黑曲霉1504產葡萄糖氧化酶的酶學特性及對饅頭品質的改良

朱運平 褚文丹 黎 芳 李秀婷1，*

（1 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心（北京工商大學） 北京100048 2 北京市食品添加劑工程技術研究中心（北京工商大學） 北京100048 3 北京工商大學食品學院 北京100048）

葡萄糖氧化酶在自然界分布廣泛，具有催化特異性強，反應效率高的優(yōu)點，在食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、飼料添加等方面得到廣泛應用[1-3]。在食品行業(yè)，有大量研究表明葡萄糖氧化酶對面制品有良好的改良作用，如Daiva 等[4]研究了GOD 對亞洲面條流變特性的影響；Lele 等[5]研究發(fā)現(xiàn)包埋GOD 對商業(yè)小麥粉烘焙品質有良好的改良作用；王雨生等[6]發(fā)現(xiàn)葡萄糖氧化酶可以改善面包的烘焙品質。在醫(yī)藥行業(yè)，GOD 可用于血糖含量測定，GOD 對于β-D-葡萄糖的專一性作用，葡萄糖氧化酶被廣泛應用于血糖、尿糖及尿酮體的檢查等[7]。在飼料添加方面，在雞飼料中添加GOD，能催化雞腸道內葡萄糖產生葡萄糖酸和過氧化氫，抑制大腸桿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、弧菌，保護雞腸道上皮細胞的完整性，改善腸道酸性消化環(huán)境，提高飼養(yǎng)雞的成活率[8]。

微生物種類繁多，生長繁殖速度快，成為生產葡萄糖氧化酶的主要力量，生產葡萄糖氧化酶的主要菌株為青霉和黑曲霉[9-10]。目前關于黑曲霉產葡萄糖氧化酶的報道已有很多，然而酶活力不理想。王志新等[11]提取的黑曲霉A9 產葡萄糖氧化酶的比活力是349.84 U/mg；中國科學院武漢病毒研究所構建的重組酵母所產GOD 比活力為426.25 U/mg[12]。舒正玉等[13]經硫酸銨沉淀、透析、DEAE Sepharose Fast Flow 陰離子交換層析和Sephadex G-75 凝膠過濾層析得到電泳純的黑曲霉F044 脂肪酶，純化倍數為73.71 倍。本研究利用AKTA 蛋白純化系統(tǒng)，采用濃縮、 鹽析和層析相結合的方法，對黑曲霉菌株1504 所產葡萄糖氧化酶進行分離純化，最終得到電泳純的葡萄糖氧化酶，同時對其酶學性質進行研究，并將其應用于饅頭品質的改良，具有重大研究價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉：中糧雪花粉，中糧集團；活性干酵母，安琪酵母有限公司。

丙烯酰胺、三羥甲基氨基甲烷，美國Amresco（USA） 公司；甘氨酸，北京拜爾迪生物公司；DEAE-Sepharose Fast Flow、Sephacryl S-200，瑞典Amerham（Uppsala）公司；中分子量標準蛋白，美國Sigma 公司；聚乙二醇、硫酸銨葡萄糖、氯化鈉、碳酸鈣等其它化學試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設備

SE600 垂直電泳槽及EPS-601 型電泳儀，美國GE 公司；AKTA 蛋白純化系統(tǒng)，美國GE 公司；Himac CR22G 型高速冷凍離心機，日本Hitachi公司；布拉班德粉質儀、 布拉班德拉伸儀，德國Brabender 公司；SZM-60 攪拌機（和面機），廣東旭眾食品機械有限公司；歐美佳CV 醒發(fā)箱，湖北歐美家食品機械有限公司；質構儀，美國Brookfield公司；ADCI-60 色度儀，北京辰泰克儀器技術有限公司。

1.3 酶的分離純化

1.3.1 聚乙二醇（PEG-20000） 濃縮 參照張茜等[14]的方法，取實驗室發(fā)酵粗酶制劑于透析袋，用PEG 20000 將透析袋包埋，在4 ℃過夜?jié)饪s，取濃縮液備用。

1.3.2 硫酸銨分級沉淀 硫酸銨分級沉淀方法參照蛋白質手冊以及鐘文輝[15-16]的方法，量取一定體積的粗酶液，在冰水浴中，緩慢加入硫酸銨粉末，使硫酸銨質量分數達20%的飽和度，然后繼續(xù)攪拌1 h，在10 000 r/min 下離心10 min，將沉淀以最少量的緩沖液溶解，收集上清液和沉淀分別測定葡萄糖氧化酶活力和蛋白含量。重復以上操作使硫酸銨飽和度分別達到30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，收集不同飽和度的上清液和沉淀。

1.3.3 DEAE-Sepharose Fast Flow 離子交換柱層析 將1.3.2 中得到的沉淀溶解液，在0～4 ℃下，用50 mmol/L 的Tris-HCl 緩沖液（pH 7.0）透析12 h，使用AKTA（FPLC）蛋白純化系統(tǒng)，進一步通過DEAE-Sepharose Fast Flow 離子交換層析[17]，采用梯度洗脫的方法，純化酶蛋白。試驗緩沖體系為pH 7.0 的50 mmol/L Tris-HCl 緩沖液；洗脫液為0～1.0 mol/L 的NaCl 溶液；設流速為1 mL/min；每管收集洗脫液1 mL，檢測每管洗脫液中葡萄糖氧化酶活力和蛋白質含量，繪制洗脫圖譜。

1.3.4 Sephacryl S-200 凝膠過濾層析 參考張茜等[10]的方法，用Tris-HCI 緩沖液（50 mmol/L，pH 7.0）平衡管路，至流出液恒定在pH 7.0，上樣后設樣品流速為0.5 mL/min。以相同緩沖液洗脫，設定自動部分收集為流速0.2 mL/min，每管收集0.5 mL。檢測每管中葡萄糖氧化酶活力和蛋白質含量。

1.4 SDS-PAGE 鑒定酶的純度及測定分子質量

聚丙烯酰胺凝膠電泳參照LaemmLi[18]的方法。在分離膠和濃縮膠濃度為12.5%和4.5%的條件下進行電泳，電泳后的凝膠用考馬斯亮蘭染色20 min，然后用脫色液脫色2～3 次后，在水平搖床脫色過夜。將純酶與中分子質量標準蛋白在同一條件下進行SDS-PAGE，分析目的蛋白的亞基分子質量。

1.5 酶的性質測定

1.5.1 最適pH 值和pH 值穩(wěn)定性 最適pH 值的測定：采用3 種不同緩沖體系配制pH 值為3.0～9.0，濃度0.05 mol/L 的緩沖液，如表1所示。經測定得到比較合適的范圍以后，縮小緩沖液pH 范圍以及間隔，最終得到最適pH 值。

表1 緩沖體系設計Table1 Designs of buffer system

pH 值穩(wěn)定性的測定：將不同pH 值的緩沖液與GOD 純酶等量混合，在30 ℃下分別保存24 h和72 h 后，冰水浴冷卻30 min，再用標準方法測定葡萄糖氧化酶的剩余酶活力，未經處理的酶液為100%，計算殘余酶活力。

1.5.2 最適溫度和溫度穩(wěn)定性 最適溫度的測定：用最適緩沖液將酶液適當稀釋，分別在20～80℃下準確反應5 min，測定葡萄糖氧化酶活力，以酶活力最大值為100%。

溫度穩(wěn)定性的測定：在最適緩沖液中，將酶液在不同溫度下分別保存0～5 h 后（每小時取樣）按標準方法測定葡萄糖氧化酶的殘余酶活力，以0 h 的酶活力作為100%。

1.5.3 金屬離子對酶活力的影響 按照標準酶活力測定方法，考察不同濃度（1，3，5，7 mmol/L）不同種類金屬離子對葡萄糖氧化酶活力的影響，以不添加金屬離子的試驗組作為對照。金屬離子包括：Na+、K+、Li+、Mn2+、Pb2+、Mg2+、Ba2+、Zn2+、Al3+、Co2+、Fe3+、Ag+。

1.5.4 酶反應動力學參數的測定 在不同的葡萄糖 濃 度（25，50，75，100，150，200 mmol/L）下 測 定葡萄糖氧化酶的活力，以葡萄糖濃度的倒數1/S為橫坐標，以酶活力倒數1/V 為縱坐標，采用Lineweaver-Burk 法[18]作圖，從而求得該葡萄糖氧化酶的Km及Vmax。

1.6 酶對饅頭品質的改良

1.6.1 饅頭蒸制方法 基本配方（質量分數，%）：面粉：100，干酵母：0.5，水：55。

工藝流程：用40 ℃溫水活化干酵母3 min，首先將面粉加入攪面機中，然后將酵母溶液、剩余水和酶（0，0.8，1.6，2.5，3.75，5 mg/kg 面粉）加入攪面機，和面20 min 后，將和好的面團蓋一層濕布常溫下放置10 min。然后手揉面團10 min，將揉好的面團分成100 g 的小面團，搓制成圓柱狀饅頭坯，在38 ℃、 相對濕度75%的條件下醒發(fā)45 min，醒發(fā)完成后將饅頭坯蒸制20 min。蒸好的饅頭在室溫（15～20 ℃）冷卻1 h 后，分別測定各指標。

1.6.2 饅頭品質評定 質量：電子天平測定。

體積：采用油菜籽置換法測定。

比容和延展率：在樣品的不同位置分別測量寬度和高度4 次，取平均值。比容為饅頭體積與質量之比 （cm3/g），延展率為饅頭寬度與高度之比（mm/mm）。

硬度測定：用刀將饅頭從中間部分切開，左右各切出厚度為15 mm 的饅頭片，4 個饅頭可切出8個測試用的饅頭片。硬度用Brookfield 質構儀測得，探頭直徑6 mm，TPA 測試條件：預測試速度為1 mm/s，測試速度為1 mm/s，后測速度為1 mm/s，引發(fā)力為5 g，壓縮距離為50%。

饅頭顏色的測定：采用色度儀測定饅頭皮及饅頭芯剖面的L（亮或白）、a（紅色和綠色）和b（黃色和藍色）。

2 結果與分析

2.1 葡萄糖氧化酶的分離純化

粗酶液經過濃縮，結果見表2，經硫酸銨鹽析、DEAE-Sepharose Fast Flow 離子交換層析以及Sephacryl S-200 凝膠過濾層析曲線如圖1、2、3所示，酶的分離純化結果見表3。從整個分離過程來看，分離效果好，純化倍數高。

表2 聚乙二醇濃縮結果Table2 The results of PEG enrichment

圖1 不同硫酸銨飽和度下的上清液酶活力及蛋白含量的變化曲線Fig.1 Effect of ammonium sulphate content on the GOD activity and the protein content of filtrate after precipitation

圖2 DEAE Sepharose Fast Flow 離子交換柱層析Fig.2 DEAE Sepharose Fast Flow ion exchange chromatography

圖3 SephacrylS-200 凝膠過濾層析Fig.3 SephacrylS-200 gel filtration chromatography

表3 黑曲霉1504 產葡萄糖氧化酶的純化總結Table3 Summary of GOD purification from 1504

2.2 SDS-PAGE 鑒定酶的純度及測定分子質量

采用SDS-PAGE 法檢測葡萄糖氧化酶的純化過程及純度，圖4為黑曲霉菌株1504 所產葡萄糖氧化酶提純步驟得到的電泳圖，從圖中可以看出最終得到的葡萄糖氧化酶蛋白在SDS-PAGE 凝膠上呈現(xiàn)單一條帶，說明該葡萄糖氧化酶達到了電泳純，分析得到該葡萄糖氧化酶的亞基分子質量為75.2 ku，然后經Sephacryl S-100 凝膠過濾層析測得該酶的分子質量為150.4 ku，由此證明黑曲霉菌株1504 所產葡萄糖氧化酶為雙亞基分子。

圖4 黑曲霉菌株1504 所產葡萄糖氧化酶純化過程的電泳圖Fig.4 SDS-PAGE of purified GOD from 1504

2.3 酶的性質鑒定

2.3.1 最適pH 值和pH 穩(wěn)定性 由圖5可知，黑曲酶1504 菌株發(fā)酵得到的葡萄糖氧化酶純酶最適反應條件為偏酸性，在pH 5.5～7 之間，隨著pH值的增加，葡萄糖氧化酶活力顯著下降，說明堿性條件不利于該酶反應，這與黑曲霉H1-9b 所產葡萄糖氧化酶的性質相近[17]。進一步測定得到該葡萄糖氧化酶催化反應的最適pH 值條件為磷酸緩沖液pH 6.1。

由圖6可知，將該酶在不同pH 值下保存24 h 和72 h，酶活力的損失趨勢一致，保存24 h 時，在pH 5.5～7 范圍內，得到的殘余酶活力均大于90%，而在pH 4.5～8 范圍內殘余酶活力大于70%。保存72 h，酶液在pH 5～7 之間，殘余酶活力大于70%。說明了黑曲霉1504 菌株所產葡萄糖氧化酶在pH 5～7 之間有較強的穩(wěn)定性。

2.3.2 最適溫度和溫度穩(wěn)定性 由圖7可知，黑曲霉1504 所產葡萄糖氧化酶的最適反應溫度為40 ℃。由圖8可知，該酶在20～40 ℃條件下保存1～5 h，酶活力很穩(wěn)定，處理5 h 后葡萄糖氧化酶殘余酶活力仍在90%左右；在50 ℃下處理4 h，殘余酶活力大于75%，處理5 h 后殘余酶活力為63%。高于60 ℃處理1 h 酶活力損失嚴重，在70 ℃下處理2 h 后，酶活力幾乎全部喪失。

圖5 pH 值對葡萄糖氧化酶活力的影響Fig.5 Effect of pH on activity of purified GOD from 1504

圖6 葡萄糖氧化酶的pH 穩(wěn)定性Fig.6 Effect of pH on the stability of GOD from 1504

圖7 葡萄糖氧化酶的最適反應溫度Fig.7 Optimal temperature of purified GOD from 1504

圖8 葡萄糖氧化酶在不同溫度下的穩(wěn)定性Fig.8 Stability of purified GOD from 1504 at different temperatures

2.3.3 金屬離子的影響 由圖9可知，金屬離子Na+、K+、Li+、Mg2+在1～7 mmol/L 的濃度范圍內對于黑曲霉菌株1504 所產葡萄糖氧化酶的活力影響不大，金屬離子Pb2+在1～7 mmol/L 的各個濃度下都對該酶活力有一定的促進作用。Mn2+、Zn2+、Al3+、Co2+、Ba2+等幾種離子在1～7 mmol/L 濃度下對該葡萄糖氧化酶的活力都有一定的抑制作用。而在試驗選擇的所有離子中，Ag+對于酶液的葡萄糖氧化酶活性抑制最強，幾乎完全抑制酶活性。這與大部分文獻中研究得到的結果基本一致[14，17，20]。

圖9 金屬離子對葡萄糖氧化酶活力的影響Fig.9 Effect of metal ions the GOD from 1504

2.3.4 動力學參數 在不同的葡萄糖濃度 （25～200 mmol/L）下測定葡萄糖氧化酶活力，以葡萄糖濃度的倒數1/S 為橫坐標，以酶活力倒數1/V 為縱坐標，采用Lineweaver-Burk 法作圖，從而求得黑曲酶菌株1504 產葡萄糖氧化酶的Km為36.7 mmol/L，Vmax為20.83 μmol/（L·s）。

2.4 葡萄糖氧化酶對饅頭品質的改良

2.4.1 葡萄糖氧化酶對饅頭體積的影響 從圖10 中可以清楚的看到隨著加酶量的增加，饅頭體積隨之增大，當加酶量為2.5 mg/kg 時，饅頭的體積最大為268.7 mL，加酶量繼續(xù)增大，饅頭體積反而有減小的趨勢，因此最適加酶量為2.5 mg/kg。Rasiah[21]、謝潔[22]等在試驗中也發(fā)現(xiàn)，適當添加葡萄糖氧化酶可以有效增大面包的烘焙體積。

2.4.2 葡萄糖氧化酶對饅頭比容和延展率的影響葡萄糖氧化酶添加量對饅頭比容和延展率的影響趨勢類似，都是隨加酶量的增加先增大后減小。GOD 添加量為2.5 mg/kg 時，饅頭比容和延展率最大（與對照相比分別提高了13.7%和6.5%）。加酶量大于2.5 mg/kg 時，饅頭的比容和延展率反而下降，在0.8～3.75 mg/kg 試驗范圍內，比容和延展率仍高于空白組。試驗中，葡萄糖氧化酶的最佳添加量為2.5 mg/kg，此時的饅頭與對照組以及其它加酶量的饅頭相比，體積、比容和延展率最大，饅頭芯組織結構更加蓬松。

2.4.3 葡萄糖氧化酶對饅頭硬度的影響 葡萄糖氧化酶添加到面粉中，對饅頭硬度有很大改善效果，試驗結果見圖12。從圖12 中可知，對照組饅頭硬度為768.55 g，隨著葡萄糖氧化酶添加量的增加，在0.8～2.5 mg/kg 范圍內，饅頭的硬度迅速下降，加酶量為2.5 mg/kg 時，饅頭最為松軟，硬度下降315.78 g，僅為空白對照的41.1%；繼續(xù)增加葡萄糖氧化酶的添加量時，饅頭硬度反而開始增加，然而試驗所選加酶量的饅頭硬度均低于空白對照組。國外研究者Caballero 等[23]發(fā)現(xiàn)添加一定量的GOD 可以降低面包的硬度，而效果不如試驗中GOD 對面頭硬度的影響明顯，只降低為對照組的87.5%。林金劍等[24]對于葡萄糖氧化酶改善多谷物饅頭硬度的研究發(fā)現(xiàn)，GOD 也可以改善饅頭的硬度，可是改善效果與本研究相比程度較低。綜上說明，不同來源菌株所產葡萄糖氧化酶都可改善面制品硬度，而效果因菌株來源不同而有所差異。

圖10 葡萄糖氧化酶添加量對饅頭體積的影響Fig.10 Effect of GOD on Chinese steamed bread volume

圖11 葡萄糖氧化酶添加量對饅頭比容和延展率的影響Fig.11 Effect of glucose oxygenase addition on specific volume and durability of steamed bread

圖12 葡萄糖氧化酶添加量對饅頭芯硬度的影響Fig.12 Effect of GOD on the firmness of Chinese steamed bread

2.4.4 葡萄糖氧化酶對饅頭色度的影響 對色度的研究發(fā)現(xiàn)，添加葡萄糖氧化酶后饅頭皮的白度略有增長，增長程度并不明顯，對饅頭芯表面色度的影響也有相同趨勢，均在加酶量為1.6 mg/kg 時色度最白，繼續(xù)增大葡萄糖氧化酶添加量，饅頭白度逐漸下降且不穩(wěn)定。總體來說，GOD 的添加對于饅頭的白度影響不大。張芳芳[25]、方曉波[26]等專門研究了酶制劑對饅頭色度的影響，其結果表明葡萄糖氧化酶對饅頭色度有一定的改善作用。

綜上，選擇葡萄糖氧化酶改善饅頭品質的最適加酶量2.5 mg/kg，在此條件下饅頭的體積、比容、延伸率及硬度均最佳。

表4 葡萄糖氧化酶對饅頭色度的影響Table4 Effect of GOD on the color of Chinese steamed bread

3 結論

對黑曲霉菌株液體發(fā)酵得到的葡萄糖氧化酶粗酶液經PEG 20000 濃縮、 硫酸銨鹽析、DEAE Sepharose Fast Flow 離子交換層析和SephacrylS-200 凝膠過濾層析得到電泳純的葡萄糖氧化酶蛋白帶。整個純化過程酶活回收率為27.07%，純化倍數為51.13。經凝膠過濾層析測得酶的分子質量為150.2 ku，SDS-PAGE 法測定該酶的亞基分子質量為75.1 ku，證明該葡萄糖氧化酶為雙亞基分子。黑曲霉葡萄糖氧化酶在pH 6.1 的磷酸緩沖體系下酶活力最高，在30 ℃時，該酶在pH 4.5～8.0范圍內處理24 h 比較穩(wěn)定，殘余酶活力大于70%。該酶最適反應溫度為40 ℃，在50 ℃下處理4 h，殘余酶活大于75%，處理5 h 后殘余酶活力為63%，因此該酶具有較好的熱穩(wěn)定性。在金屬離子中，Pb2+對酶促反應的促進作用最強，Ag+對酶促反應的抑制作用最強。利用雙倒數作圖法求得黑曲霉菌株1504 產葡萄糖氧化酶的Km為36.7 mmol/L，Vmax為20.83 μmol/（L·s）。將經過研究的葡萄糖氧化酶添加到饅頭中，當加酶量為2.5 mg/kg 時，饅頭外觀質量最佳，體積、比容和延展率也均為最大。添加0.8～2.5 mg/kg 的葡萄糖氧化酶，能明顯降低饅頭的硬度，最佳加酶量為2.5 mg/kg，此時饅頭硬度最弱，僅為對照組的41.1%。而對饅頭色度的研究發(fā)現(xiàn)，添加葡萄糖氧化酶后對饅頭皮和饅頭芯的白度有輕微改善作用，效果不明顯。