
常用的分离纯化方法包括离子交换、凝胶过滤、亲和层析等。
这些方法在细胞外酶的分离纯化和酶的结构研究中得到了广泛应用。
离子交换色谱是目前应用最广泛的生物质分解酶分离纯化方法之一。
离子交换色谱是基于官能团固定在固相材料上的吸附作用,从混合物中分离出酶分子的一种方法。
通常使用弱酸性或弱碱性离子交换树脂,结合pH值控制,实现了酶的分离纯化。
研究表明,离子交换色谱可以分离出很多生物质分解酶,并实现了较高的分离纯度和活力。
与离子交换色谱不同,凝胶过滤是基于酶分子对分子筛的分子大小的选择性吸附,从混合物中分离出酶分子的方法。
凝胶过滤也被广泛应用于分离纯化生物质分解酶。
研究表明,凝胶过滤可以分离出分子量较大的酶分子,如木质素酶等。
2.生物质分解酶的应用研究生物质分解酶的应用研究是生物质转化和利用研究的关键。
生物质分解酶可以应用于生物质转化和利用中的多个领域,如纸浆、纺织、食品、农业、医药等。
纸浆工业是生物质分解酶应用的一个主要领域。
纤维素酶是纸浆生产中必不可少的酶,可以使木质纤维素变成纤维素微纤维,提高纸浆的可加工性。
研究表明,适当添加纤维素酶可以提高纸浆生产效率,减少能耗,且对纸浆质量没有负面影响。
木质素酶是生物质分解酶应用的另一个重要领域。
木质素酶具有分解木质素的能力,可以降低木质素含量,提高生物质的可降解性。
研究表明,木质素酶可以应用于木材防腐、纸浆漂白、酒类发酵等领域,有很高的应用前景。
另外,生物质分解酶还可以应用于食品、农业、医药等领域。
例如,添加纤维素酶可以提高饲料的营养价值,应用于畜牧业中;添加木质素酶可以降解农作物秸秆,解决污染问题,应用于农业中;生物质分解酶可以应用于医药中,如制备生物质基高分子材料、酶替代治疗等领域。
产酶微生物的分离、纯化与选育实验目的1、学习从自然界中分离蛋白酶产生菌并纯化;2、通过实验观察紫外线和亚硝基胍等理化因素对微生物的诱变效应,并掌握基本方法;实验原理许多细菌和霉菌产生蛋白酶,细菌中的芽孢杆菌是常见的蛋白酶产生菌。
本实验将土壤样品(或其他样品)悬液加热处理,杀死非芽孢细菌及其他微生物后进行划线分离得到芽孢杆菌,将其接种到酪蛋白平板进行培养,根据酪蛋白平板的水解圈作初筛。
也可直接将细菌或霉菌接种到酪蛋白平板进行培养,分离筛选其他蛋白酶产生菌。
基因突变可分为自发突变和诱发突变。
许多物理因素、化学因素和生物因素对微生物都有诱变作用,这些能使突变率提高到自发突变水平以上的因素称为诱变剂。
紫外线(UV)是一种最常用的物理诱变因素。
它的主要作用是使DNA双链之间或同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶间形成二聚体,阻碍双链的分开、复制和碱基的正常配对,从而引起突变。
紫外线照射引起的DNA损伤,可由光复活酶的作用进行修复,使胸腺嘧啶二聚体解开恢复原状。
因此,为了避免光复活,用紫外线照射处理以及处理后的操作应在红光下进行,并且照射处理后的微生物放在暗处培养。
试剂距离地面十公分的土壤、酪素培养基实验器材恒温培养箱、恒温水浴锅、酒精灯、培养皿×8、试管×11、玻璃棒、移液管、量筒、三角瓶、烧杯、滴管、涂布器、血细胞计数板、移液枪、显微镜、紫外线等(15W)、磁力搅拌器、台式离心机、震荡混合器等实验方法与步骤1、酪素培养基的配置:牛肉膏3g、NaCl 5g,酪素 10g,琼脂 20g,水1000mL, pH 7.6-8.0。
配制方法:称取酪素4g,先用少量2%NaOH润湿,玻璃棒搅动,再加适量的蒸馏水,在沸水浴中加热并搅拌,至完全溶解,补足水量至1000mL,加入其他成分,调整pH值,灭菌备用。
2、菌悬液的制备取土壤20g,加水200ml,即梯度为10ˉ1的菌悬液,取1ml10ˉ1的菌悬液,加9ml的蒸馏水,即梯度为10ˉ2的菌悬液,按上述的方法步骤制作梯度为10ˉ3、10ˉ4、10ˉ5的菌悬液。
第32卷 第3期广东第二师范学院学报Vol.32 No.32012年6月Journal of Guangdong University of Education Jun.2012微生物酯酶的研究进展张敏文,刘 悦,李 荷(广东药学院基础学院生化与分子生物系,广东广州510006) 摘要:微生物酯酶是一种广泛应用于食品、医药、精细化工等领域的工业化酶,特别是近年来随着手性化合物的深入研究,酯酶作为手性化合物拆分的高效催化剂,而微生物的来源又十分广泛,因此微生物酯酶成为研究热点.从组成及来源、产酯酶微生物的筛选、微生物酯酶的基因克隆以及微生物酯酶的应用等几方面对微生物酯酶进行综述,微生物酯酶已经在食品加工、精细化工、手性化合物拆分、环境治理中有所应用,随着研究的深入,酯酶的工业化生产及其在各领域的应用将会逐步实现.关键词:微生物酯酶;应用;手性拆分中图分类号:Q 556 文献标识码:A 文章编号:2095-3798(2012)03-0066-060 引言酯酶(Esterases,EC 3.1.1.X)是一种催化酯键水解和合成的酶的总称,水解时催化酯键产生甘油和脂肪酸;合成时,把酸的羧基与醇的羟基脱水缩合,产物为酯类及其他香味物质.它广泛存在于动物、植物和微生物中.动物胰脏酯酶和微生物酯酶是酯酶的主要来源.1834年Eberle在兔胰脏中首次发现脂肪酶,微生物酯酶则以1935年Kirsh发现产脂肪酶的草酸青霉(Penicillium Oxalicum)为最早.由于微生物资源丰富,同时利用微生物发酵产酶具有便于工业化生产等优点,微生物酯酶得到关注,并且已经广泛应用于农业、食品酿造、医药化学、污水处理和生物修复等领域,又由于酯酶的酶促反应具有较高的底物专一性、区域选择性或者对映选择性,它是合成手性化合物(如手性药物,农药等)的高效生物催化剂,微生物酯酶已成为研究热点.1 微生物酯酶的组成及来源1.1 酯酶的组成酯酶主要包括脂肪酶(Lipase,triacylglycerol hydrolases,EC 3.1.1.3)和羧酸酯酶收稿日期:2011-11-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(30570055);广东省科技攻关项目(2009B020313005);广东省自然科学基金博士启动基金资助项目(9451022401003873);广东药学院博士启动基金资助项目(2006JCX06)作者简介:张敏文,女,湖北武汉人,广东药学院基础学院生化与分子生物系,微生物学硕士研究生;通讯作者:李荷,女,黑龙江绥化人,广东药学院基础学院生化与分子生物系教授,微生物学博士,微生物与生化药学硕士生导师.(carboxylesterases,arboxyl ester hydrolases,EC 3.1.1.1)[1-2],两者在生化方面没有本质区别,只是在底物特异性上,羧酸酯酶倾向于水解酰基链长度小的底物(≤10),而脂肪酶倾向于水解酰基链长度大的底物(≥10)[3-4],在结构上,酯酶属于α/β水解酶超家族,具有Ser-His-Asp构成的催化中心三组合(catalytictriad),其中Ser通常位于具有保守的Gly-Xaa-Ser-Xaa-Gly五肽结构内[1-2].细菌脂肪酶又包括八大家族:true lipase,GDSL,Family III,the hormone-sensitive lipase(HSL),Family V-VIII,其中true lipase又包括7个亚族Subfamily I.1-I.7[2,5].阿魏酸酯酶(Ferulic acid esterase,EC.3.1.1.73)又称为肉桂酸酯酶,是最近分离出一种酯酶,它是羧酸酯水解酶的一个亚类,它能水解阿魏酸甲酯、低聚糖阿魏酸酯和多糖阿魏酸酯中的酯键[6].1.2 微生物酯酶的来源在自然界中能产生酯酶的微生物资源是非常丰富的,从分类上看主要是真菌,真菌中主要是青霉、链孢霉、红曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根霉、毛霉、酵母菌、犁头霉、须霉、白地霉和核盘菌等12属23种;其次是细菌,在细菌中主要是芽孢杆菌属、假单胞菌属以及伯克霍尔德菌属等;另外,放线菌中的个别种类也能产生一定量的酯酶.2 产酯酶微生物的筛选及酶活力的测定一般筛选流程为:样品→富集培养→平板分离→平板初筛(观察透明圈)→摇瓶复筛(测酶活力大小),三油酸甘油酯是产酯酶微生物初筛加入培养基中的常用底物,因为初筛选用平板培养基,而在培养基中存在不互溶的油、水两相,所以要对它们先进行乳化,乳化剂可选用聚乙烯醇或者吐温.溴甲酚紫由于反应后pH变化显色,而Rhodamine B由于可以和分解后的物质结合形成显色物质,它们被用作常用指示剂加入培养基内[7].对于酯酶活力的测定,常见方法有以下几种:酯酶活力比色法,即以对硝基苯酚为底物,分光光度计测定400nm处吸光度值[7];酯酶活力滴定法,以NaOH滴定三醋酸甘油酯在酯酶作用下释放的醋酸来测定;α-乙酸萘酯比色法,即先绘制α-萘酚标准曲线,然后在pH10的Tris-HCl缓冲液中,以α-乙酸萘酯为底物和粗酶液反应,在595nm处测其吸光度值[8].3 微生物酯酶与基因克隆随着分子生物学和宏基因组学的发展,越来越多的研究人员从不同环境样品中筛选产酯酶微生物,克隆酯酶基因,构建高产的基因工程菌为进行后续的工业化生产打下基础.其中的环境样品的主要来源是土壤以及海洋,特别是海洋环境样品,因为海洋环境包括低温、高温、高静水压、强酸、强碱以及营养条件极为贫乏的各种极端环境,微生物要在这样的环境中生存,生理结构、代谢方式等都会发生一系列改变,所以从海洋中筛选到的微生物可能具备某些特殊的代谢产物,另外低温酯酶的研究也十分广泛,近年来已纯化或克隆表达了从南北极、深海、高山冻土中分离到的低温微生物产生的低温脂肪酶,如菌株Pseudomonas fragi IFO3458(PFL),Pseudomonas sp.KB700A,Pseudomonas sp.B11-1,Aeromonas sp.LPB4的脂肪酶[9-12].郑鸿飞等[13]从青岛前海和胶州湾海区样品中分离到1株产酯酶活力和稳定性较高的菌株EB21;邵铁娟等[14]从2000多份渤海海区海泥样品中分离出一株新型脂肪酶高产菌株BohaiSea-9145,经鉴定为适冷性海洋酵母(Yarrowia lipolytica);张金伟等[15]从南极普里兹湾深海沉积物中筛选到一株产低温脂肪酶的菌株7195;林学政等[16]从南大洋普里兹湾的水样中筛选到一株产低温脂肪酶的深海嗜冷菌25101;Jeon JH等[17]从南韩江华岛潮汐平原沉淀物宏基因文库中分离到一种耐盐的酯酶基因亚型;一个新的酯酶基因·76·2012年第3期 张敏文,等:微生物酯酶的研究进展 estDL30从冲积土宏基因组文库中被筛出,它由1524个核苷酸组成,编码的蛋白质又507个氨基酸组成,这个酯酶蛋白属于family VII[18];一个超表达的阿魏酸酯酶基因estF27从土壤宏基因组文库中被筛出[19].4 微生物酯酶的应用4.1 在食品加工方面的应用酯酶主要通过酯交换[20]、水解[21,22]及合成化合物等方式应用于食品加工方面.固定化脂肪酶现在已用于芳香酯的合成,而低分子量芳香酯多呈天然水果味,它们广泛应用于食品、饮料等食品工业,Melo等[23]研究用Rhizopus sp.脂肪酶合成香茅醇芳香酯优化条件;利用酯酶使乳制品增香[24],在酿酒和食用醋的生产中,利用酯酶提高乙酸乙酯、乳酸乙酯等酯类的含量,使口感有明显提高;食用油脂精炼工艺中,借助微生物酯酶在一定条件下能催化脂肪酸与甘油之间的酯化反应,从而把油中的大量游离脂肪酸转变成中性甘油酯,提高了食用油的价值;脂肪酶在面包专用粉中还有面团调理的功能,使面包质地柔软,颜色更白;酯酶催化合成单甘脂[25]是使用量最大的食品乳化剂;阿魏酸是天然抗氧化剂,也是近年来国际认知的防癌物质,广泛应用于食品原料中,目前已使用阿魏酸酯酶与其他酶协同从各种农作物副产品中提取阿魏酸[26],并且阿魏酸作为合成天然香兰素的前体,利用微生物方法产生香兰素,具有毒性低、安全性高的特点,应用于食品中.4.2 在精细化工中的应用表面活性剂在化妆品、洗涤用品中有重要用途,传统的化学生产具有选择性差、需要高温等缺点,酶法克服了这些缺点,酯酶催化糖酯等生物表面活性剂的合成,而糖酯是一种重要的生物表面活性剂;酯酶还有提高表面活性剂的释放[27]的作用;在洗涤剂中添加碱性脂肪酶,可以提高去污力,降低三聚磷酸钠等的用量,减少污染;酯酶的底物特异性及高度立体专一性可合成具有应用价值的精细化工产品,如化妆品的长链脂肪酸酯等.4.3 在手性化合物中的应用由于酯酶酯化反应具有高底物专一性、区域选择性、对映选择性等优点,因此酯酶是有机合成中重要的生物催化剂,而且催化效率比化学试剂高出很多.手性化合物是指分子量、分子结构相同,但左右排列相反,如实体与镜中的映体的化合物,而医药领域很多药物都是手性化合物,而近年来酶拆分已经成为手性化合物拆分的研究热点,酯酶又是酶拆分中研究最为广泛的一种.WEN S等[28]考察了实验室自制的Lipase CAN、Lipase RH两种酯酶对α一苯乙胺的拆分效果,并与几种商品酶做了对照,结果表明Novozyme435这种商品酶的拆分效果最好.Godinho LF等[29]用酯酶高效的对1,2-O异亚丙基甘油酯进行拆分,其中对映体过量值可达到72%~94%;研究人员改良不同介质中固定化脂肪酶拆分手性化合物,如任梦远等[30]以自制的平均粒径为4.5μm磁性高分子微球为载体,采用离子交换法固定化Candida rugosa脂肪酶,催化(±)-薄荷醇的酯化反应,所制备的固定化脂肪酶在离子液体[bmin]PF6中催化拆分(±)-薄荷醇的效果最佳,与游离酶相比固定化脂肪酶的立体选择性有很大的提高,对映体过量值可达93%,对映体选择值为35.Zheng等[31,32]利用纯化后的重组后酯酶(Escherichia coli.BL21)对薄荷醇进行转酯化拆分,结果显示,底物/酶质量比S/C≥50条件下,相对于丙烯酸、正丁酸酯化剂,乙酸酯化剂的效果最好(酯酶对乙酸薄荷酯的E>100),且通过回收,固定化酶重复使用次数达4-5次.戴大章等[33]采用改性Ultrastable-Y分子筛固定化P.expansum PED-03脂肪酶(PEL),利用固定化PEL在微水相中对(R,S)-2-辛醇进行拆分,在以正己烷为溶剂,含水量为0.8%的体系中,于50℃反应24h的转化率(c)可达到理论值的97.68%,对映体过量值(e.e.)可达到98.75%.对于手性药物,是手性化合物中的研究热点,研究人员利用酯酶对其进行拆分,如(R)-氟比洛芬[34]、酮基布洛芬[35]等,使对映体过量值得到提高,提高了药物的有效值.·86· 广东第二师范学院学报第32卷4.4 在环境治理方面的应用随着农业生产中农药的大量使用,农药污染、残留等问题也日趋严重,而农药中菊酯类杀虫剂广泛应用于果蔬、果树、花卉、林木等,由于其自然条件下难以快速降解,农药残留带来潜在的食品安全和环境污染问题.研究表明,菊酯类杀虫剂具有类固醇结合活性,可能影响人体激素正常水平[36].研究人员对菊酯类杀虫剂的降解进行了大量研究[37,38],而利用微生物降解农药是一条重要途径,研究表明从环境样品中筛选出的微生物对拟除虫菊酯[39],包括氯氰菊酯[40]、丙烯菊酯[41]等有高效降解作用,随着分子生物学技术的发展,许多研究人员已经克隆到酯酶基因[42,43],而利用基因克隆和酯酶的定向化技术,构建产酯酶的高效基因工程菌也已经成为环境保护的一个发展趋势.5 展望近年来,随着宏基因组文库、基因工程、定向进化技术、固定化技术的发展,以及界面酶促过程等技术的深入开展,微生物酯酶的研究已经进行到分子层面,高效产酯酶菌株的筛选、诱变育种、基因克隆及其定向进化构建高效基因工程菌的研究取得了长足发展,随着人们生活水平的提高,食品、医药、化妆品等中的添加天然成分将受到广泛关注,特别是天然底物的生物合成和手性化合物的酶拆分,因此,微生物酯酶在食品、医药、精细化工等领域具有广泛的应用前景.由于微生物酯酶广泛的应用前景,本实验室最近从红树林土壤样品中通过宏基因组文库的方法筛选到一新型低温耐碱酯酶基因,已经提交到Genbank,其登录号码为(JQ701700).实验室成员正在进行深入研究,酯酶的工业化生产及其在各领域的应用将会逐步实现.参考文献:[1]BORNSCH EUER U T.Microbial carboxyl esterases:classification,properties and application in bio-catalysis[J].FEMS Microbiology Reviews,2002,26(1):73-81.[2]ARPIGNY J L,JAEGER K E.Bacterial lipolytic enzymes:classification and properties[J].BiochemicalJournal,1999,343:177-183.[3]WU C,SUN B.Identification of novel esterase from 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an important role in food industry,medicine industry,industry offine chemicals and so on.In recent years,with thorough research of chiral compounds,esterase was ahigh-effective catalys for chiral resolution,and microbial sources is very extensive,so microbial esterasesbecome research focus.This paper summarized many aspects in research progress of microbial esterases,including the composition and the source,screening of microbial esterase-producing strains,the genecloning of microbial esterases,and the application of microbial esterases.Microbial esterase had alreadyapplied in food processing,fine chemical industry,chiral compounds and environmental treatment.Withthe development of research,the industrial production of microbial esterase and its application in variousfields will gradually realize.Key words:Microbial Esterases;application;chiral resolution·17·2012年第3期 张敏文,等:微生物酯酶的研究进展 。
微生物酯酶的分离纯化技术及应用研究进展
酯酶,又称羧酸酯酶,是一类能够对羧酸酯酯键作用的水解酶,可在水分子的参与下,经由水解作用,将酯类切割成酸类与醇类。
酯酶普遍存在于动物、植物和微生物中,在水分子的参与下能够催化裂解酯键形成相应的醇和酸。
微生物酯酶作为生物催化剂,具有很高的催化功能、底物特异性和反应特异性,利用其水解反应、酯转换以及酯合成反应广泛应用于食品、化工、环保等领域。
在自然界中能产生酯酶的微生物资源是非常丰富的,主要来源是真菌,真菌中主要是青霉、镰孢霉、红曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根霉、毛霉、酵母菌、犁头霉、须霉、白地霉和核盘菌等l2属,其次是细菌,细菌主要是假单胞菌、粘质赛氏杆菌、无色杆菌和葡萄球菌等。
另外,放线菌中的个别种类也能产生一定量的酯酶。
对于微生物的胞外酯酶,发酵液经离心或过滤去除细胞,将上清液用超滤、盐析或有机溶剂沉淀等方法浓缩粗提;胞内酯酶则需进行细胞破碎再分离,大多数采用盐析或有机溶剂沉淀的方法进行粗提,为了获得更高的纯度,再用凝胶过滤或亲和层析等方法进行细分离。
1. 微生物酯酶的常规分离纯化技术
1.1超滤超滤是利用压力或离心力,使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜而使大分子溶质不能透过,留在膜的一边,从而使大分子物质得到了部分的纯化,根据蛋白质分子大小的不同而选择不同分子量的膜上,以达到浓缩和脱盐的目的,从而使蛋白质得到分离。
1.2盐析法
盐析一般是指溶液中加入无机盐类,蛋白质在低盐浓度下的溶解度随着盐溶液浓度升高而增加,当盐浓度不断上升时,蛋白质的溶解度又以不同程度下降并先后析出,此称盐析,从而达到分离纯化的效果。
一般粗抽提物常用该法进行粗分。
1.3 有机溶剂沉淀法
利用不同蛋白质在不同浓度的有机溶剂中的溶解度差异而分离的方法即为有机溶剂沉淀法。
有机溶剂能降低溶液的介电常数,削弱溶剂分子与蛋白分子间的作用力,从而增加蛋白质分子上带电粒子的相互吸引力,致使蛋白分子聚合沉淀;另有机溶剂溶解于水的同时,能从蛋白质周围的水化层中夺走水分子,破坏水化层,从而使蛋白质沉淀析出。
1.4凝胶层析
混合物随流动相流经装有凝胶作为固定相的层析柱时,溶液中各物质因分子大小不同而被分离,在洗脱过程中,分子质量最大的物质因不能进入凝胶网孔而沿凝胶颗粒间的空隙最先流出柱外,分子量最小的物质能进入凝胶网孔而受阻滞,流速缓慢,致使最后流出柱外。
凝胶层析是一种快速而简便的分离分析技术,操作条件比较温和,可在相当广的温度范围下进行,不需要有机溶剂,并且对分离成分理化性质的保持有独到之处,对于高分子物质有很好的分离效果。
因此被生物化学、分子生物学、生物工程以及医药学等领域广泛应用。
陈宁等利用Sephadex G-25凝胶层析柱和反相柱对核桃蛋白酶解物,获得抗氧化能力最强的多肽序列Ala-Gly-Gly-Ala。
张志强等,采用硫酸钠盐析法与凝胶层析法对卵黄进一步纯化,得到纯度为97%的IgY。
1.5亲和层析
蛋白混合液通过层析柱时,与吸附剂具有亲和能力的蛋白质被吸附而滞留在层析柱中,没有亲和力的蛋白质不被吸附,直接流出,从而与被分离的蛋白质分开,然后选用适当的洗脱液,改变结合条件将被结合的蛋白质洗脱下来,从而达到分离提纯的目的,这种分离纯化蛋白质的方法称为亲和层析。
2 新颖的分离纯化技术
2.1 膜处理技术
微生物发酵液以横过膜表面的方式通过错流膜,液流清扫膜表面的溶质层,使溶质无法积聚在膜表面处,从而截留微生物细胞和浓缩含酶发酵液,从而达到分离纯化的目的。
Sztajer等用毛细管超滤膜纯化Pseudomonas fluorescens脂肪酶,他们比较了2种毛细管超滤膜:内径1.1mm截断相对分子质量为10kDa 的聚丙烯腈和聚砜。
对PS而言,仅观察到浓缩效果,适合浓缩酶;而PAN除了浓缩,还除去杂蛋白可应用于初分离。
2.2 免疫亲和纯化技术
免疫亲和纯化技术是一种高效选择性的蛋白质纯化技术。
通过一步纯化,纯化倍数可达1 000-10 000。
免疫纯化技术大部分是应用单克隆抗体和多克隆抗体,选择性依赖于单克隆抗体对目标蛋白的特异性程度及对杂蛋白的影响。
免疫亲和纯化具有以下特点:①抗体与其相应抗原结合具有高度亲和力和特异性,能大量分离天然状态或近似天然状态的抗原;②不是所有的抗体都适用于免疫亲和纯化,但一旦获得一种性能良好的抗体,纯化过程就很快速而且可靠;③可按照不同规模进行,半天内即可完成,而且可以获得其他层析法不可比拟的纯化效果;④经过简单的改进,免疫亲和法也可用于纯化针对不同抗原的特异性抗体。
Bandmann 等在所有突变体的N末端引入IgG结合位点,构建融合蛋白,利用IgG与靶位点特异性结合的免疫方法纯化了E. coli表达的脂肪酶突变体角质酶。
2.3 反胶束萃取技术
反胶束萃取是指当有机溶剂中加入的表面活性剂浓度超过其临界值时,表面活性剂在溶液中形成反胶束,非极性基团在外,极性基团则排列在内,形成一个极性核,此极性核具有溶解极性物质的能力,当含有此种反胶束的有机溶剂与蛋白的水溶液接触后,蛋白及其他亲水性的物质能够溶于极性核内部的水中,由于周围的水层和极性基团的保护,蛋白不与有机溶剂接触,从而不会造成失活,实现对蛋白质的萃取。
目前用于反胶束萃取常用的有机溶剂是异辛烷,反胶束萃取的表面活性剂主要是阴离子丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠和阳离子表面活性剂氯化三辛基甲基铵。
为了进一步提高反胶束萃取分离的选择性,可在反胶束表面活性剂的烷基上连接对蛋白质具有生物专一性的配基,实现反胶束亲和萃取分离。
3 微生物酯酶的应用研究
微生物酯酶是一种重要的工业生物酶类,涉及到酯合成、内酯合成、酯交换、多肽合成等催化反应,酯酶催化不需要辅酶且具有反应条件温和、方法简便、催化活性高、选择性强、产物易于分离、易于回收等优点,因此广泛应用于食品、化工、环保等领域。
在食品加工过程中,微生物嗜热酯酶的使用,可以减少食品的脂肪水解、蛋白质消化、纤维素水解等过程在常温下用传统酶作用造成的食品污染,同时可以将水解、消化过程与烹制相结合减少工序。
微生物酯酶还可以应用于啤酒、曲酒的风味改进。
啤酒在来自于酵母菌的酯酶和乙酰转移酶的共同作用下,产生醋酸异戊酯,可以大大改进啤酒的风味。
利用微生物酯酶在浓香型曲酒的增香技术方面还不是十全十美,有不少技术还需要进行探讨、完善。
国内有许多报导,在食醋和酱油的酿造中可以利用微生物酯酶催化产生的酯类来增进香味。
微生物酯酶是一类具有很高的催化功能、底物特异性和反应特异性的生物催化剂,利用其酯转换反应及酯合成反应能制备大量有价值的日用化工品,反应且不需要辅酶。
如黑曲酯酶在有机溶剂中发生缩聚反应,形成二醇和酸相间的三聚及五聚体;微生物酯酶还广泛应用于其他的工业企业,如来源于Ophiostoma piceae 的固醇酯酶已经应用于造纸业,它不但能够水解固醇酯类,对甘油三酯也有很好的降解作用;来源于假单胞菌、色素杆菌以及皱褶念珠菌的固醇酯酶和胆固醇酯酶,在增加纸张致密度方面起着重要作用。
酯酶的应用研究也为一些国家的环境及军事部门所重视。
土壤中存在分泌磷酯和氨基甲酸酯结构水解酶的微生物,其分泌物水解酶能够使有机磷酸酯和氨基甲酸酯类农药在土壤中较易分解。
这些降解酶比产生这类酶的微生物菌体更能忍受异常环境条件,并且酶的降解效果远胜过微生物本身。
因此,人们设想利用降解酶作为净化农药污染的有效手段,有关农药降解酶的研究受到广泛关注。
Derbyshire等[33]从无色杆菌Achromobacter sp. 提取呋喃丹酯键水解酶,纯化后的水解酶对低浓度的呋喃丹和西维因有较好的降解效果。
4 结论
目前,除上述技术外,微生物酯酶的分离纯化技术还有很多,如移动界面电泳,离子交换层析,HPLC法等都是有效的分离纯化方法,但还要根据具体的实验要求,设计和选择最适合的纯化方法才能达到最优的纯化效果。
同时微生物酯酶的研究已经进行到分子层面,并且随着人们生活水平的提高,食品、化妆品等中添加天然成分逐渐受到广泛关注,因此,微生物酯酶在食品、日用化工等领域具有广泛的应用前景。
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