王 琳,錢玉婷,周 影,魏啟舜,黃紅英
(1.江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)中心,江蘇 南京 210014)
角蛋白是一種不可溶的纖維狀蛋白質(zhì),其富含二硫鍵并具有較強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因此較難降解。角蛋白有多種存在形式,包括蹄甲、魚鱗、角、羽毛和羊毛等。近年來,隨著畜禽養(yǎng)殖的規(guī)?;c集約化,角蛋白類廢棄物產(chǎn)量越來越大,我國每年產(chǎn)生禽類羽毛上百萬噸[1]。據(jù)報道,羽毛角蛋白含量在80%以上[2],是潛在的蛋白質(zhì)與氨基酸資源。隨著蛋白資源緊缺程度的加劇和我國經(jīng)濟的發(fā)展,亟須實現(xiàn)廢棄角蛋白的高值轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用。傳統(tǒng)的高溫蒸煮、酸堿水解的方法能耗高,易引起環(huán)境污染,還會導(dǎo)致必需氨基酸結(jié)構(gòu)破壞,不易利用。角蛋白由于緊密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)不易被酪蛋白酶、胃蛋白酶和木瓜蛋白酶降解,但能被有些微生物和微生物產(chǎn)生的角蛋白酶降解利用,微生物法或酶解法處理利用角蛋白類廢棄物反應(yīng)過程溫和、效果顯著,對環(huán)境保護具有一定的現(xiàn)實意義[3]。角蛋白類廢棄物降解轉(zhuǎn)化在肥料、動物飼料和皮革輕工業(yè)等方面有著廣泛應(yīng)用。
產(chǎn)角蛋白酶的微生物廣泛存在于自然界中,迄今,國內(nèi)外研究者已經(jīng)分離篩選到很多能降解角蛋白的菌株,其中,地衣芽孢桿菌和嗜麥芽窄食單胞菌已研究得較為廣泛[4-6]。但目前對產(chǎn)角蛋白酶微生物的研究主要集中在常溫微生物,盡管有些微生物產(chǎn)酶能力較強,但存在熱穩(wěn)定性差的缺點[7]。在工業(yè)化過程中,高溫、高堿環(huán)境能加速角蛋白的水解;嗜熱菌能在高溫條件下產(chǎn)酶,表現(xiàn)出獨特的生存適應(yīng)能力,其產(chǎn)生的酶具有很高的活性和熱穩(wěn)定性,不易污染,其催化效率與熱穩(wěn)定性在生物技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景。廣大學(xué)者對產(chǎn)角蛋白酶嗜熱菌的篩選也表現(xiàn)出極大的興趣。
筆者所在研究室在前期研究工作中,從畜禽糞便的高溫堆肥中篩選到一株嗜熱菌,該菌能在60 ℃下48 h內(nèi)有效降解羽毛,降解產(chǎn)物中具有較高含量的游離氨基酸。本研究中,筆者擬對該羽毛降解菌株進行鑒定,優(yōu)化該菌株產(chǎn)角蛋白酶的發(fā)酵條件,測定產(chǎn)物中氨基酸含量及組成,并通過掃描電鏡和傅里葉紅外光譜手段研究該菌株對羽毛的降解過程,以期為其進一步工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。
實驗菌株YT06篩選自江蘇南京寧糧生物有限公司的畜禽糞便高溫堆肥樣品,菌株保存于筆者所在實驗室。
羽毛收集于雞鴨屠宰市場,用自來水將羽毛沖洗干凈,再用蒸餾水洗滌3遍,80 ℃烘干,粉碎機粉碎成1~2 cm大小。
細(xì)菌基因組提取試劑盒,Omega公司;Premix Taq聚合酶,大連寶生物工程有限公司;膠回收試劑盒,愛思進生物有限公司;角蛋白,梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司;福林酚試劑,Sigma-Aldrich公司;牛肉膏、蛋白胨、酵母粉和蔗糖等培養(yǎng)基所用試劑為BR級,北京奧博星生物技術(shù)有限公司;其他所用試劑為分析純。
UV759S型紫外可見光分光光度計,上海精科儀器有限公司;,Eppendorf 5804R型臺式冷凍離心機,艾本德中國有限公司;HZQ-F160型全溫度培養(yǎng)箱,太倉華美生化儀器廠;Hirayama HVA-85型高壓滅菌器,日本Hirayama公司;SY-2230型恒溫水浴搖床,美國精騏有限公司;Nanodrop2000型超微量分光光度計、安捷倫1100液相色譜儀,美國賽默飛世爾科技公司;傅里葉變換紅外光譜儀,德國布魯克公司;EVO MA1掃描電子顯微鏡(SEM),德國蔡司公司。
LB培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨10,酵母粉5,NaCl 10;pH 7.2~7.4。
LB脫脂牛奶培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨 10,酵母粉5,NaCl 10,脫脂牛奶10;pH 7.2~7.4。
種子培養(yǎng)基(g/L):牛肉膏5,蛋白胨10酵母粉2,NaCl 5;pH 7.2~7.4。
1.5.1 菌落形態(tài)及菌體形態(tài)鑒定
菌株在LB 平板上60 ℃培養(yǎng)12 h后,觀察菌落形態(tài)和色澤等,LB液體培養(yǎng)12 h后,取800 μL菌液5 000 r/min離心5 min收集菌體,菌體用pH 7.4磷酸緩沖液洗2~3次,離心后去除上清液,在沉淀中加入4%戊二醛500 μL混勻,4 ℃靜置過夜,SEM電鏡觀察。
1.5.2 16S rDNA 序列分析
菌株在LB培養(yǎng)基中60 ℃、180 r/min培養(yǎng)12 h后,提取總DNA作為PCR模板,利用通用引物27F-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG和1492R-TACGGCTACCTTGTTACGACTT,PCR擴增16S rDNA保守序列,純化PCR 產(chǎn)物,送至上海生工生物工程有限公司測序。經(jīng)GenBank 核酸數(shù)據(jù)作比對分析(BLAST),利用DNAstar進行同源序列進化樹分析,鑒定菌株的種屬。16S rRNA提交GenBank,登錄序列號為KY454474。
1.5.3 產(chǎn)酶發(fā)酵條件優(yōu)化
1.5.3.1 單因素實驗
基礎(chǔ)產(chǎn)酶培養(yǎng)基(g/L):羽毛10,NaCl 0.5,K2HPO40.4,KH2PO40.3,MgCl2·6H2O 0.1;pH 7.2~7.4,接種量2%。
碳源對產(chǎn)酶的影響:在基礎(chǔ)產(chǎn)酶培養(yǎng)基中分別加入10 g/L的葡萄糖、乳糖、麥芽糖、蔗糖、麩皮和淀粉。
氮源對產(chǎn)酶的影響:在基礎(chǔ)產(chǎn)酶培養(yǎng)基中分別加入10 g/L有機氮源(酵母膏、蛋白胨和尿素)和4 g/L無機氮源((NH4)2SO4和NaNO3)。
羽毛含量對產(chǎn)酶的影響:以基礎(chǔ)產(chǎn)酶培養(yǎng)基為初始培養(yǎng)條件,加入優(yōu)化后的碳源和氮源,改變培養(yǎng)基中羽毛的添加量,分別為0、2.5、5、10和20 g/L。
初始pH對產(chǎn)酶的影響:調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH,使之分別達到6~10。
培養(yǎng)溫度60 ℃,轉(zhuǎn)速180 r/min,搖床培養(yǎng)48 h后,8 000 r/min離心10 min,取上清液測定酶活,分別考察碳源、氮源、羽毛濃度和初始pH對產(chǎn)酶的影響。
1.5.3.2 正交試驗
根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選取影響角蛋白活性的主要3個因素:蔗糖、NaNO3和羽毛質(zhì)量濃度,分別設(shè)定3個不同水平,采用L9(33)正交試驗確定最佳培養(yǎng)基的組成。對正交優(yōu)化后的最佳方案進行3次重復(fù)實驗驗證。
1.5.4 游離氨基酸組成測定
分別取接種前和降解后的發(fā)酵液離心上清液,氨基酸組成測定采用高效液相色譜法,使用OPA FMOC柱前衍生法[8],色譜柱為250 mm×4 mm×5 μm ODS HYPERSIL,采用梯度洗脫,紫外檢測器檢測。
1.5.5 掃描電鏡觀察YT06對羽毛的降解
將降解后的羽毛殘留離心,抽濾,用無菌水沖洗多次,將沉淀60 ℃烘干后,取樣真空鍍金處理,利用掃描電子顯微鏡拍照觀察。
1.5.6 羽毛紅外光譜測定
將降解前后的羽毛殘留離心,抽濾,用無菌水沖洗多次,將沉淀60 ℃烘干后研磨粉碎,使用傅里葉變換紅外光譜儀檢測500~4 000 cm-1處的吸收率和透過率。
1.5.7 角蛋白酶活的測定
角蛋白酶酶活測定參照文獻[9]進行,取適當(dāng)稀釋的發(fā)酵液上清液250 μL與250 μL 50 mmol/L硼酸-硼砂緩沖液(pH 8.4),溶解1%的角蛋白并混勻,65 ℃反應(yīng)15 min,加入500 μL 0.4 mol/L 三氯乙酸(TCA)溶液以終止反應(yīng)。離心10 min,吸取500 μL上清液,依次加入2.5 mL 0.4 mol/L Na2CO3和0.5 mL 福林酚試劑,40 ℃反應(yīng)20 min,660 nm 處檢測吸光值。每分鐘催化分解角蛋白生成1 μg酪氨酸所要的酶量定義為一個酶活單位。
1.5.8 數(shù)據(jù)處理
每個實驗重復(fù)3次,利用SPSS 17.0軟件對實驗結(jié)果進行方差分析,實驗結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差,P<0.05表示差異顯著。
YT06在LB培養(yǎng)基上的菌落為白色,表面皺褶,掃描電鏡結(jié)果如圖1所示。圖1中可以看到:菌體呈線狀,菌絲直徑約為0.2 μm,從YT06基因組中擴增的16S rDNA序列長為1 450 bp(KY454474),將序列與GenBank數(shù)據(jù)庫BLAST比對,結(jié)果見圖2。由圖2可知:菌株與Thermoactinomycesintermedius、Thermoactinomycesvulgaris同源性達99%,據(jù)此推斷YT06屬于高溫放線菌屬(Thermoactinomycessp.)。
圖1 菌株YT06的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of srain YT06
菌株產(chǎn)胞外蛋白酶結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:在含有脫脂牛奶的平板上,YT06的菌落周圍產(chǎn)生了明顯的水解圈,表明該菌株具有胞外蛋白酶活力。在培養(yǎng)基中加入羽毛,考察YT06對羽毛的降解效果,結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知:24 h即有降解現(xiàn)象發(fā)生,48 h后羽毛基本被崩解;從圖4(b)可以看出,未處理的羽毛表面光滑結(jié)構(gòu)完整,接入YT062 d后,YT06菌絲附著于羽毛表面,沿著羽毛縱向生長,分支穿透羽毛,分泌酶液對羽毛進行降解轉(zhuǎn)化,使羽毛表面結(jié)構(gòu)松散,發(fā)生斷裂,形成大量剝落與碎片。
圖2 菌株YT06 16S rDNA序列同源進化樹Fig.2 Homologous evolutionary tree based on 16SrDNA of strain YT06
圖3 YT06產(chǎn)胞外蛋白酶平板實驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of extracellular protease production by YT06
2.3.1 碳源、氮源對產(chǎn)酶的影響
角蛋白酶是一種蛋白質(zhì),而碳、氮源作為構(gòu)成生物體的蛋白質(zhì)、核酸及其細(xì)胞骨架的重要材料來源,其種類及濃度對菌株的角蛋白酶合成與分泌有著至關(guān)重要的作用。以羽毛作為單一的碳氮源,發(fā)酵過程菌體量偏少,在生長初期,菌體量沒有達到一定程度的增值就不會產(chǎn)生較高的產(chǎn)酶水平,因此,需要在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加一些容易利用的碳氮源??疾焯荚?、氮源對產(chǎn)酶的影響,結(jié)果見圖5。由圖5可知:不同碳源對產(chǎn)酶影響較大,YT06的碳代謝存在代謝阻遏現(xiàn)象,反映在產(chǎn)酶水平上的差異較大。其中,蔗糖對產(chǎn)酶活性促進作用最大,葡萄糖、乳糖對產(chǎn)酶有抑制作用。在發(fā)酵培養(yǎng)基中分別加入4 g/L的無機氮源和10 g/L有機氮源,除了尿素和NaNO3,其他氮源都會抑制菌株產(chǎn)酶,4 g/L的NaNO3對YT06產(chǎn)酶有較大的促進作用。
圖4 YT06降解羽毛實驗結(jié)果Fig.4 Degradation results of intact chicken feathers by strain YT06
圖5 碳源和氮源對YT06產(chǎn)角蛋白酶的影響Fig.5 Effects of carbon and nitrogen sources on keratinase producing by strain YT06
2.3.2 羽毛添加量對產(chǎn)酶的影響
角蛋白酶是一種誘導(dǎo)酶,在發(fā)酵培養(yǎng)基中不添加羽毛,YT06則不產(chǎn)生角蛋白酶??疾煊鹈砑恿繉Ξa(chǎn)酶的影響,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:角蛋白酶的產(chǎn)生隨著羽毛添加量的增加而增加;當(dāng)羽毛添加量大于10 g/L時,產(chǎn)酶量減少,可能是由于羽毛含量過高,增加了發(fā)酵液的黏稠度,從而影響了發(fā)酵體系中氧的供應(yīng)。羽毛含量為10 g/L時,發(fā)酵液中角蛋白酶酶活達最大值,為35.6 U/mL。
圖6 羽毛添加量對YT06產(chǎn)角蛋白酶的影響Fig.6 Effect of feathers concentrations on keratinase producing by strain YT06
2.3.3 起始pH對產(chǎn)酶的影響
考察起始pH對產(chǎn)酶的影響,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:堿性條件下有利于YT06的產(chǎn)酶和羽毛底物的降解,角蛋白酶活力隨著起始pH的升高而升高,在pH 8~10之間維持較高酶活。在不同的pH下,菌體生長有所差異,對營養(yǎng)物質(zhì)吸收及代謝產(chǎn)物合成累積也不同。大部分蛋白酶的最適產(chǎn)酶條件都為堿性環(huán)境,這有利于蛋白酶滿足不同的工業(yè)使用需求。
圖7 培養(yǎng)基起始pH對YT06產(chǎn)角蛋白酶的影響Fig.7 Effect of initial medium pH on keratinase producing by strain YT06
2.3.4 培養(yǎng)基組分正交試驗優(yōu)化
為了考察不同因素之間的交互影響關(guān)系,針對3個產(chǎn)酶影響因子——NaNO3質(zhì)量濃度(A)、誘導(dǎo)物羽毛質(zhì)量濃度(B)及蔗糖質(zhì)量濃度(C)設(shè)計了三因素三水平的L9(33)正交試驗,利用SPSS分析正交試驗,結(jié)果見表1。3個因素的極差和顯著性分析見表2。由表1和2可以看出3個因子對產(chǎn)酶的影響從大到小依次為NaNO3、羽毛和蔗糖質(zhì)量濃度,最佳組合為A2B1C2。正交模型的顯著性為0.042<0.05,說明該模型設(shè)計科學(xué)合理。通過正交試驗得到最佳產(chǎn)酶組合(g/L)為蔗糖15、NaNO38、羽毛5、NaCl 0.5、K2HPO40.4、KH2PO40.3、MgCl2·6H2O 0.1;pH 7.2~7.4;裝液量50 mL(250 mL搖瓶),60 ℃,180 r/min搖瓶發(fā)酵48 h。上述條件下,酶活可達到43.5 U/mL,較優(yōu)化前提高了1.97倍。
表1 正交試驗優(yōu)化結(jié)果
表2 主體間效應(yīng)的檢驗
注:a為R2=0.968(調(diào)整R2=0.943)。
分析羽毛降解產(chǎn)物,結(jié)果如表3所示,每種游離氨基酸占總氨基酸的比例為y。由表3可知:當(dāng)羽毛添加量為10 g/L時,48 h后發(fā)酵液中游離的總氨基酸達到3.238 mg/mL,氨基酸轉(zhuǎn)化率(氨基酸含量和羽毛質(zhì)量的比)達32.4%,近50%的游離氨基酸為天冬氨酸、甘氨酸和纈氨酸,其中,纈氨酸為必需氨基酸;谷氨酸、色氨酸和苯丙氨酸的含量也較高(大于5%),具有應(yīng)用于有機肥和動物飼料蛋白的潛力。
表310g/L羽毛被YT06降解后培養(yǎng)基過濾液中游離氨基酸組成
Table3Freeaminoacidcompositioninbrothcontaining10g/LchickenfeathersafterdegradationbyThermoactinomycessp.YT06
游離氨基酸接菌前YT06降解48 h含量/(mg·mL-1)y/%含量/(mg·mL-1)y/%天冬氨酸Asp0.002 314.200.015 80.49谷氨酸Glu0.001 710.490.315 39.74天冬酰胺Asn0.000 10.620.439 013.56絲氨酸Ser0.000 00.000.066 72.06谷氨酰胺Gln0.000 10.620.112 23.47組氨酸His0.000 10.620.018 20.56甘氨酸Gly0.000 95.560.564 217.42蘇氨酸Thr0.000 10.620.078 52.42精氨酸Arg0.001 59.260.268 48.29丙氨酸Ala0.001 811.110.123 33.81酪氨酸Tyr0.001 59.260.182 05.62半胱氨酸Cys0.000 00.000.024 50.76纈氨酸Val0.001 811.110.562 517.37甲硫氨酸Met0.000 10.620.003 90.12色氨酸Trp0.000 10.620.05351.65苯丙氨酸Phe0.001 16.790.220 06.79異亮氨酸Ile0.000 74.320.087 12.69亮氨酸Leu0.000 95.560.097 73.02賴氨酸Lys0.000 31.850.001 70.05脯氨酸Pro0.001 16.790.003 50.11總量Total0.016 2100.003.238 0100.00
圖8 YT06降解后羽毛紅外光譜Fig.8 FTIR spectra of feather degrading by YT06
高溫放線菌YT06能夠在60 ℃下分泌胞外角蛋白酶高效降解羽毛,降解產(chǎn)物中含有較高濃度的游離氨基酸,羽毛是典型的β-角蛋白,其氨基酸組成中甘氨酸和絲氨酸含量較高,且都大于10%[10]。本研究中,羽毛經(jīng)過YT06降解48 h后,甘氨酸、纈氨酸和天冬氨酸的含量最高,而Huang等[11]利用一株真菌降解羽毛產(chǎn)物中的主要氨基酸為纈氨酸、絲氨酸和亮氨酸,說明不同的微生物產(chǎn)生的角蛋白酶性質(zhì)不同,對底物作用位點不同,而導(dǎo)致不同游離氨基釋放順序和釋放量不同。文獻[12-14]對角蛋白酶定義和測定方法差異較大,通過比較降解產(chǎn)物含量,說明菌株降解效率更具有可比性。當(dāng)羽毛含量為10 g/L時,YT06降解48 h后游離氨基酸總含量達3.238 mg/mL,高于Jain等報道[15]的結(jié)果(2.407 mg/mL),也高于使用真菌Onygenacorvina水解羽毛產(chǎn)生的游離氨基酸含量(0.466 mg/mL)[11]。目前也有報道一些高溫放線菌屬的菌株,如Thermoactinomycescandidus[16]能夠在高溫下利用羊毛作為唯一的碳源和氮源對其進行降解,說明筆者篩選的菌在廢棄角蛋白高溫堆肥化處理利用上具有一定的應(yīng)用前景。
在對發(fā)酵條件優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn),以羽毛作為單一的碳氮源,發(fā)酵過程中菌體量偏少,在生長初期,菌體量沒有達到一定程度的增殖就不會達到較高的產(chǎn)酶水平[17],因此,需要在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加一些容易利用的碳氮源。本實驗中,蔗糖的添加能夠大大促進菌株產(chǎn)酶,酶活提高了近4倍,葡萄糖的添加對角蛋白酶的分泌具有抑制作用。外加氮源中NaNO3對于菌株的產(chǎn)酶提高有顯著促進作用。如,何周鳳等[18]發(fā)現(xiàn)淀粉是枯草芽孢桿菌BS8產(chǎn)角蛋白酶的最佳輔助碳源,但麥芽糖和乳糖抑制產(chǎn)酶。張竹慧等[19]發(fā)現(xiàn)蔗糖抑制紅灰鏈霉菌產(chǎn)角蛋白酶,王月等[17]報道短小芽孢桿菌K9產(chǎn)角蛋白酶最適碳氮源為麥芽糖和酵母粉。在添加氮源的研究中,較多報道表明,一些有機氮源(如,牛肉膏、蛋白胨等)能夠促進產(chǎn)酶,而添加無機氮源對產(chǎn)酶有抑制作用。不同的碳氮源對不同菌株的影響程度有所差異[20],因此,針對不同種屬菌株,優(yōu)化培養(yǎng)基組成對于提高角蛋白酶酶活非常重要。角蛋白酶是一種誘導(dǎo)酶,能專一作用于角蛋白類硬質(zhì)蛋白,將其分解為多肽及游離氨基酸[18,21],必須在培養(yǎng)液中添加羽毛角蛋白才會誘導(dǎo)其產(chǎn)角蛋白酶,因而,羽毛粉既是碳氮源又是誘導(dǎo)物,其含量對菌株的發(fā)酵產(chǎn)酶也有一定影響,過量羽毛角蛋白添加會降低菌株產(chǎn)酶。
角蛋白的生物降解機制至今還沒有定論,降解角蛋白的關(guān)鍵在于打開二硫鍵,破壞其空間結(jié)構(gòu),使角蛋白變性,再通過蛋白酶將變性角蛋白水解為多肽、寡肽和游離氨基酸。Malviya等[22]和何斌等[23]在闡述角蛋白降解機制時都認(rèn)為,有菌絲的微生物在降解羽毛過程中菌絲的力學(xué)作用力發(fā)揮巨大作用,角蛋白降解是菌絲的力學(xué)穿透與酶降解相互緊密聯(lián)系的過程。本研究中,掃描電鏡結(jié)果也顯示YT06菌絲沿羽毛縱向生長、分支,在生長壓力作用下,打開羽毛致密的表面結(jié)構(gòu)。紅外光譜結(jié)果則說明羽毛角蛋白降解過程中二硫鍵被破壞。這些結(jié)果為研究YT06降解羽毛角蛋白機制提供依據(jù)。
篩選到一株能高效降解羽毛的嗜熱菌,通過對菌落形態(tài)特征和16S rDNA鑒定命名為高溫放線菌(Thermoactinomycessp. YT06),該菌產(chǎn)高溫角蛋白酶,最適培養(yǎng)條件下,發(fā)酵液中角蛋白酶活達43.5 U/mL。該菌株能在60 ℃培養(yǎng)條件下,48 h內(nèi)有效降解羽毛,當(dāng)羽毛添加量為10 g/L時,降解產(chǎn)物中游離氨基酸含量達3.328 mg/mL,近50%的氨基酸為甘氨酸、纈氨酸和天冬氨酸。應(yīng)用掃描電鏡觀察YT06對羽毛的降解過程發(fā)現(xiàn),菌絲能穿透羽毛表面沿縱向生長,有助于酶的降解,紅外光譜顯示羽毛角蛋白中C—S鍵在降解之后消失,該結(jié)果為羽毛角蛋白降解機制研究提供了理論基礎(chǔ)。