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    高靈敏度測定殼聚糖酶活力的新方法及其比較研究

    2013-08-07 09:02:46張永勤常海燕劉征東羅彩華牟曉鳳
    食品科學 2013年9期
    關(guān)鍵詞:鐵氰化鉀物質(zhì)量底物

    張永勤,張 杰,常海燕,張 坤,劉征東,羅彩華,牟曉鳳

    (青島科技大學化工學院,山東 青島 266042)

    近年來,隨著低聚殼聚糖以及殼寡糖在醫(yī)藥、生物材料、生物能源、食品工業(yè)、化妝品以及環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域的不斷應(yīng)用,殼聚糖水解酶已成為國內(nèi)外諸多學者的研究熱點[1-5]。在殼聚糖的水解工藝中,與傳統(tǒng)化學水解法相比,酶解法更易控制,底物特異性強,副產(chǎn)物少。但是,由于殼聚糖酶的活力測定方法普遍具有較低的靈敏度,一方面影響了殼聚糖酶產(chǎn)生菌的篩選進程,致使殼聚糖酶的價格居高不下[6],另一方面也限制了殼聚糖酶在應(yīng)用過程中的質(zhì)量控制。酶活力是衡量水解酶性能的關(guān)鍵指標,酶活力測定方法的研究,能夠為殼聚糖水解酶在篩選、生產(chǎn)和應(yīng)用過程中提供有效的質(zhì)量控制手段。因此,尋求一種有效的殼聚糖水解酶活力測定方法對于殼聚糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分重要。目前常用Somogyi-Nelson法[7]、3,5-二硝基水楊酸法(DNS法)[8]、鐵氰化鉀法[9]和BCA法[10-11]測定多糖水解酶活力,但由于這些方法或多或少存在靈敏度、測定范圍、試劑高毒性、蛋白質(zhì)影響等問題導(dǎo)致了其在多糖水解酶活力測定的應(yīng)用上受到不同程度的限制[12]。

    本實驗將3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物(MBTH)高靈敏度測定還原糖含量的方法[13-14]應(yīng)用到殼聚糖酶的活力測定中,以高脫乙酰殼聚糖為酶解底物,并針對殼聚糖本身的物化特性設(shè)計并優(yōu)化活力測定方法。近年來有學者報道了果膠酶[15]、木瓜蛋白酶[16]、蛋白酶[17]、溶菌酶[18]以及纖維素酶[6,19-20]等都具有殼聚糖水解酶活力,特別是纖維素酶具有的殼聚糖水解酶活力較高[21]。考慮到殼聚糖酶的純酶制劑價格昂貴,因此,本研究以含有殼聚糖酶活力的纖維素酶制劑為實驗材料,利用MBTH法測定其所含有的微量殼聚糖水解酶活力,并與目前最常采用的DNS法和鐵氰化鉀法做對比,以期對殼聚糖酶的定量、篩選與應(yīng)用提供幫助。

    1 材料與方法

    1.1 材料、試劑與儀器

    纖維素酶(ROCKSOFTTM ACE P150) 日本Dyadic公司;殼聚糖(93.5%脫乙酰度,1H NMR) 實驗室自制;氨基葡萄糖、3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物(MBTH)、二硫蘇糖醇(DTT) 美國Sigma公司;其他試劑均為分析純。

    SHZ-82恒溫水浴振蕩器 常州智博瑞儀器制造有限公司;UNICO-2100紫外-可見分光光度計 尤尼科(上海)儀器有限公司;pH計 梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司;移液器 賽默飛世爾(上海)儀器有限公司。

    1.2 方法

    1.2.1 殼聚糖溶液的配制

    稱取2.000g殼聚糖于500mL燒杯內(nèi),逐滴加入10mL 0.2mol/L醋酸溶液,攪拌至殼聚糖完全溶解,且體系呈透明凝膠狀,在4℃冰箱靜置2h。加入適量0.2mol/L醋酸鈉溶液,攪拌至膠狀體系溶解,調(diào)節(jié)pH值至6.0,適當時可加微量10mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH值。將溶液轉(zhuǎn)移至500mL容量瓶內(nèi),用0.2mol/L、pH6.0醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至500mL,充分混勻。配制成4mg/mL的殼聚糖溶液于4℃冰箱內(nèi)貯藏備用。整個酶解體系使用0.2mol/mL、pH6.0醋酸-醋酸鈉緩沖溶液為溶劑,以下同。

    1.2.2 氨基葡萄糖標準曲線的繪制

    MBTH法:用醋酸-醋酸鈉緩沖溶液分別配制終質(zhì)量濃度為0~80μg/mL的氨基葡萄糖溶液(每個稀釋度各含有2mg/mL殼聚糖底物),取2mL該溶液與2mL 0.5mol/L氫氧化鈉溶液充分混勻,8000r/min離心5min,取1mL上清液與0.5mL MBTH試劑充分混勻,于80℃水浴15min,迅速加入1mL硫酸鐵銨試劑(0.5g/100mL (FeNH4(SO4)2)·12H2O、0.5%氨基磺酸、0.5mol/L鹽酸),混勻,于655nm波長處測定吸光度,每組3個平行樣。

    DNS法:參照Miller[8]的方法,并根據(jù)本實驗殼聚糖酶活力測定方法的特點稍加修改。用醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制終質(zhì)量濃度為0~1.5mg/mL的氨基葡萄糖溶液(每個稀釋度各含有2mg/mL殼聚糖底物)。取2mL還原糖溶液與0.2mL 10mol/L氫氧化鈉溶液充分混勻,8000r/min離心5min,取0.4mL上清液向其中加入0.3mL DNS試劑,沸水浴15min,迅速冷卻,加入4.3mL蒸餾水中,充分混勻,于500nm波長處測定吸光度值,每組3個平行樣。

    鐵氰化鉀法:參照文獻[9]的方法,并根據(jù)本實驗殼聚糖酶活力測定方法的特點稍加修改。用醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制終質(zhì)量濃度為0~100μg/mL的氨基葡萄糖溶液(每個稀釋度各含有2mg/mL的殼聚糖底物)。取4mL還原糖溶液加入0.4mL 10mol/L氫氧化鈉溶液,充分混勻,8000r/min離心5min,取1.2mL上清液與1.6mL鐵氰化鉀試劑充分混勻,沸水浴15min,迅速冷卻,于420nm波長處測定吸光度,每組3個平行樣。

    1.2.3 酶活力測定方法

    多點法(罐法、動力學法、動態(tài)法):在錐形瓶中將已預(yù)熱的底物溶液與酶溶液迅速充分混勻(MBTH:19.8mL底物+0.2mL酶溶液,DNS:10mL底物+10mL酶溶液,鐵氰化鉀:36.4mL底物+0.4mL酶溶液;底物終質(zhì)量濃度均為2mg/mL),在37℃條件下水浴加熱,分別在0、10、20、30、40、50、60min時取酶解液與氫氧化鈉充分混合終止反應(yīng)(MBTH:2mL酶解液+2mL 0.5mol/L氫氧化鈉,DNS:2mL酶解液+0.2mL 10mol/L氫氧化鈉,鐵氰化鉀法:4mL酶解液+0.4mL 10mol/L氫氧化鈉),8000r/min離心15min,取上清液,按照1.2.2節(jié)中的方法測定酶解液中還原糖含量,每組做3個平行樣。

    終點法(試管法):在試管中將已預(yù)熱的1mL 4mg/mL底物溶液與1mL酶溶液充分混勻(底物終質(zhì)量濃度為2mg/mL),在37℃條件下水浴加熱反應(yīng)1h,加入氫氧化鈉終止反應(yīng)(各方法中氫氧化鈉濃度與比例同上),8000r/min離心15min,取上清,按照1.2.2節(jié)中的方法測定酶解液中還原糖含量,每組做3個平行樣。

    酶活力單位(1U)定義:在上述MBTH法的反應(yīng)條件下,使每毫升酶解液每分鐘產(chǎn)生相當于1μmol氨基葡萄糖的還原糖的量所需的酶量為一個酶活力單位。檢測限(DL)和定量限(QL)根據(jù)公式(1)和(2)[22]計算所得。

    式中:Sbi是9個空白溶液的標準偏差;b為回歸方程的斜率。

    1.2.4 酶動力學曲線的測定方法

    將纖維素酶溶液與殼聚糖底物溶液按一定比例混合,在37℃條件下水浴加熱,分別在0、10、20、30、40、50、60min時終止反應(yīng),酶解液在8000r/min條件下離心15min,按照1.2.2節(jié)的方法測定還原糖含量,每個樣品組做3個平行樣。

    1.2.5 底物質(zhì)量濃度對酶活力測定的影響

    分別配制質(zhì)量濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50、0.80mg/mL的殼聚糖底物溶液,取0.2mL酶溶液與19.8mL底物溶液在試管(100mm×15mm)中混合,在37℃條件下水浴加熱,分別于0、10、20、30、40、50、60min時終止反應(yīng)。取酶解液在8000r/min條件下離心15min,按照1.2.2節(jié)的方法測定還原糖含量,每個樣品組做3個平行樣。

    1.2.6 酶質(zhì)量濃度曲線的繪制

    按照1.2.3節(jié)的多點測定法進行酶活力測定,其中纖維素酶溶液用0.2mol/L、pH6.0醋酸-醋酸鈉溶液配制, 并相應(yīng)稀釋8個質(zhì)量濃度梯度,使酶解液中纖維素酶濃度分別為0~150μg/mL(MBTH法)、0~1.2mg/mL(DNS法)、 0~100μg/mL(鐵氰化鉀法)。檢測限和定量限參照1.2.3節(jié)計算。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 MBTH法測定氨基葡萄糖的標準曲線及其比較

    圖 1 3種方法測定氨基葡萄糖標準曲線(MBTH、鐵氰化鉀、DNS)Fig.1 Standard curves of glucosamine for the three method, MBTH, Schales’ Procedure and DNS methods

    由圖1可知,在測定氨基葡萄糖濃度時,MBTH法靈敏度最高,其檢測限為4.5μmol/mL,而DNS法和鐵氰化鉀法分別為320μmol/mL和8.0μmol/mL。在DNS法中,氨基葡萄糖濃度較低時,無法檢測出溶液中的還原糖含量,從而導(dǎo)致其標準曲線很難過原點[7-8],而在3.8mmol/mL以上的濃度點回歸而成的標準曲線更接近原點,如圖1中的嵌入圖所示。鐵氰化鉀法屬減色法,空白的吸光度決定著該方法的檢測范圍,其空白值的測定誤差也決定著還原糖的檢測限。當還原糖濃度超過340μmol/mL時,隨著還原糖濃度的增高吸光度呈非線性變化,超出了該法的檢測范圍,即樣品吸光度趨向零,無法測出還原糖含量,從而導(dǎo)致該法工作濃度范圍過于狹窄。相比之下,MBTH法避開了上述缺點,其靈敏度是鐵氰化鉀法的1.8倍,DNS法的71倍,具有較寬的檢測范圍,特別適合于微量還原糖濃度的測定。

    2.2 酶活力測定方法的建立及底物質(zhì)量濃度對酶活力測定的影響

    考慮到本實驗所使用的纖維素酶在pH6.0(最適pH值)和55℃(最適溫度)條件下預(yù)熱15min,其酶活力即損失50%[23];殼聚糖在較高溫度條件下會發(fā)生非酶降解;過低的酶解溫度難以在一般實驗室溫度條件下得以控制,因此,本實驗將酶解溫度設(shè)定在37℃。由于殼聚糖不溶于堿性環(huán)境,當加入NaOH終止反應(yīng)時會產(chǎn)生大量沉淀,需在離心后取上清液進行還原端基濃度的測定。在理論上,酶解反應(yīng)中底物質(zhì)量濃度越高,酶解反應(yīng)速率越能維持在最大值。但是,由于過高的底物濃度具有較高黏度而影響酶解進程(傳質(zhì)速率較慢);在酶解終止后會產(chǎn)生大量沉淀而減少上清液體積;會使底物本身的還原基團濃度增加而導(dǎo)致本底值(即空白值)增加;且會增加測定成本等,因此,選擇合適的底物濃度有助于該酶活力的準確測定。

    圖 2 不同底物質(zhì)量濃度條件下MBTH法動力學曲線Fig.2 Kinetic curves of various substrate concentrations for MBTH method

    圖2為在不同殼聚糖底物質(zhì)量濃度條件下的酶解進程曲線。在該圖中,當?shù)孜镔|(zhì)量濃度在0.05、0.10mg/mL時,酶解反應(yīng)速率分別在20、30min內(nèi)保持恒定,隨后酶解反應(yīng)速率逐漸降低,即產(chǎn)物生成量與酶解時間呈非線性關(guān)系,這可能是因為隨著酶解反應(yīng)的進行,底物殼聚糖被不斷消耗而釋放出還原端基,使酶不再與底物達到飽和,或者是反應(yīng)體系中不斷增加的還原端基造成的產(chǎn)物抑制作用而導(dǎo)致了反應(yīng)速率的下降。

    當?shù)孜镔|(zhì)量濃度高于0.20mg/mL及以上時,酶解反應(yīng)速率與酶解時間在整個酶解過程中始終保持線性增加關(guān)系。另外,在0.05mg/mL時,酶解反應(yīng)20min內(nèi)的產(chǎn)物生成量只有46μmol/mL,而動力學參數(shù)如Km值的測定往往需要測定底物質(zhì)量濃度在Km值附近的酶解反應(yīng)速率。因此,MBTH法的高靈敏度足夠用來測定動力學參數(shù)。然而,由于DNS法的靈敏度較低,其氨基葡萄糖的檢測限為320μmol/mL,很難檢測到產(chǎn)物還原端基濃度在200μmol/mL以下的酶解速率變化(圖2),而增加酶濃度確實可以提高酶解速率從而增加產(chǎn)物濃度,但又會使酶解反應(yīng)背離零級反應(yīng)而很難測得酶解初速率,此外,在高底物濃度條件下,酶解速率變化不明顯(圖3),會引入較大測量誤差,因此,用DNS法較難準確測定Km值。在圖3的整個酶解過程中,隨著底物質(zhì)量濃度的增加,酶解反應(yīng)速率逐漸遞增。在低底物質(zhì)量濃度范圍內(nèi),反應(yīng)速率與底物濃度呈線性增加關(guān)系。在底物質(zhì)量濃度增加到0.30mg/mL之后,反應(yīng)速率增加緩慢并最終趨于平緩。根據(jù)圖3雙倒數(shù)曲線公式為y=0.0303x+0.2494(R2=0.9957)計算可得Km為0.12mg/mL,遵循底物質(zhì)量濃度可盡量大,但又不影響測定的原則,因此,本實驗選擇2mg/mL(16.7倍的Km值)作為酶活力測定的底物終質(zhì)量濃度。

    圖 3 底物質(zhì)量濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系和雙倒數(shù)曲線圖(MBTH法)Fig.3 Relationship between substrate concentration and reaction rate and Double reciprocal Lineweaver-Burk plots in MBTH method

    2.3 MBTH法動態(tài)測定殼聚糖酶活力及其比較

    圖 4 不同酶質(zhì)量濃度條件下MBTH法動力學曲線Fig.4 Kinetic curves of various enzyme concentrations for MBTH method

    由圖4可知,不同的酶質(zhì)量濃度條件下,酶解反應(yīng)速率(即單位時間內(nèi)產(chǎn)物生成量)隨時間呈線性增加關(guān)系。這一線性關(guān)系說明,在不同的酶質(zhì)量濃度條件下,酶解反應(yīng)均達到最大反應(yīng)速率,并且在60min內(nèi)保持恒定。另外,只有當?shù)孜镉昧孔阋栽?0min內(nèi)使底物與酶的結(jié)合始終保持飽和狀態(tài),才能保證酶解反應(yīng)速率恒定在最大值。因此,可以說明實驗中所使用的底物質(zhì)量濃度要遠大于酶對底物的Km值。在這樣的底物質(zhì)量濃度條件下,反應(yīng)速率會隨著酶質(zhì)量濃度增加成比例增加。在測定酶活力時,只有保證在測定過程中,酶解反應(yīng)速率始終保持在一個恒定的最大值,才能確保酶活力測定的準確性。因此,在測定酶活力時,選擇在酶解反應(yīng)60min以內(nèi)測定酶活力是比較準確的,因此,按照1.2.3節(jié)中的試管法即可以代替操作繁瑣的動力學法用于常規(guī)酶活力測定。

    圖 5 不同酶質(zhì)量濃度條件下鐵氰化鉀法動力學曲線Fig.5 Kinetic curves of various enzyme concentrations for potassium ferricyanide method

    圖 6 MBTH法、鐵氰化鉀法和DNS法測定酶質(zhì)量濃度曲線Fig.6 Enzyme concentration curves for MBTH, DNS and potassium ferricyanide method

    鐵氰化鉀法測殼聚糖酶活力的動力學曲線如圖5所示,其結(jié)果接近MBTH法,除在2.1節(jié)中所討論的由于該法屬減色法使檢測范圍較窄之外,較大的空白值也會使該酶活力的檢測限偏高,而且,由于該法取樣量較大,不利于在線監(jiān)測。另外,由于殼聚糖本身對鐵氰化鉀有一定吸附作用,因此,終止反應(yīng)后需馬上離心取上清液。盡管鐵氰化鉀法有諸多缺陷,但是,由圖6可知,其酶活力測定結(jié)果與MBTH法相近,以MBTH法的酶活力定義為基準,其檢測限為20mU/mL,是MBTH法(13mU/mL)的1.6倍。

    圖 7 不同酶質(zhì)量濃度條件下DNS法動力學曲線Fig.7 Kinetic curves of various enzyme concentrations for DNS method

    而對于DNS法而言,以MBTH法的酶活力定義為基準,其檢測限為1.5U/mL,是MBTH法的116倍。如圖6和圖7所示,當酶活力單位在1.5~21.6U/mL以內(nèi)時,酶解反應(yīng)速率與酶質(zhì)量濃度呈線性增加關(guān)系;當酶解速率超過21.6U/mL時,盡管在不同酶質(zhì)量濃度條件下的酶動力學曲線仍各呈線性遞增,但是,隨著酶質(zhì)量濃度的增加,酶解反應(yīng)速率逐漸處于非線性遞增,最終曲線趨于平緩。這主要是因為酶濃度過高,底物消耗過多,酶解產(chǎn)物導(dǎo)致產(chǎn)物抑制。另外,之所以動力學曲線仍呈線性遞增,是由于DNS法所測還原端基的摩爾吸光系數(shù)與酶解產(chǎn)物的聚合度密切相關(guān),而且,聚合度越低摩爾吸光系數(shù)越大[24-26],從而造成線性動力學曲線的假象,致使酶質(zhì)量濃度線性部分斜率(y=0.0641x-2.6419)超出鐵氰化鉀法法(y=0.0337x+0.0631)和MBTH法(y=0.0321x+0.0407)1倍之多,因此,DNS法測定殼聚糖酶活力是不準確的,它不適于生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、銷售等環(huán)節(jié)中的準確定量。

    3 結(jié) 論

    建立了一種新的高靈敏度測定殼聚糖酶活力的方法——MBTH法,利用動力學法研究了該活力測定方法的測定參數(shù),在37℃、pH6.0反應(yīng)條件下殼聚糖底物溶液的終質(zhì)量濃度需在2mg/mL以上,酶解時間在60min以內(nèi)。MBTH法準確、靈敏、檢測范圍寬、操作簡便,可以用終點法定量測得殼聚糖酶活力,且可用于DNS法較難測得的較小Km值的測定。該法測定結(jié)果近似于鐵氰化鉀法,DNS法廣泛用于殼聚糖酶的篩選、分離純化、應(yīng)用中的工藝優(yōu)化,但不適于質(zhì)量控制、銷售等環(huán)節(jié)中的準確定量。

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