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
参考文献:
[ 1 ] Hasan F, Shah A A, Hameed A. Industrial applications of
microbial lipases [ J] . Enzyme Microb Technol, 2006, 39 ( 2):
235⁃251.
[ 2 ] Yang J K, Guo D Y, Yan Y J. Cloning expression and
characterization of a novel thermal stable and short⁃chain alcohol
tolerant lipase from Burkholderia cepacia strain G63 [ J] . J Mol
Catal B:Enzymatic,2007,45(3 / 4):91⁃96.
[ 3 ] 胡文静,谭天伟,王芳.改性壳聚糖固定化脂肪酶的研究[ J] .
生物工程学报,2007,23(4):667⁃671.
[ 4 ] Mendes A A, Oliveira P C, de Castro H F. Properties and
biotechnological applications of porcine pancreatic lipase [ J] . J
Mol Catal B:Enzymatic,2012,78:119⁃134.
[ 5 ] Evran S, Telefoncu A. Modification of porcine pancreatic lipase
with z⁃proline [ J] . Prep Biochem Biotechnol, 2005, 35 ( 3 ):
191⁃201.
[ 6 ] Díaz⁃Rodríguez A, Davis B G. Chemical modification in the
creation of novel biocatalysts[J] .Curr Opin Chem Biol,2011,15
(2):211⁃219.
[ 7 ] Rodrigues R C,Murcia A B,Lafuente R F. Coupling Chemical
modification and immobilization to improve the catalytic
performance of enzymes[ J] . Adv Synth Catal,2011,353( 13):
2216⁃2238.
[ 8 ] Armand M, Endres F, MacFarlane D R, et al. Ionic⁃liquid
materials for the electrochemical challenges of the future [ J] .
Nature Material,2009,8(6):621⁃629.
[ 9 ] Zhang Q H, Zhang S G, Deng Y Q. Recent advances in ionic
liquid catalysis[J] .Green Chem,2011,13(10):2619⁃2637.
[10] Zou B,Hu Y,Yu D H,et al.Immobilization of porcine pancreatic
lipase onto ionic liquid modified mesoporous silica SBA⁃15[ J] .
Biochem Eng J,2010,539(1):150⁃153.
[11] Yang J,Hu Y,Jiang L,et al.Enhancing the catalytic properties of
porcine pancreatic lipase by immobilization on SBA⁃15 modified
by functionalized ionic liquid [ J] . Biochem Eng J, 2013, 70:
46⁃54.
[12] Hu Y,Tang S S, Jiang L, et al. Immobilization of Burkholderia
cepacia lipase on functionalized ionic liquids modified mesoporous
silica SBA⁃15[J] .Process Biochem,2012,47(12):2291⁃2299.
[13] Bekhouche M, Blum L J, Doumeche B. Ionic liquid⁃inspired
cations covalently bound to formate dehydrogenase improve its
stability and activity in ionic liquids[ J] .ChemCatChem,2011,3
(5):875⁃882.
[14] Bekhouche M,Doumeche B,Blum L J.Chemical modification of
stem bromelain with anhydride groups to enhance its stability and
catalytic activity[J] .J Mol Catal B:Enzymatic,2010,65(3 / 4):
73⁃78.
[15] Xue Y,Wu C Y,White C J B,et al.Chemical modification of stem
bromelain with anhydride groups to enhance its stability and
catalytic activity[J] .J Mol Catal B:Enzymatic,2010,63(3 / 4):
188⁃193.
[16] Bradford M. A rapid and sensitive method for the detection of
microgram quantities of proteins [ J] . Anal Biochem,1976,72:
248⁃254.
[17] 熊亚红,苏健鸿,刘小平.邻苯二甲酸酐修饰脂肪酶的性能研
究[J] .华南农业大学学报,2011,32(2):122⁃124.
(责任编辑 荀志金)
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