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Study on immobilization of agarase by chitosan

壳聚糖固定化琼脂酶的研究



全 文 :第9卷第5期
2011年9月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.9No.5
Sep.2011
doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2011.05.001
收稿日期:2011-04-01
基金项目:国家创新性基金资助项目(101042239);山东大学科技立项重点项目专项基金资助项目(A10010)
作者简介:朱启忠(1957—),男,山东单县人,教授,研究方向:生物化学和酶工程,Email:hzzqz@sdu.edu.cn
壳聚糖固定化琼脂酶的研究
朱启忠,朱慧文,孙延娜,周晓龙,郝 梅,郭振博,刘丽丽
(山东大学威海分校 海洋学院,威海 264209)
摘 要:采用壳聚糖微球对琼脂酶进行固定化,在单因素实验的基础上用正交试验法确定最佳固定化工艺。结果
表明:在戊二醛体积分数为25%,交联时间为6h,加酶量为15mL,固定时间为3h时固定酶的活力最高;固定化
酶的最适反应温度及最适pH分别为50℃和85,高于游离酶;同时其热稳定性及操作稳定性均高于游离酶。
关键词:琼脂酶;壳聚糖;固定化
中图分类号:Q8142    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2011)05-0001-05
Studyonimmobilizationofagarasebychitosan
ZHUQizhong,ZHUHuiwen,SUNYanna,ZHOUXiaolong,HAOMei,GUOZhenbo,LIULili
(MarineColegeofShandongUniversityatWeihai,Weihai264209,China)
Abstract:Keyfactorsforagaraseimmobilizationonchitosanmicrosphereswereinvestigatedbytheorthog
onalexperimentaldesign.Theresultsshowedthatthebesteficiencyofimmobilizationwasobtainedby
usingchitosanwhenthechitosanwascrosslinkedwith25% glutaraldehydefor6h,mixedthreevolume
offreeenzymewithonegramofcarierandreactedwithagarasefor3h.TheoptimumpHandthetem
peratureoftheimmobilizedenzymewere85and50℃.Theimmobilizedenzymeshowedthatbetersta
bilityforpHandthetemperaturewashigherthanfreeenzyme.
Keywords:agarase;chitosan;immobilization
  壳聚糖(chitosan,CTS)是甲壳素的脱乙酰化产
物,无毒无味,具有良好的生物相容性,可被生物降
解,在食品、环保、医药等领域具有广阔的应用前
景。作为储量巨大的天然资源,CTS的开发与应用
越来越引起人们的重视[1-3],其中酶的固定化载体
是一个重要的领域[4-7]。因为它作为酶的载体价格
低廉,化学性质稳定,且具有良好的机械操作性,制
备工艺较简单,所以越来越受到人们的喜爱。
  琼胶酶(agarase)是降解琼胶糖的一类酶,该酶
降解琼脂产生的琼脂低聚糖可作为天然的防腐剂、
淀粉老化抑制剂、功能性食品基料、抗氧化剂
等[8-9]。但目前该酶的工业应用研究主要是针对游
离酶,而对琼脂酶的固定化研究尚未有相关报道。
为增加该酶在工业上的应用,笔者在分离纯化该酶
的基础上[10],采用壳聚糖为载体对琼脂酶进行固定
化,讨论最佳固定化条件和固定化琼脂酶的部分性
质,以期对该固定化酶在工业上的应用提供一定的
理论基础。
1 材料与方法
11 试剂
  琼脂酶:自制,生产菌株为白色噬琼胶菌 NBR
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C102603;壳聚糖(脱乙酰度 90%,178μm,黏度≤
100):济南海得贝海洋生物工程有限公司;其他常
用试剂均为分析纯。
12 仪器
  752型紫外可见分光光度计,上海光谱仪器有
限公司;BP310S电子天平、PB 10pH计,Sartorius
公司;HJ 3数显恒温磁力搅拌器,金坛宏凯仪器
厂;SHB Ⅲ循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸
易有限公司。
13 固定化酶的制备[11]
  用15%(体积分数)乙酸溶液配制1∶20(g/L)
的壳聚糖溶液,充分溶解,将壳聚糖溶液逐滴滴入
1mol/LNaOH溶液中,壳聚糖凝聚成白色颗粒,过滤
收集壳聚颗粒,用蒸馏水洗涤至中性。用pH76的
磷酸缓冲溶液浸泡过夜。取一定量的预处理的壳聚
糖载体,加入不同体积分数戊二醛溶液,水浴振荡后
置于室温下静置3~8h后用磷酸缓冲液冲洗交联载
体。加入适量琼脂酶液,于4℃冰箱中吸附交联3h,
磷酸缓冲液冲洗,真空抽滤得固定化酶。
14 酶活力的测定[12]
  游离酶活力测定:取 02mL酶液于试管中,
40℃水浴环境下加入20mL底物溶液,混匀,反应
10min后加入20mL3,5 二硝基水杨酸(DNS)溶
液,置于沸水浴中5min,然后用流动水迅速冷却,加
水至25mL,在540nm处测OD值。按每毫升发酵液
每分钟降解产生1μmol还原糖所需的酶量定义为一
个酶活力单位(U)。
  固定化酶活力的测定:取固定化酶05g,测定
方法基本同游离酶,在酶反应时保持搅拌状态,使
混合均匀。
15 固定化率的计算
  固定化率 =(游离酶的总活力 -上清液酶的总
活力)/游离酶的总活力×100%。
16 固定化酶的稳定性研究
  将固定化酶和游离酶在不同的温度条件下放置
1h后测剩余的酶活力,讨论酶的热稳定性;将固定化
酶和游离酶分别在4℃、pH5~10的不同条件下保
存48h后测定剩余的酶活力,讨论酸碱稳定性;对固
定化酶进行连续6次操作,讨论循环利用稳定性。
2 结果与讨论
21 戊二醛用量对固定酶活力的影响
  平行取05g壳聚糖于小烧杯中,分别加入不
同体积分数的戊二醛溶液50mL,按13方法制得
固定化酶,并测定其酶活力,结果如图1所示。
图1 戊二醛用量对酶活力的影响
Fig.1 Efectsofglutaraldehydeconcentration
ontheenzymaticactivity
  由图1可知:固定化酶活力随戊二醛用量增加
而增大,戊二醛体积分数达25%时,固定化酶活力
趋于稳定。戊二醛量过大,酶活反而降低,这是由
于过量的戊二醛可以导致蛋白变性。所以在该实
验条件下,最适的戊二醛体积分数是25%。
22 壳聚糖与酶量对酶活力的影响
  平行取05g壳聚糖与25%戊二醛交联物制
备的载体,各加入不同量的酶液使之固定化,按同
样方法测定酶活力,结果见图2。
图2 壳聚糖与酶量对固定化酶活力的影响
Fig.2 Efectsofchitosanandenzymequantity
ontheimmobilizedenzymeactivity
  由图2可知:随着酶量的增加,酶活力随之增
大,但当给酶量增加到一定程度时,酶活力不再增
大,这可能是由于一定量交联后的载体,其活性基
团是一定的,在其结合位点未被饱和之前,固定化
酶活力随酶量增加而增大,当结合位点被饱和后,
增加给酶量却不增加酶活力。在本实验条件下,
05g固定化载体固定3mL酶液(相当于20mg蛋
白质)效果较好,酶活回收率为565%。
2 生 物 加 工 过 程   第9卷 
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23 壳聚糖与戊二醛交联时间和酶固定化时间对
酶活力的影响
  平行取05g壳聚糖和25%的戊二醛50mL
在不同的时间交联,制备的载体分别加30mL酶液
固定不同的时间,测定其相对酶活力,结果如图 3
所示。
图3 壳聚糖与戊二醛交联时间和酶固定化
时间对固定化酶活力的影响
Fig.3 Efectsofthetimeglutaraldehydecrosslinkingwith
chitosanandenzymeimmobilizationtime
ontheimmobilizedenzymeactivity
  由图3可知:壳聚糖与戊二醛交联时间和固定
化时间都影响酶活力的大小,固定化时间影响更明
     
显。随着交联时间延长,酶活力呈现增高趋势;当
增加到一定时间后会逐渐降低,在本实验条件下,
酶的相对活力在固定3h时达到最大。
24 正交试验
  选取其中对固定化琼脂酶影响较大的戊二醛
体积分数(A)、交联时间(B)、加酶量(C)、固定化时
间(D)进行四因素三水平正交试验,设计水平及结
果如表1和表2所示。
由表1和表2可知:从固定化率来看,戊二醛
体积分数极差最大,说明其对固定化酶活性影响
最大(P<005),其次依次为固定化时间、交联时
间和固定化酶量,其最佳组合 A2B2C3D2。从固定
化酶活性看,固定化时间影响最大(P<005),其
次依次是戊二醛体积分数和交联时间和酶量,其
最优组合为 A2B3C3D3,所以综合考虑固定化率和
固定化酶活性,其优化组合为 A2B3C3D3,即戊二
醛体积分数为25%,交联时间为 6h,加酶量为
15mL(即固定化壳聚糖载体与固定化酶量比例为
1∶3),固定化时间3h。正交试验结果基本和单因
素实验相吻合。
表1 正交试验结果
Table1 Resultsoforthogonalexperiments
试验号

φ(戊二醛)/


交联时间/


加酶量/
mL

固定化时间/

酶固定
化率/

固定化
酶活/

1 1(20) 1(2) 1(5) 1(1) 8253 1753
2 2(25) 1 2(10) 2(2) 9217 4231
3 3(30) 1 3(15) 3(3) 9056 5557
4 1 2(4) 2 3 8793 1558
5 2 2 3 1 9060 2294
6 3 2 1 2 9178 3031
7 1 3(6) 3 2 8514 3526
8 2 3 1 3 9021 5604
9 3 3 2 1 8350 3347
表2 正交试验结果的统计学分析
Table2 Statisticsanalysisoforthogonalexperimentresults
误差源
固定化率/% 固定化酶活/U
A B C D A B C D
K1 8520 8842 8817 8554 2279 3841 3463 2465
K2 9099 9010 8787 8970 4043 2294 3045 3185
K3 8861 8628 8877 8957 3978 4159 3792 4240
R 579 382 090 415 1764 1665 747 1775
3 第5期 朱启忠等:壳聚糖固定化琼脂酶的研究
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25 固定化酶的性质
251 pH对酶活性的影响
取制备好的壳聚糖固定化酶05g和相应的游
离酶,在不同 pH下分别加底物与游离酶及固定化
酶作用,分别测定其相对酶活力,结果如图4所示。
图4 pH对游离酶和固定化酶活性的影响
Fig.4 EfectsofpHontheactivitiesoffree
enzymesandimmobilizedenzyme
  由图4可知:游离酶的最适pH为80,随着pH
的升高酶活性下降;对固定化酶而言,当 pH达到
85的时候相对酶活性达到最大值,固定化使酶的
最适pH往碱性方面升高05个单位。
252 温度对酶活性的影响
  取制备好的壳聚糖固定化酶05g和相应的游
离酶,在不同温度下分别加底物与游离酶及固定化
酶作用,测定它们的相对酶活力,结果如图5所示。
图5 温度对游离酶和固定化酶活性的影响
Fig.5 Efectsoftemperatureontheactivitiesoffree
enzymeandimmobilizedenzyme
  由图5可知:游离琼脂酶在40℃下表现出最高
活力,随温度升高,活力急剧下降,酶开始失活,但
对固定化酶而言,在40~60℃范围内均有较大酶
活,50℃时相对酶活力达最大值。
26 游离酶和固定化酶的热稳定性
  取制备好的壳聚糖固定化酶05g和相应的游
离酶,在不同温度下保温05h,然后加底物与其作
用,分别测定其相对酶活力,结果如图6所示。
图6 游离酶和固定化酶的热稳定性
Fig.6 Thermalstabilityoffreeenzymeand
immobilizedenzyme
  由图6可知:酶液在40℃以下短暂保温对酶活
影响较小,温度进一步提升至50℃时对游离酶活性
影响增加,损失约为2736%,而对固定化酶活力影
响仍较小。在60℃时游离酶的活性较低(40%),
而固定化酶活约为60%,80℃时酶基本都已完全没
有活性,说明固定化酶的耐热性高于游离酶。
27 固定化酶的操作稳定性
  取固定化酶05g,加05%琼脂糖底物15mL
与之反应,连续操作6次,分别测定6次反应后的酶
活力大小,结果如图7所示。
图7 固定化酶的操作稳定性
Fig.7 Batchesstabilityofimmobilizedenzyme
  酶的稳定性可以通过反应的产物(还原糖)收
率来衡量。而产物的收率可以间接地从酶活力的
大小来判断。从图7可以看出:在使用第1次的时
候固定化酶有较高的活力,说明还原糖的量较高,
也就是说产物的收率较高;第2次以后固定化酶活
力略有减少,随着使用次数的增加,酶活力逐渐减
小,使用6次后酶活力只有原来的45%左右。说明
固定化琼脂酶具有一定的反复利用性,但反复利用
性不是太强,尚需进一步研究,使得固定化酶的应
用更加经济可行。
4 生 物 加 工 过 程   第9卷 
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3 结论
以壳聚糖微球为载体固定琼脂酶工艺可行,其
最优条件:戊二醛体积分数25%,交联时间6h,加
酶量15mL,固定化时间3h。经固定化后的琼脂酶
其性质发生了部分变化,最适反应温度及最适 pH
均升高,分别为50℃和85。同时,固定化酶的热稳
定以及操作稳定性也较高,可适用于工业生产,具
有较好的应用前景。
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896901.
国内简讯
生物产业十二五规划成型 2万亿蛋糕待分
国家发改委副主任张晓强向媒体表示:“有关部门正在联合编制《生物产业发展“十二五”规划》,以进一
步加强生物产业自主创新能力建设,推动生物技术的产业化、集群化和国际化发展,使其成为我国经济社会
发展新的重要支柱产业。”据透露,未来我国生物产业将重点发展生物医药、生物农业、生物能源、生物环保、
生物服务外包五大方面;全国生物产业产值到2015年达到4万亿元,到2020年达到8万亿至10万亿元。
业内人士称,未来5年将主要强调用于重大疾病防治的生物技术药物、新型疫苗、诊断试剂、化学药物等创新
型药物品种。在《生物产业发展“十二五”规划》中,生物育种将上升至重要位置。这意味着该规划出台后,
生物领域转基因研究将进入快速发展期“国家对生物农业的资金投入和政策支持,要比‘十一五’大很多。”
稀土荧光生物标记显著提高检测灵敏度
福建物构所中科院光电材料化学与物理重点实验室陈学元小组发展了荧光生物标记的检测技术,显著
提高了检测灵敏度,在稀土无机纳米晶基时间分辨荧光共振能量传递生物标记材料研究方面取得了新进
展,即基于稀土离子的长荧光寿命特性,借助于时间分辨检测技术,通过设置合适的延迟时间和门控时间抑
制各种来自样品及仪器的背景信号对待检测物荧光信号的干扰,从而大大提高检测灵敏度和信噪比。
(胡晓丽)
5 第5期 朱启忠等:壳聚糖固定化琼脂酶的研究
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