馬鈴薯酯?；饷傅奶匦匝芯?/h1>
2019-12-19 07:55:58吳喬羽徐姍楠楊丹璐龔盛祥吳金鴻王正武
食品與機(jī)械 2019年11期
吳喬羽 - 徐姍楠 - 翁 晴 楊丹璐 - 龔盛祥 -張 維 吳金鴻 - 王正武 -
(1. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 510300；3. 農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)
馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)為茄科屬一年生草本植物，塊莖含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素等營養(yǎng)成分，除可供人類食用外，工業(yè)用途也十分廣泛。作為全球第四大糧食作物，馬鈴薯廣泛分布在世界各大地區(qū)，其加工業(yè)發(fā)展十分迅速[1]。馬鈴薯工業(yè)的發(fā)展造成數(shù)量龐大的馬鈴薯廢液(potato fruit juice，PFJ)被排放。PFJ中干物質(zhì)含量為20～50 g/kg，其中粗蛋白含量占1/3[2]。目前，利用超濾膜處理馬鈴薯廢液，能夠從中回收馬鈴薯蛋白及低聚糖；采用“冷凍催化氧化絮凝吸附”工藝可以使馬鈴薯廢液中有機(jī)物沉淀，所產(chǎn)生的沉淀有作為飼料或飼料添加劑的潛力[3]。然而這些處理馬鈴薯廢液的方法均存在耗時(shí)耗力、不適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的缺點(diǎn)。
馬鈴薯塊莖中的蛋白質(zhì)一般分成三類：Patain(分子量39～45 kDa)、蛋白酶抑制劑(分子量5～25 kDa)、其他蛋白(分子量50 kDa以上)。Patain是一組特異性存在于馬鈴薯塊莖中的球類糖蛋白，占塊莖總蛋白的40%左右，自然條件下以二聚體的形式存在，其等電點(diǎn)的范圍為pH 4.45～5.17[4]。作為馬鈴薯塊莖貯藏類蛋白，Patain除具有抗氧化活性[5]外，還具有良好的乳化性、發(fā)泡性和凝膠性[6]。這些特性使其能作為一種良好的食品添加劑應(yīng)用于食品加工[7]。此外，與其他塊莖貯藏蛋白質(zhì)有所不同的是，Patain具有非特異性酯?；饷富钚?LAH)，對于磷脂、糖酯、單?；投；视汀㈤L鏈脂肪酸酯等都具有一定的特異性[8]。與脂肪酶在油水界面發(fā)揮作用不同，酯類酰基水解酶對于脂類的作用是在溶液中進(jìn)行。Patatin具備的這種酶活性與植物的生長過程有著密切關(guān)聯(lián)，其可以水解細(xì)胞內(nèi)的多種底物，釋放出大量的脂肪酸，為三羧酸循環(huán)和β-氧化作用提供能源[9]。
目前雖然已有較多關(guān)于馬鈴薯酯酰基水解酶提取純化的方法：膨脹床吸附法[10]、基因表達(dá)法[11]、磁性殼聚糖微球法[12]、凝膠色譜法[13]等，但是這些方法需要多個(gè)純化步驟，或者在預(yù)處理階段引入了化學(xué)試劑，導(dǎo)致蛋白質(zhì)容易變性且純化效率低不利于后續(xù)研究及工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，目前對于馬鈴薯酯酰基水解酶的研究主要集中于分子水平[14]，解釋Patatin作為酯酰基水解酶(LAH)的特性、活性機(jī)理以及影響因素的研究相對較少，關(guān)于其在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還十分有限。試驗(yàn)擬從馬鈴薯汁水(PFJ)中提取純度較高的Patatin，并且以單分散態(tài)脂肪作為底物，深入且系統(tǒng)探討Patatin作為酯?；饷?LAH)的酶學(xué)特性，為今后將Patatin作為新型天然酶制劑應(yīng)用在食品加工領(lǐng)域提供一定的理論指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
1.1.1 材料與試劑
馬鈴薯全粉(凍干粉末)：克新1號，上海綠晟實(shí)業(yè)有限公司；
Q-Sephrose Fast Flow：生化級，美國GE Healthcare公司；
電泳上樣緩沖液：分析純，上海碧云天生物技術(shù)有限公司；
考馬斯亮藍(lán)G-250：分析純，北京索萊寶科技有限公司；
對硝基苯乙酸酯(p-Nitrophenylacetate，PNP-acrtate)：分析純，美國Sigma公司；
其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.1.2 主要儀器設(shè)備
pH計(jì)：FE20型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；
恒溫混勻器：THERMOMIXER C型，艾本德中國有限公司；
電泳儀：EPS300型，上海天能科技有限公司；
GeneGenius紫外凝膠圖像儀：TANON 3500型，美國Synegene公司；
離心機(jī)：J6-MI型，美國貝克曼庫爾特有限公司；
紫外—可見分光光度計(jì)：UV-2802S型，上海UNIC公司；
純水系統(tǒng)：Milli-Q Biocel型，美國Millipore公司。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 模擬馬鈴薯汁水(PFJ)的制備 取適量馬鈴薯全粉，按照1 g/10 mL的比例溶解于去離子水中，并添加0.5 g/100 mL 的NaHSO3，置于恒溫混勻器上攪拌1 h，然后離心取上清液，保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 馬鈴薯粗蛋白的提取 根據(jù)崔竹梅等[15]的試驗(yàn)方法做適當(dāng)修改：將制備得到的上清液pH調(diào)至4.0，靜置10 min后，攪拌1 h，在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min，取沉淀，復(fù)溶于20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)中，0.45 μm 濾膜過濾后得粗蛋白液。
1.2.3 離子交換柱層析 根據(jù)孫瑩等[16]的試驗(yàn)方法做適當(dāng)修改：Q-Sepharose Fast Flow(2.6 cm×20 cm)柱子用5倍柱體積清水清洗，5倍柱體積pH 7的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液平衡后，取5 mL粗蛋白液上柱，用20 mmol/L 磷酸鹽緩沖液淋洗5倍柱體積，收集離子交換穿透峰，然后用含有1 mol/L NaCl的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)洗脫，在280 nm波長下檢測吸光度值，收集離子交換洗脫液。透析后冷凍干燥，保存于-20 ℃冰箱中，備用。
1.2.4 SDS-PAGE電泳分析 取10 mg冷凍干燥后的樣品配制成5 mg/mL蛋白液，從中取40 μL于EP管中，并加入10 μL上樣緩沖液，混合后將EP管置于沸水中孵育5 min，然后用12%聚丙烯酰胺凝膠分離蛋白樣品，電泳緩沖液為1×Tris-甘氨酸電極緩沖液，濃縮膠電壓80 V，分離膠電壓120 V。電泳結(jié)束后，取出分離膠，用考馬斯亮藍(lán)染液染色30 min，隨后用脫色液脫色至透明。在全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光圖像分析系統(tǒng)上拍照分析[17-18]。
1.2.5 馬鈴薯酯酰基水解粗酶液的制備 取冷凍干燥后得到的樣品粉末用去離子水配制成6 mg/mL的蛋白液，轉(zhuǎn)移至離心管中，3 000 r/min離心5 min，收集上清液作為試驗(yàn)用粗酶液。
1.2.6 酯?；饷富钚詼y定 參照Racusen[19]的方法，稍作修改。稱取63 mg PNP-acrtate，溶解于10 mL乙醇中，從中取1 mL加99 mL去離子水定容至100 mL。反應(yīng)體系包括：2.5 mL 0.1 mol/L Tris-HCl (pH 8.2)、2.5 mL PNP-acrtate稀釋液和1 mL酶液。在37 ℃水浴中保溫25 min后，加入6 mL 95%乙醇終止反應(yīng)，冷卻至室溫后用紫外分光光度計(jì)在波長410 nm下測定吸光值(A410 nm)。每組試驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次，以每分鐘A410 nm變化0.01為一個(gè)酶活力單位(U)，按式(1)計(jì)算酶比活。
(1)
式中：
U——酶比活，U/(min·mg·蛋白)；
△A——反應(yīng)時(shí)間內(nèi)吸光值的變化值；
W——樣品蛋白質(zhì)的含量，mg；
T——反應(yīng)時(shí)間，min。
1.2.7 酶反應(yīng)溫度對酯酰基水解酶的影響 固定pH為8.2，酶反應(yīng)時(shí)間25 min，考察酶反應(yīng)溫度(25，30，35，37，40，45，50，55，60 ℃)對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?。
1.2.8 酶反應(yīng)時(shí)間對酯酰基水解酶的影響 固定pH為8.2，酶反應(yīng)溫度37 ℃，考察酶反應(yīng)時(shí)間(5，10，15，20，25，30，35，40，45 min)對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響。
1.2.9 pH對酯?；饷富钚缘挠绊?固定酶反應(yīng)溫度37 ℃，酶反應(yīng)時(shí)間25 min，考察pH(4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響。
1.2.10 酯酰基水解酶熱穩(wěn)定性的測定 固定pH為8.2，將酶液分別在40，50，60，70，80，90 ℃水浴中保溫10，30，60，90，120，180 min，然后測定酶活性。
(2)
式中：
c——相對酶活，%；
m——試驗(yàn)測定酶活，U；
n——最大酶活，U。
1.3 數(shù)據(jù)處理
使用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Graphpad Prism 6.0軟件繪圖。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算顯著性P(取α=0.05)，以P<0.05為差異有顯著性。
2 結(jié)果與分析
2.1 馬鈴薯粗蛋白的色譜分離及Patatin鑒定
馬鈴薯粗蛋白按照1.2.2方法提取制備后，再經(jīng)過Q-Sepharose Fast Flow陰離子交換色譜柱分離，得到3個(gè)色譜分離峰(見圖1)。與孫瑩等[16]得出的馬鈴薯粗蛋白離子交換色譜圖進(jìn)行對比分析，初步判斷3號峰是目的蛋白所在峰。收集3號峰洗脫液，濃縮并對其進(jìn)行電泳分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，峰3在41～42 kDa 相對分子量位置有一條主要的蛋白質(zhì)條帶，與文獻(xiàn)[20]中所得到的馬鈴薯Patatin的蛋白分子量基本一致，說明經(jīng)過Q-Sepharose Fast Flow陰離子交換色譜柱分離并用1 mol/L NaCl的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)洗脫液洗脫下來的組分中含有Patatin這一目的蛋白，并從條帶的相對灰度來看，該蛋白的相對含量達(dá)到90%以上。因此，后續(xù)以該組分為主要研究對象進(jìn)行馬鈴薯酯?；饷傅奶匦苑治?。
圖1 馬鈴薯粗蛋白離子交換色譜
1. 標(biāo)記Marker 2～3. 馬鈴薯粗蛋白 3～4. 陰離子柱層析蛋白
圖2 Q-Sepharose fast flow離子交換層析組分的SDS-PAGE圖譜
Figure 2 SDS-PAGE of the fraction by Q-Sepharose fast flow ion-exchange chromatography
2.2 酶反應(yīng)溫度對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/h3>
圖3結(jié)果表明，馬鈴薯酯?；饷冈?5～37 ℃時(shí)，其活性隨著溫度的升高逐漸提高(P<0.05)，在37 ℃時(shí)活性達(dá)到最大，之后酯?；饷傅幕钚噪S著溫度升高呈現(xiàn)下降的趨勢(P<0.05)。因此，馬鈴薯酯酰基水解酶的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。在Racusen等[21]的研究中，馬鈴薯酯?；饷傅淖钸m酶反應(yīng)溫度為25～35 ℃，與試驗(yàn)結(jié)果有稍許差異，可能是由于使用了不同的馬鈴薯品種和提取方式得到了亞基組成不同的Patatin。馬鈴薯酯酰基水解酶本質(zhì)是一類活性蛋白質(zhì)，溫度過高導(dǎo)致蛋白變性，從而部分或全部失去水解活性。在常態(tài)下，天然Patatin的二級結(jié)構(gòu)中含有46%的β-折疊和33%的α-螺旋，并且Patatin在原始狀態(tài)下是一種三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的球狀蛋白，色氨酸包埋在其疏水內(nèi)核中。當(dāng)Patatin所處體系中溫度低于45 ℃時(shí)，其二級結(jié)構(gòu)保持不變。當(dāng)體系溫度在45～55 ℃時(shí)，Patatin中α-螺旋含量下降，三級結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，內(nèi)部的色氨酸逐漸向外暴露[22]。當(dāng)體系溫度超過55 ℃時(shí)，α-螺旋含量迅速下降，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位[23]。Creusot等[24]研究表明，Patatin的變性溫度為59 ℃，比其他蛋白例如β-乳球蛋白、大豆蛋白的低20 ℃，可能是因?yàn)镻atatin分子內(nèi)缺乏穩(wěn)定的二硫鍵。
圖3 溫度對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
2.3 酶反應(yīng)時(shí)間對馬鈴薯酯?；饷傅挠绊?/h3>
從圖4可以看出，隨著酶反應(yīng)時(shí)間的增加，馬鈴薯酯?；饷傅幕钚猿尸F(xiàn)增加的趨勢(P<0.05)，當(dāng)時(shí)間超過25 min以后，底物與酶的作用趨于飽和狀態(tài)，酶的活力保持平緩，甚至略有下降(P>0.05)。因此馬鈴薯酯酰基水解酶水解底物的最適酶反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為25 min。
2.4 pH對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
從圖5可以看出，前期馬鈴薯酯酰基水解酶的水解活力隨著pH的增大而增大(P<0.05)，當(dāng)pH達(dá)到8.2時(shí)，酶水解活力達(dá)到最大值，之后隨著pH的增大而減小(P<0.05)，因此最適pH為8.2。Pots等[25]研究表明，酸性條件下，Patatin的蛋白結(jié)構(gòu)不可逆變性從而導(dǎo)致酶活性部分損失。當(dāng)pH<4.5，即低于等電點(diǎn)時(shí)，由于天冬氨酸和谷氨酸殘基質(zhì)子化，Patatin的凈電荷變?yōu)殛栃裕@種靜電相互作用的改變造成了Patatin的部分去折疊，此時(shí)Patatin二級結(jié)構(gòu)的α-螺旋和β-折疊含量比較低。當(dāng)pH為5時(shí)，Patatin的三級結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變。pH為6～8時(shí)，其構(gòu)象是最穩(wěn)定的。當(dāng)pH>8時(shí)，Patatin二級結(jié)構(gòu)中的α-螺旋含量低于20%，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量逐漸上升[26]。酶分子的活性中心與可解離基團(tuán)的結(jié)合狀態(tài)一般隨著體系溶液pH的變化而變化，影響酶和底物的結(jié)合，最適pH條件下，酶分子部位的活性基團(tuán)可以與底物結(jié)合，發(fā)揮出最大的酶效力。當(dāng)pH過高或者過低時(shí)，酶的構(gòu)象會在一定程度上發(fā)生改變，導(dǎo)致酶活性的部分或全部喪失。Gambuti等[27]將Patatin作為一種澄清劑添加到葡萄酒中，研究其去除澀味的能力。由于等電點(diǎn)值低于紅酒的pH值，Patatin在葡萄酒中的溶解度較低，其在發(fā)揮澄清劑的作用后，易于分離且不造成影響。通過研究pH值對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊懀梢詾閷atatin作為食品添加劑應(yīng)用于食品工業(yè)中提供理論指導(dǎo)。
圖4 時(shí)間對馬鈴薯酯酰基水解活性的影響
圖5 pH對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/p>
2.5 馬鈴薯酯?；饷傅臒岱€(wěn)定性
從圖6中可以看出，在40 ℃下酯酰基水解酶的活性未出現(xiàn)明顯的下降(P>0.05)；在50，60，70，80，90 ℃保溫10 min后，酶活性均顯著下降(P<0.05)。其中，在50 ℃下處理10 min時(shí)酶活力為未處理的56%，處理180 min 后酶活力為未處理的13%；在60 ℃下處理10 min 時(shí)酶活力僅為未處理的29%，處理180 min后酶活力僅為未處理的13%；在70 ℃下處理120 min、80 ℃下處理90 min、90 ℃下處理60 min后，酶的活性接近于喪失。說明熱處理溫度對于酯?；饷傅幕钚杂休^大的影響，并且當(dāng)熱處理溫度低于50 ℃時(shí)有較好的穩(wěn)定性。馬鈴薯酯?；饷傅幕钚圆粌H與熱處理溫度有關(guān)，與熱處理時(shí)間也有著密切的關(guān)聯(lián)。Patatin的變性溫度在59 ℃左右，當(dāng)處理溫度低于40 ℃時(shí)，馬鈴薯酯?；饷傅慕Y(jié)構(gòu)與溫度的變化之間沒有明顯的相關(guān)性，低溫長時(shí)間處理不會大幅度降低馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?；當(dāng)處理溫度超過50 ℃以后，短時(shí)間的處理也會大大降低馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?。Patatin可以水解奶酪中水溶性強(qiáng)、疏水性小的甘油三酯，釋放可以提高風(fēng)味的游離脂肪酸。研究[28]發(fā)現(xiàn)，使用巴氏殺菌法來處理成熟后奶酪，Patatin會失去活性，并且能產(chǎn)生較低水平的副反應(yīng)。
圖6 馬鈴薯酯酰基水解酶的熱穩(wěn)定性
2.6 金屬離子對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/h3>
從圖7可以看出，不同類型的金屬離子對?；饷傅幕钚杂绊懯遣煌摹Ｔ诜磻?yīng)體系中添加Fe2+、Fe3+、Mg2+可以提高酶的活性，其中Fe2+可以明顯提高酯?；饷傅幕钚?。在反應(yīng)體系中添加Na+對酯?；饷傅幕钚詻]有促進(jìn)或抑制作用。添加K+、Ca2+能降低酯酰基水解酶的活性，其中5 mmol/L K+的抑制作用是10 mmol/L K+的兩倍；低濃度和高濃度的Ca2+均明顯降低了酯?；饷傅幕钚?。不同濃度的Al3+和Zn2+對酯?；饷赋尸F(xiàn)出不同的影響作用，5 mmol/L Al3+對于酶活性有促進(jìn)作用，而10 mmol/L Al3+對酶活則沒有明顯影響。5 mmol/L Zn2+對于酶活有促進(jìn)作用，而10 mmol/L Zn2+則抑制了酶的水解活力。金屬離子通過與酶活性部位的結(jié)合來影響酶的活力，不同種類和濃度的金屬離子對酶的結(jié)構(gòu)和功能起到不同的作用[29]，因此對酶解過程的影響不同。一般來說，低濃度的金屬離子與酶通過非特異性的靜電相互作用，而高濃度的金屬離子對酶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通常會產(chǎn)生不利的影響[30]。Fe2+、Fe3+、Mg2+、5 mmol/L Al3+、5 mmol/L Zn2+對馬鈴薯酯酰基水解酶的活性有促進(jìn)作用，可能是因?yàn)檫@些金屬離子能與Patatin的特定部位結(jié)合，改變了酶催化反應(yīng)平衡性質(zhì)和馬鈴薯酯?；饷傅谋砻骐姾?。K+、Ca2+抑制了馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?，可能是由于這兩種金屬離子使Patatin活性中心的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，降低了其分解底物的能力[31]。10 mmol/L Zn2+降低了馬鈴薯酯酰基水解酶的活性，可能是由于過量的Zn2+與Patatain活性中心發(fā)生了相互作用，并且與活性中心的金屬離子發(fā)生了置換反應(yīng)，生成了新的配位化合物，從而影響了馬鈴薯酯類酰基水解酶對底物的分解[32]。
圖7 金屬離子對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
3 結(jié)論
試驗(yàn)從模擬生產(chǎn)廢水中提取分離馬鈴薯粗蛋白，對影響馬鈴薯酯?；饷富钚缘囊蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明，馬鈴薯酯?；饷冈?7 ℃時(shí)具有較高的活性，且在pH為8.2的條件中維持水解反應(yīng)10 min時(shí)，水解活性較高；馬鈴薯酯?；饷冈?0～50 ℃時(shí)具有一定的熱穩(wěn)定性，溫度高于60 ℃以后，酶的活性開始陸續(xù)出現(xiàn)較大的損失；外源添加的不同金屬離子對馬鈴薯酯酰基水解酶表現(xiàn)出不同的影響，例如K+和Ca2+對馬鈴薯酯?；哂兴庖种谱饔茫蜐舛鹊腁l3+和Zn2+促進(jìn)了馬鈴薯酯?；饷傅乃庾饔?，相反地，高濃度的Al3+和Zn2+對馬鈴薯酯?；饷妇哂谢钚砸种谱饔?。試驗(yàn)選取了單分散態(tài)脂肪對硝基苯乙酸酯為底物，探討了不同酶反應(yīng)條件對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?。今后，可以從其他不同脂肪底物種類(單?；蚨；姿嶂?、單酰甘油、二酰甘油、半乳糖脂肪)入手，探討不同酶反應(yīng)條件對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?，同時(shí)分析酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)特征，為馬鈴薯酯?；饷傅纳疃妊芯亢凸I(yè)化應(yīng)用提供更有力的理論依據(jù)。
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(1. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 510300；3. 農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)
馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)為茄科屬一年生草本植物，塊莖含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素等營養(yǎng)成分，除可供人類食用外，工業(yè)用途也十分廣泛。作為全球第四大糧食作物，馬鈴薯廣泛分布在世界各大地區(qū)，其加工業(yè)發(fā)展十分迅速[1]。馬鈴薯工業(yè)的發(fā)展造成數(shù)量龐大的馬鈴薯廢液(potato fruit juice，PFJ)被排放。PFJ中干物質(zhì)含量為20～50 g/kg，其中粗蛋白含量占1/3[2]。目前，利用超濾膜處理馬鈴薯廢液，能夠從中回收馬鈴薯蛋白及低聚糖；采用“冷凍催化氧化絮凝吸附”工藝可以使馬鈴薯廢液中有機(jī)物沉淀，所產(chǎn)生的沉淀有作為飼料或飼料添加劑的潛力[3]。然而這些處理馬鈴薯廢液的方法均存在耗時(shí)耗力、不適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的缺點(diǎn)。
馬鈴薯塊莖中的蛋白質(zhì)一般分成三類：Patain(分子量39～45 kDa)、蛋白酶抑制劑(分子量5～25 kDa)、其他蛋白(分子量50 kDa以上)。Patain是一組特異性存在于馬鈴薯塊莖中的球類糖蛋白，占塊莖總蛋白的40%左右，自然條件下以二聚體的形式存在，其等電點(diǎn)的范圍為pH 4.45～5.17[4]。作為馬鈴薯塊莖貯藏類蛋白，Patain除具有抗氧化活性[5]外，還具有良好的乳化性、發(fā)泡性和凝膠性[6]。這些特性使其能作為一種良好的食品添加劑應(yīng)用于食品加工[7]。此外，與其他塊莖貯藏蛋白質(zhì)有所不同的是，Patain具有非特異性酯?；饷富钚?LAH)，對于磷脂、糖酯、單?；投；视汀㈤L鏈脂肪酸酯等都具有一定的特異性[8]。與脂肪酶在油水界面發(fā)揮作用不同，酯類酰基水解酶對于脂類的作用是在溶液中進(jìn)行。Patatin具備的這種酶活性與植物的生長過程有著密切關(guān)聯(lián)，其可以水解細(xì)胞內(nèi)的多種底物，釋放出大量的脂肪酸，為三羧酸循環(huán)和β-氧化作用提供能源[9]。
目前雖然已有較多關(guān)于馬鈴薯酯酰基水解酶提取純化的方法：膨脹床吸附法[10]、基因表達(dá)法[11]、磁性殼聚糖微球法[12]、凝膠色譜法[13]等，但是這些方法需要多個(gè)純化步驟，或者在預(yù)處理階段引入了化學(xué)試劑，導(dǎo)致蛋白質(zhì)容易變性且純化效率低不利于后續(xù)研究及工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，目前對于馬鈴薯酯酰基水解酶的研究主要集中于分子水平[14]，解釋Patatin作為酯酰基水解酶(LAH)的特性、活性機(jī)理以及影響因素的研究相對較少，關(guān)于其在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還十分有限。試驗(yàn)擬從馬鈴薯汁水(PFJ)中提取純度較高的Patatin，并且以單分散態(tài)脂肪作為底物，深入且系統(tǒng)探討Patatin作為酯?；饷?LAH)的酶學(xué)特性，為今后將Patatin作為新型天然酶制劑應(yīng)用在食品加工領(lǐng)域提供一定的理論指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
1.1.1 材料與試劑
馬鈴薯全粉(凍干粉末)：克新1號，上海綠晟實(shí)業(yè)有限公司；
Q-Sephrose Fast Flow：生化級，美國GE Healthcare公司；
電泳上樣緩沖液：分析純，上海碧云天生物技術(shù)有限公司；
考馬斯亮藍(lán)G-250：分析純，北京索萊寶科技有限公司；
對硝基苯乙酸酯(p-Nitrophenylacetate，PNP-acrtate)：分析純，美國Sigma公司；
其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.1.2 主要儀器設(shè)備
pH計(jì)：FE20型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；
恒溫混勻器：THERMOMIXER C型，艾本德中國有限公司；
電泳儀：EPS300型，上海天能科技有限公司；
GeneGenius紫外凝膠圖像儀：TANON 3500型，美國Synegene公司；
離心機(jī)：J6-MI型，美國貝克曼庫爾特有限公司；
紫外—可見分光光度計(jì)：UV-2802S型，上海UNIC公司；
純水系統(tǒng)：Milli-Q Biocel型，美國Millipore公司。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 模擬馬鈴薯汁水(PFJ)的制備 取適量馬鈴薯全粉，按照1 g/10 mL的比例溶解于去離子水中，并添加0.5 g/100 mL 的NaHSO3，置于恒溫混勻器上攪拌1 h，然后離心取上清液，保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 馬鈴薯粗蛋白的提取 根據(jù)崔竹梅等[15]的試驗(yàn)方法做適當(dāng)修改：將制備得到的上清液pH調(diào)至4.0，靜置10 min后，攪拌1 h，在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min，取沉淀，復(fù)溶于20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)中，0.45 μm 濾膜過濾后得粗蛋白液。
1.2.3 離子交換柱層析 根據(jù)孫瑩等[16]的試驗(yàn)方法做適當(dāng)修改：Q-Sepharose Fast Flow(2.6 cm×20 cm)柱子用5倍柱體積清水清洗，5倍柱體積pH 7的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液平衡后，取5 mL粗蛋白液上柱，用20 mmol/L 磷酸鹽緩沖液淋洗5倍柱體積，收集離子交換穿透峰，然后用含有1 mol/L NaCl的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)洗脫，在280 nm波長下檢測吸光度值，收集離子交換洗脫液。透析后冷凍干燥，保存于-20 ℃冰箱中，備用。
1.2.4 SDS-PAGE電泳分析 取10 mg冷凍干燥后的樣品配制成5 mg/mL蛋白液，從中取40 μL于EP管中，并加入10 μL上樣緩沖液，混合后將EP管置于沸水中孵育5 min，然后用12%聚丙烯酰胺凝膠分離蛋白樣品，電泳緩沖液為1×Tris-甘氨酸電極緩沖液，濃縮膠電壓80 V，分離膠電壓120 V。電泳結(jié)束后，取出分離膠，用考馬斯亮藍(lán)染液染色30 min，隨后用脫色液脫色至透明。在全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光圖像分析系統(tǒng)上拍照分析[17-18]。
1.2.5 馬鈴薯酯酰基水解粗酶液的制備 取冷凍干燥后得到的樣品粉末用去離子水配制成6 mg/mL的蛋白液，轉(zhuǎn)移至離心管中，3 000 r/min離心5 min，收集上清液作為試驗(yàn)用粗酶液。
1.2.6 酯?；饷富钚詼y定 參照Racusen[19]的方法，稍作修改。稱取63 mg PNP-acrtate，溶解于10 mL乙醇中，從中取1 mL加99 mL去離子水定容至100 mL。反應(yīng)體系包括：2.5 mL 0.1 mol/L Tris-HCl (pH 8.2)、2.5 mL PNP-acrtate稀釋液和1 mL酶液。在37 ℃水浴中保溫25 min后，加入6 mL 95%乙醇終止反應(yīng)，冷卻至室溫后用紫外分光光度計(jì)在波長410 nm下測定吸光值(A410 nm)。每組試驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次，以每分鐘A410 nm變化0.01為一個(gè)酶活力單位(U)，按式(1)計(jì)算酶比活。
(1)
式中：
U——酶比活，U/(min·mg·蛋白)；
△A——反應(yīng)時(shí)間內(nèi)吸光值的變化值；
W——樣品蛋白質(zhì)的含量，mg；
T——反應(yīng)時(shí)間，min。
1.2.7 酶反應(yīng)溫度對酯酰基水解酶的影響 固定pH為8.2，酶反應(yīng)時(shí)間25 min，考察酶反應(yīng)溫度(25，30，35，37，40，45，50，55，60 ℃)對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?。
1.2.8 酶反應(yīng)時(shí)間對酯酰基水解酶的影響 固定pH為8.2，酶反應(yīng)溫度37 ℃，考察酶反應(yīng)時(shí)間(5，10，15，20，25，30，35，40，45 min)對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響。
1.2.9 pH對酯?；饷富钚缘挠绊?固定酶反應(yīng)溫度37 ℃，酶反應(yīng)時(shí)間25 min，考察pH(4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響。
1.2.10 酯酰基水解酶熱穩(wěn)定性的測定 固定pH為8.2，將酶液分別在40，50，60，70，80，90 ℃水浴中保溫10，30，60，90，120，180 min，然后測定酶活性。
(2)
式中：
c——相對酶活，%；
m——試驗(yàn)測定酶活，U；
n——最大酶活，U。
1.3 數(shù)據(jù)處理
使用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Graphpad Prism 6.0軟件繪圖。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算顯著性P(取α=0.05)，以P<0.05為差異有顯著性。
2 結(jié)果與分析
2.1 馬鈴薯粗蛋白的色譜分離及Patatin鑒定
馬鈴薯粗蛋白按照1.2.2方法提取制備后，再經(jīng)過Q-Sepharose Fast Flow陰離子交換色譜柱分離，得到3個(gè)色譜分離峰(見圖1)。與孫瑩等[16]得出的馬鈴薯粗蛋白離子交換色譜圖進(jìn)行對比分析，初步判斷3號峰是目的蛋白所在峰。收集3號峰洗脫液，濃縮并對其進(jìn)行電泳分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，峰3在41～42 kDa 相對分子量位置有一條主要的蛋白質(zhì)條帶，與文獻(xiàn)[20]中所得到的馬鈴薯Patatin的蛋白分子量基本一致，說明經(jīng)過Q-Sepharose Fast Flow陰離子交換色譜柱分離并用1 mol/L NaCl的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7)洗脫液洗脫下來的組分中含有Patatin這一目的蛋白，并從條帶的相對灰度來看，該蛋白的相對含量達(dá)到90%以上。因此，后續(xù)以該組分為主要研究對象進(jìn)行馬鈴薯酯?；饷傅奶匦苑治?。
圖1 馬鈴薯粗蛋白離子交換色譜
1. 標(biāo)記Marker 2～3. 馬鈴薯粗蛋白 3～4. 陰離子柱層析蛋白
圖2 Q-Sepharose fast flow離子交換層析組分的SDS-PAGE圖譜
Figure 2 SDS-PAGE of the fraction by Q-Sepharose fast flow ion-exchange chromatography
2.2 酶反應(yīng)溫度對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/h3>
圖3結(jié)果表明，馬鈴薯酯?；饷冈?5～37 ℃時(shí)，其活性隨著溫度的升高逐漸提高(P<0.05)，在37 ℃時(shí)活性達(dá)到最大，之后酯?；饷傅幕钚噪S著溫度升高呈現(xiàn)下降的趨勢(P<0.05)。因此，馬鈴薯酯酰基水解酶的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。在Racusen等[21]的研究中，馬鈴薯酯?；饷傅淖钸m酶反應(yīng)溫度為25～35 ℃，與試驗(yàn)結(jié)果有稍許差異，可能是由于使用了不同的馬鈴薯品種和提取方式得到了亞基組成不同的Patatin。馬鈴薯酯酰基水解酶本質(zhì)是一類活性蛋白質(zhì)，溫度過高導(dǎo)致蛋白變性，從而部分或全部失去水解活性。在常態(tài)下，天然Patatin的二級結(jié)構(gòu)中含有46%的β-折疊和33%的α-螺旋，并且Patatin在原始狀態(tài)下是一種三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的球狀蛋白，色氨酸包埋在其疏水內(nèi)核中。當(dāng)Patatin所處體系中溫度低于45 ℃時(shí)，其二級結(jié)構(gòu)保持不變。當(dāng)體系溫度在45～55 ℃時(shí)，Patatin中α-螺旋含量下降，三級結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，內(nèi)部的色氨酸逐漸向外暴露[22]。當(dāng)體系溫度超過55 ℃時(shí)，α-螺旋含量迅速下降，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位[23]。Creusot等[24]研究表明，Patatin的變性溫度為59 ℃，比其他蛋白例如β-乳球蛋白、大豆蛋白的低20 ℃，可能是因?yàn)镻atatin分子內(nèi)缺乏穩(wěn)定的二硫鍵。
圖3 溫度對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
2.3 酶反應(yīng)時(shí)間對馬鈴薯酯?；饷傅挠绊?/h3>
從圖4可以看出，隨著酶反應(yīng)時(shí)間的增加，馬鈴薯酯?；饷傅幕钚猿尸F(xiàn)增加的趨勢(P<0.05)，當(dāng)時(shí)間超過25 min以后，底物與酶的作用趨于飽和狀態(tài)，酶的活力保持平緩，甚至略有下降(P>0.05)。因此馬鈴薯酯酰基水解酶水解底物的最適酶反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為25 min。
2.4 pH對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
從圖5可以看出，前期馬鈴薯酯酰基水解酶的水解活力隨著pH的增大而增大(P<0.05)，當(dāng)pH達(dá)到8.2時(shí)，酶水解活力達(dá)到最大值，之后隨著pH的增大而減小(P<0.05)，因此最適pH為8.2。Pots等[25]研究表明，酸性條件下，Patatin的蛋白結(jié)構(gòu)不可逆變性從而導(dǎo)致酶活性部分損失。當(dāng)pH<4.5，即低于等電點(diǎn)時(shí)，由于天冬氨酸和谷氨酸殘基質(zhì)子化，Patatin的凈電荷變?yōu)殛栃裕@種靜電相互作用的改變造成了Patatin的部分去折疊，此時(shí)Patatin二級結(jié)構(gòu)的α-螺旋和β-折疊含量比較低。當(dāng)pH為5時(shí)，Patatin的三級結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變。pH為6～8時(shí)，其構(gòu)象是最穩(wěn)定的。當(dāng)pH>8時(shí)，Patatin二級結(jié)構(gòu)中的α-螺旋含量低于20%，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量逐漸上升[26]。酶分子的活性中心與可解離基團(tuán)的結(jié)合狀態(tài)一般隨著體系溶液pH的變化而變化，影響酶和底物的結(jié)合，最適pH條件下，酶分子部位的活性基團(tuán)可以與底物結(jié)合，發(fā)揮出最大的酶效力。當(dāng)pH過高或者過低時(shí)，酶的構(gòu)象會在一定程度上發(fā)生改變，導(dǎo)致酶活性的部分或全部喪失。Gambuti等[27]將Patatin作為一種澄清劑添加到葡萄酒中，研究其去除澀味的能力。由于等電點(diǎn)值低于紅酒的pH值，Patatin在葡萄酒中的溶解度較低，其在發(fā)揮澄清劑的作用后，易于分離且不造成影響。通過研究pH值對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊懀梢詾閷atatin作為食品添加劑應(yīng)用于食品工業(yè)中提供理論指導(dǎo)。
圖4 時(shí)間對馬鈴薯酯酰基水解活性的影響
圖5 pH對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/p>
2.5 馬鈴薯酯?；饷傅臒岱€(wěn)定性
從圖6中可以看出，在40 ℃下酯酰基水解酶的活性未出現(xiàn)明顯的下降(P>0.05)；在50，60，70，80，90 ℃保溫10 min后，酶活性均顯著下降(P<0.05)。其中，在50 ℃下處理10 min時(shí)酶活力為未處理的56%，處理180 min 后酶活力為未處理的13%；在60 ℃下處理10 min 時(shí)酶活力僅為未處理的29%，處理180 min后酶活力僅為未處理的13%；在70 ℃下處理120 min、80 ℃下處理90 min、90 ℃下處理60 min后，酶的活性接近于喪失。說明熱處理溫度對于酯?；饷傅幕钚杂休^大的影響，并且當(dāng)熱處理溫度低于50 ℃時(shí)有較好的穩(wěn)定性。馬鈴薯酯?；饷傅幕钚圆粌H與熱處理溫度有關(guān)，與熱處理時(shí)間也有著密切的關(guān)聯(lián)。Patatin的變性溫度在59 ℃左右，當(dāng)處理溫度低于40 ℃時(shí)，馬鈴薯酯?；饷傅慕Y(jié)構(gòu)與溫度的變化之間沒有明顯的相關(guān)性，低溫長時(shí)間處理不會大幅度降低馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?；當(dāng)處理溫度超過50 ℃以后，短時(shí)間的處理也會大大降低馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?。Patatin可以水解奶酪中水溶性強(qiáng)、疏水性小的甘油三酯，釋放可以提高風(fēng)味的游離脂肪酸。研究[28]發(fā)現(xiàn)，使用巴氏殺菌法來處理成熟后奶酪，Patatin會失去活性，并且能產(chǎn)生較低水平的副反應(yīng)。
圖6 馬鈴薯酯酰基水解酶的熱穩(wěn)定性
2.6 金屬離子對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?/h3>
從圖7可以看出，不同類型的金屬離子對?；饷傅幕钚杂绊懯遣煌摹Ｔ诜磻?yīng)體系中添加Fe2+、Fe3+、Mg2+可以提高酶的活性，其中Fe2+可以明顯提高酯?；饷傅幕钚?。在反應(yīng)體系中添加Na+對酯?；饷傅幕钚詻]有促進(jìn)或抑制作用。添加K+、Ca2+能降低酯酰基水解酶的活性，其中5 mmol/L K+的抑制作用是10 mmol/L K+的兩倍；低濃度和高濃度的Ca2+均明顯降低了酯?；饷傅幕钚?。不同濃度的Al3+和Zn2+對酯?；饷赋尸F(xiàn)出不同的影響作用，5 mmol/L Al3+對于酶活性有促進(jìn)作用，而10 mmol/L Al3+對酶活則沒有明顯影響。5 mmol/L Zn2+對于酶活有促進(jìn)作用，而10 mmol/L Zn2+則抑制了酶的水解活力。金屬離子通過與酶活性部位的結(jié)合來影響酶的活力，不同種類和濃度的金屬離子對酶的結(jié)構(gòu)和功能起到不同的作用[29]，因此對酶解過程的影響不同。一般來說，低濃度的金屬離子與酶通過非特異性的靜電相互作用，而高濃度的金屬離子對酶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通常會產(chǎn)生不利的影響[30]。Fe2+、Fe3+、Mg2+、5 mmol/L Al3+、5 mmol/L Zn2+對馬鈴薯酯酰基水解酶的活性有促進(jìn)作用，可能是因?yàn)檫@些金屬離子能與Patatin的特定部位結(jié)合，改變了酶催化反應(yīng)平衡性質(zhì)和馬鈴薯酯?；饷傅谋砻骐姾?。K+、Ca2+抑制了馬鈴薯酯?；饷傅幕钚?，可能是由于這兩種金屬離子使Patatin活性中心的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，降低了其分解底物的能力[31]。10 mmol/L Zn2+降低了馬鈴薯酯酰基水解酶的活性，可能是由于過量的Zn2+與Patatain活性中心發(fā)生了相互作用，并且與活性中心的金屬離子發(fā)生了置換反應(yīng)，生成了新的配位化合物，從而影響了馬鈴薯酯類酰基水解酶對底物的分解[32]。
圖7 金屬離子對馬鈴薯酯酰基水解酶活性的影響
3 結(jié)論
試驗(yàn)從模擬生產(chǎn)廢水中提取分離馬鈴薯粗蛋白，對影響馬鈴薯酯?；饷富钚缘囊蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明，馬鈴薯酯?；饷冈?7 ℃時(shí)具有較高的活性，且在pH為8.2的條件中維持水解反應(yīng)10 min時(shí)，水解活性較高；馬鈴薯酯?；饷冈?0～50 ℃時(shí)具有一定的熱穩(wěn)定性，溫度高于60 ℃以后，酶的活性開始陸續(xù)出現(xiàn)較大的損失；外源添加的不同金屬離子對馬鈴薯酯酰基水解酶表現(xiàn)出不同的影響，例如K+和Ca2+對馬鈴薯酯?；哂兴庖种谱饔茫蜐舛鹊腁l3+和Zn2+促進(jìn)了馬鈴薯酯?；饷傅乃庾饔?，相反地，高濃度的Al3+和Zn2+對馬鈴薯酯?；饷妇哂谢钚砸种谱饔?。試驗(yàn)選取了單分散態(tài)脂肪對硝基苯乙酸酯為底物，探討了不同酶反應(yīng)條件對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?。今后，可以從其他不同脂肪底物種類(單?；蚨；姿嶂?、單酰甘油、二酰甘油、半乳糖脂肪)入手，探討不同酶反應(yīng)條件對馬鈴薯酯?；饷富钚缘挠绊?，同時(shí)分析酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)特征，為馬鈴薯酯?；饷傅纳疃妊芯亢凸I(yè)化應(yīng)用提供更有力的理論依據(jù)。
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