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Chemical modification of porcine pancreatic lipase by functional ionic liquid

功能化离子液体化学修饰猪胰脂肪酶的催化性能



全 文 :第 12卷第 3期
2014年 5月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 3
May 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 03􀆰 008
收稿日期:2012-12-19
基金项目:国家高技术研究发展计划 ( 863 计划) ( 2011AA02A209);国家杰出青年科学基金 ( 21225626);国家自然科学基金青年基金
(20906049);国家自然科学基金重点项目(20936002)
作者简介:初旭明(1977—),男,黑龙江佳木斯人,硕士研究生,研究方向:生物化工;胡  燚(联系人),副教授,E⁃mail:huyi@ njtech􀆰 edu􀆰 cn
功能化离子液体化学修饰猪胰脂肪酶的催化性能
初旭明1,贾  儒1,杨  姣1,黄  和1,胡  燚1,2
(1􀆰 南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 211800; 2􀆰 材料化学工程国家重点实验室,南京 210009)
摘  要:选取氯化 1 羧甲基 3 甲基咪唑、氯化 1 羧甲基 3 乙基咪唑、氯化 1 羧甲基 3 丁基咪唑 3种离子液
体对猪胰脂肪酶(PPL)进行化学修饰,得到 3种修饰的脂肪酶分别命名为 PPL M、PPL E、PPL B。 以三乙酸甘
油酯水解为模型反应,考察离子液体修饰前后 PPL的活力、热稳定性、耐有机溶剂性等酶学性质,并通过紫外光谱
研究修饰对 PPL空间结构的影响。 结果表明:修饰后 PPL的活力明显提高,对温度和 pH 的敏感度降低。 修饰酶
的热稳定性明显提高,在高浓度的甲醇及 N,N 二甲基甲酰胺(DMF)中仍能保持游离酶活力的 100%。 修饰后酶
的特征吸收峰发生红移,吸收强度增强,修饰后酶的微环境发生了改变。
关键词:酶;离子液体;化学修饰;猪胰脂肪酶
中图分类号:Q643􀆰 3        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)03-0042-05
Chemical modification of porcine pancreatic lipase by functional ionic liquid
CHU Xuming1,JIA Ru1,YANG Jiao1,HUANG He1,2,HU Yi1,2
(1􀆰 College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China;
2􀆰 State Key Laboratory of Materials⁃Oriented Chemical Engineering,Nanjing 210009,China)
Abstract: Porcine pancreatic lipase ( PPL ) was modified with functionalized ionic liquids
([HOOCMMIm][Cl],and [HOOCEMIm][Cl],[HOOCBMIm] [Cl]) 􀆰 Activity in buffer and organic
solvents,thermostability,and ultraviolet spectrum of the modified PPL were compared with those of the
unmodified PPL in the triacetin hydrolysis reaction􀆰 The results showed that modified enzymes were more
tolerant to temperature and low pH changes and had both higher activity and stability􀆰 Functionalized ionic
liquids modification enhanced thermal stability of PPL􀆰 Enzymes contained 100% activity of PPL in high
concentration of methanol and N,N⁃dimethylformamide(DMF) after modification􀆰 After PPL was modified
by functionalized ionic liquids,red shift of PPL characteristic ultraviolet peak and absorbance increase
occurred due to changes of lipase microenvironment􀆰
Key words:enzyme;ionic liquid;modification;porcine pancreas lipase
    脂肪酶(lipase,EC 3􀆰 1􀆰 1􀆰 3)主要是指一类能够
催化甘油三酯水解生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或
二酯的酶[1-2],广泛应用于水解或醇解、酯合成、酯
交换、内酯合成、多肽合成、高聚物合成及立体异构
体拆分等有机合成反应,是目前用途最广泛的酶催
化剂之一[3]。 猪胰脂肪酶(porcine pancreas lipase,
PPL)是一类重要的脂肪酶,在食品、化妆品、医药、
洗涤剂和畜牧业等领域中均有广泛应用[4]。 然而,
PPL的应用仍然存在一些不足,如一般具有实际应
用价值的目标化合物并不是它的天然底物;PPL 活
力不高,在有机溶剂、高温、极端 pH 等非天然环境
下极易失活等,这些不利因素限制了 PPL 在工业上
进一步的广泛应用。 因此,对 PPL 进行分子改性以
强化其催化性能,为工业应用提供活性更高、稳定
性更好、环境耐受性更强的新酶品种,具有重要的
实际应用价值[5]。
化学修饰具有廉价、周期短、实验室可行、容易
创造新型的酶学性质等优点,是对脂肪酶进行分子
改性的一种重要手段[6-7]。 虽然化学修饰 PPL已经
取得了一定的研究进展,但仍然局限于脂肪酸、氨
基酸、酸酐、聚乙二醇(PEG)和多糖等常用修饰剂
的研究,修饰酶的催化活性、稳定性、耐有机溶剂性
等性能往往不能同时得到有效的改善以满足反应
的需要。
离子液体近年来在生物催化领域的应用越来
越广泛,脂肪酶、蛋白酶、糖苷酶、醇氰酶、氧化还原
酶等多种酶都在离子液体中显示出了很好的稳定
性[8]。 在离子液体中酶催化的区域、对映体选择性
往往都有所增加,尤其作为高极性底物的酶催化反
应介质,离子液体显示出了巨大的潜力[9]。 笔者所
在课题组将功能化离子液体作为酶固定化载体材
料 SBA 15的表面修饰剂[10-12],结果表明修饰载体
固定化的酶对温度、pH 等的稳定性得到了有效提
升,而且相对活力较游离酶有了较大提高。 在固定
化方法中,离子液体作为载体修饰剂。 近几年,
Bekhonche等[13-14]首次提出了离子液体修饰酶的新
型化学修饰方法,用含羟基的咪唑、吡咯等离子液
体修饰甲酸脱氢酶,修饰酶的活性和稳定性得到了
显著提升。 这些研究说明离子液体不仅可以作为
反应介质用于酶催化反应中,还可以分别用作固定
化载体及酶分子自身的修饰剂,目前还没有其他用
功能化离子液体修饰脂肪酶的报道。 本文以 PPL
为例,希望发展一种酶分子改造的新方法。
1  材料与方法
1􀆰 1  药品与试剂
PPL购自 Sigma公司并在 0 ~ 4 ℃下保存,酶的
蛋白质含量为 9􀆰 3%,以三乙酸甘油酯为底物时比
酶活力为 362 U / g(45 ℃、pH 7􀆰 5)。 3 种离子液体
氯化 1 羧甲基 3 甲基咪唑(99%)、氯化 1 羧甲
基 3 乙基咪唑(99%)、氯化 1 羧甲基 3 丁基咪
唑(99%)购自上海成捷化学有限公司。 1 乙基
(3 二甲基氨基丙基)碳二亚胺(98%)、N 羟基琥
珀酰亚胺(98%)、吗啉乙磺酸(97%)购自阿拉丁试
剂公司。 其余试剂购自国药集团化学试剂有限公
司,均为分析纯。
1􀆰 2  离子液体的活化
取 0􀆰 001 mol的离子液体,加入 0􀆰 001 2 mol 1
乙基 (3 二甲基氨基丙基)碳二亚胺及 0􀆰 111 5
mol N 羟基琥珀酰亚胺,在 5 mL 的吗啉乙磺酸溶
液中,室温搅拌反应 2 h后停止[5]。
1􀆰 3  活化的离子液体修饰 PPL
取 2 g PPL用去离子水溶解,向酶溶液中缓慢
加入活化的离子液体,在 0 ~ 4 ℃下,磁力搅拌 6 h
后,在去离子水中透析 24 h备用。 修饰度的测量通
过三硝基苯磺酸法才测定[15]。
1􀆰 4  蛋白质含量测定
按照 Bradford[16]的方法,以牛血清蛋白作为标
准蛋白质绘制标准曲线。 测定酶液的吸光值,根据
标准曲线计算蛋白浓度。
1􀆰 5  酶活的测定
1)三乙酸甘油酯乳化液的制备   将 6􀆰 83 g 三
乙酸甘油酯在强力搅动下缓慢加入磷酸缓冲液(pH
7􀆰 0),得到三乙酸甘油酯乳化液,再加入磷酸盐缓
冲液定容至 100 mL。
2)酶活测定   取 10 mL 上述制备的三乙酸甘
油酯乳化液于 100 mL锥形瓶中,再加入 15 mL磷酸
盐缓冲液(pH 7􀆰 5),于 50 ℃、150 r / min 下预热 5
min,然后向其中加入酶开始反应。 反应 10 min 后
取出,立即加入 15 mL 乙醇终止反应。 用 0􀆰 025
mol / L的 NaOH 溶液滴定,记录 NaOH 的消耗量。
在一定条件下,每分钟酶催化三乙酸甘油酯生成 1
μmol乙酸所需要的酶量,定义为一个酶活单位
(U)。
1􀆰 6  最适温度及最适 pH的检测
1)最适温度  调节反应缓冲液 pH为 7􀆰 0,分别
在 30、35、40、45、50、55、60 和 65 ℃下水浴反应 10
min,取出测定酶活。
2)最适 pH   调节反应液的 pH 分别为 6􀆰 0、
6􀆰 5、7􀆰 0、7􀆰 5和 8􀆰 0,50 ℃下水浴反应 10 min,取出
测定酶活。
1􀆰 7  酶的热稳定性
将酶置于 50 ℃水浴中保温,分别在 0、0􀆰 5、1、
2、4、6和 8 h取出,冷却至室温,再测定酶活。 酶活
34  第 3期 初旭明等:功能化离子液体化学修饰猪胰脂肪酶的催化性能
测定方法同 1􀆰 5。 设保温 0 h 时的游离酶的初始酶
活为 100%。
1􀆰 8  有机溶剂耐受性
在酶活测定的反应体系中,加入不同浓度的有
机溶剂,测定修饰前后 PPL在有机溶剂中的催化稳
定性,设不含有机溶剂体系游离酶的初始酶活
为 100%。
1􀆰 9  紫外光谱测定
室温下,取相同浓度的 PPL、PPL M、PPL E
和 PPL B在紫外可见分光光度计上分别测定其紫
外可见吸收光谱,测定范围为 240~340 nm。
2  结果与讨论
2􀆰 1  水解活力的考察
表 1为经修饰后的酶与 PPL 的表观比酶活力
的数据。
表 1  酶的水解活力
Table 1  Hydrolytic activity of enzymes
酶 比酶活力 /(U·g-1) 修饰度 / %
PPL 318􀆰 56±12􀆰 3
PPL M 553􀆰 87±24􀆰 8 41􀆰 1±3􀆰 4%
PPL E 474􀆰 56±23􀆰 2 32􀆰 4±2􀆰 6%
PPL B 422􀆰 15±12􀆰 7 18􀆰 4±1􀆰 5%
  注:反应条件为 50 ℃、150 r / min反应 10 min,pH 7􀆰 5 水解三乙
酸甘油酯。
由表 1可知:猪胰脂肪酶在经过修饰之后,活力
有明显的提高,说明离子液体修饰脂肪酶的方法有
利于水解活力的提高。 其中离子液体修饰的酶,随
着修饰度的增加活力增大,含短链的修饰有更好的
水解活力,是游离酶的 1􀆰 74 倍,而邻苯二甲酸酐对
PPL的修饰只提高了 25%的水解活力[17]。 随着修
饰剂的链长的增大,活力呈降低的趋势。
2􀆰 2  最适温度的考察
根据经典酸碱滴定的方法,在不同温度下考察
酶水解三乙酸甘油酯特性,结果见图 1。 由图 1 可
知:原酶最适反应温度为 45 ℃左右;经离子液体修
饰后,PPL的最适温度向高温方向移动至 55 ℃。 与
PPL相比,修饰后的 PPL 对温度的适应范围更广。
经过修饰后的酶对在高温区相对游离酶更加趋于
平缓,该点证明酶的离子液体修饰有助于提高温度
的耐受性。
图 1  温度对 PPL活力的影响
Fig􀆰 1  Effects of temperature on activity of PPL
2􀆰 3  最适 pH的考察
在不同 pH条件下考察猪胰脂肪酶的三乙酸甘
油酯水解特性,结果如图 2所示。 由图 2可知:修饰
酶及游离酶的最适反应 pH 均为 7􀆰 5,修饰的 PPL
在 6􀆰 0~ 8􀆰 0 之间对 pH 的敏感度明显降低,离子液
体的修饰拓宽了酶的使用范围。
图 2  pH对修饰酶酶活的影响
Fig􀆰 2  Effects of pH on activity of modified lipases
2􀆰 4  热稳定性的考察
热稳定性是酶催化工业化应用的一个重要因
素。 图 3 为酶的热稳定性实验结果。 由图 3 可知:
游离酶的热稳定性较差,酶活下降快。 在保温 2 h
后,酶活仅为初始酶活的 20%。 PPL M、PPL E
及 PPL B的热稳定性均显著提高;在保温 8 h 后,
残余酶活仍然保持在游离酶初始酶活的 60%以上,
尤其是长链的离子液体修饰的酶,酶活降低的更缓
慢,热稳定性更好。
2􀆰 5  有机溶剂对酶活的影响
2􀆰 5􀆰 1  甲醇对酶活的影响
在 pH 7􀆰 5、30 ℃不同甲醇体积分数的条件下,
测定 PPL、PPL M、PPL E 及 PPL B 的活力变
化,结果见图 4。
由图 4 可知:反应体系中加入不同体积分数的
44 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
图 3  修饰酶的热稳定性
Fig􀆰 3  Thermal stability of modified lipases
图 4  甲醇对酶活的影响
Fig􀆰 4  Effects of methanol on modified lipases
甲醇时,游离酶的相对活力一直在降低。 而 3 种修
饰酶的活力则是先升高,在高浓度的含甲醇体系中
会下降,这可能是修饰后的酶在低浓度的甲醇中仍
能维持构象稳定,而高浓度的甲醇会破坏部分氢键
从而造成酶的解折叠。 3 种酶的变化趋势比较一
致,且普遍高于 PPL,3 种修饰酶的活力大小顺序
(从大到小)为 PPL M、PPL E、PPL B,但 PPL
B的活力在含低浓度的甲醇中增加幅度高于其他 2
种修饰酶,在含高浓度的甲醇中的活力降低程度要
低于其余 2种修饰酶。
2􀆰 5􀆰 2  N,N 二甲基甲酰胺(DMF)对酶活的影响
在 pH7􀆰 5、30 ℃不同 DMF 体积分数的条件下,
测定 PPL、PPL M、PPL E 及 PPL B 的活力变
化,结果见图 5。
由图 5 可知:在反应体系中加入不同体积分数
的 DMF 时,游离酶的活力一直在降低,而修饰酶
均保持了较高的活力,在反应体系中存在 80%的
DMF时,3 种修饰酶的活力仍然保持游离酶 100%
的相对活力以上。 3 种修饰酶在不同浓度的 DMF
的反应体系中,酶活变化趋势一致,修饰酶的水解
活性均高于原酶 PPL。 在含低浓度 DMF中,PPL
M的酶活高于其他 2 种修饰酶,在 DMF 浓度不断
图 5  DMF对酶活的影响
Fig􀆰 5  Effects of DMF on modified lipases
增加中,PPL B 的活力受影响程度最弱,在 70%
以上的 DMF体积分数中活力下降比例低于其他 2
种修饰酶, PPL 修饰后的耐 DMF 的性能明显
提高。
2􀆰 6  紫外光谱表征
图 6为脂肪酶 PPL、PPL M、PPL E 及 PPL
B的紫外光谱变化图。
图 6  酶的紫外吸收光谱
Fig􀆰 6  UV spectra of lipases
由图 6可知:PPL经离子液体修饰后,紫外吸收
光谱峰型未发生明显变化,说明修饰后对 PPL 的空
间结构没有造成明显的影响,但原 270 nm处的吸收
峰发生轻微红移,PPL M、PPL E 及PPL B的最
大吸收波长值分别为 271、272 及 275 nm,修饰酶的
紫外吸光值均有所提高。
3  结  论
以 3种阴离子的咪唑类离子液体对 PPL 进行
化学修饰,修饰后的 PPL 水解活力明显提升,修饰
度越高,水解活力越高,且随着修饰剂的链长的增
大,活力呈降低的趋势。 与原酶相比,修饰酶的热
稳定、有机溶剂中的催化性能等酶学性质都得到了
提高。
54  第 3期 初旭明等:功能化离子液体化学修饰猪胰脂肪酶的催化性能
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(责任编辑  荀志金)
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