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 03 007
收稿日期:2012-12-12
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划)(2009CB72470);江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ12_0440)
作者简介:王 欢(1988—),女,山东招远人,硕士研究生,研究方向:生物酶固定化及催化;韩萍芳(联系人),教授,E⁃mail:hpf@ njtech edu cn
海泡石吸附固定化猪胰脂肪酶
王 欢1,2,胡集铖1,李 亚1,韩萍芳1
(1 南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 211800;2 上海市尚德实验学校,上海 201315)
摘 要:以海泡石作为猪胰脂肪酶(PPL)的固定化载体,考察采用物理吸附的方法制备固定化脂肪酶的条件。 结
果表明:在固载时间 4 h、反应磷酸盐(PBS)溶液 pH 6 0、反应温度 25 ℃时,可达最大比酶活 309 U / g,固定化酶的
化学稳定性和热稳定性均较高。 同时利用红外谱仪(FT IR)和扫描电子显微镜(SEM)的分析手段对固定化猪胰
脂肪酶试样进行分析,进一步确定了海泡石材料在固定化酶中的作用。
关键词:固定化;猪胰脂肪酶;海泡石
中图分类号:Q814 2;TQ424 24 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2014)03-0037-05
Porcine pancreatic lipase immobilized on sepiolite
WANG Huan1,2,HU Jicheng1,Li Ya1,HAN Pingfang1
(1 College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nangjing 211800,China
2 Shanghai Shangde Experimental School,Shanghai 201315,China)
Abstract:The porcine pancreatic lipase(PPL) was immobilized on sepiolite by physical absorption.
Results showed that the adsorbed maximum activity ( 309 U / g) was observed under the conditions of
immobilization time of 4 h,reactive phosphate solution of pH 6 0,and reaction temperature 25 ℃ . The
immobilized PPL showed excellent adaptability at higher pH and better thermal stability compared with
free PPL Meanwhile, Fourier transform infrared spectrometer ( FT⁃IR), scanning electron microscopy
(SEM) were used to analyze experiment results. Results confirmed the effects of sepiolite in experiments
of lipase immobilization
Key words:immobilization;porcine pancreatic lipase;sepiolite
作为生物催化剂,酶在工业、医药、农业和食品
等各个领域有着广泛的应用[1]。 在资源、能源短缺
和环境不断恶化的今天,酶促转化已被提到相当重
要的战略高度[2]。 但是,游离酶在实际使用过程中
对环境十分敏感,同时很难从反应体系中被分离回
收和重复利用,这些缺点是酶促反应产业化的技术
瓶颈[3]。 为了克服这些问题,在 20世纪 60年代,酶
固定化技术应运而生且快速发展起来。
随着对酶固定化技术研究的深入,探索高效
廉价的载体引起了人们的重视。 海泡石具有截面
积为 0 36 nm× 1 06 nm 的管状贯穿通道及高达
900 m2 / g的理论表面积[4] 。 在通道和孔洞中可以
吸附大量的水或极性物质,包括低极性物质,因
此,海泡石具有很强的吸附能力[5] 。 由于海泡石
具有以上这些特点,使之具备作催化剂载体的良
好条件[6] 。
脂肪酶(lipase,E C 3 1 1 3,甘油酯水解酶)是
一类特殊的酯键水解酶,能分解生物产生各种天然
油脂,主要水解由甘油和 C12 原子以上的长链脂肪
酸形成的甘油三酯。 其重要特征是在异相系统
(油 水)界面上水解特殊酯(脂肪酸甘油酯)类作为
重要的工业用酶被广泛应用于食品、制革、饲料洗
涤和油脂化工等工业领域[7-8]。
笔者以海泡石为载体固定化猪胰脂肪酶
(PPL),并考察固定化酶的最适条件及稳定性、最适
pH等理化性质,以期为进一步的应用奠定基础。
1 材料和方法
1 1 材料
猪胰脂肪酶( porcine pancreas lipase,PPL),南
京奥多福尼生物技术有限责任公司;海泡石 ( 47
μm,预处理);Pluronic P123( EO20 PO70 EO20)、柠
檬酸、三乙酸甘油酯、磷酸(分析纯),国药集团化学
试剂有限公司; NaHCO3、 NaH2 PO4、 Na2 HPO4 和
NaOH(分析纯),广东汕头西陇化工厂。
1 2 分析测试仪器
DSHZ 300A 型恒温振荡器(太仓市试验设备
厂),85 1型磁力搅拌器(金坛医疗设备厂),PHS
3C型 pH 测定仪(上海盛磁仪器有限公司),GL
21M型离心机(上海离心机械研究所),Nexus 670
傅里叶红外光谱仪(FT IR) (美国 Nicolet 公司),
JEM 2010UHR高分辨透射电镜(SEM)仪(日本电
子光学公司)。
1 3 海泡石的预处理
取原矿样放入烧杯中,加入适量蒸馏水(体积
比 1 ∶5),磁力搅拌 10 min 后,水化过夜。 倾去上层
悬浮物,取中间层悬浊液。 下层沉淀物按上述方法
再处理几次,把得到的所有悬浊液抽滤,所得固体
在 105 ℃下烘干[9]。
1 4 脂肪酶的固定化
取 2 mg / mL的酶溶液 40 mL、海泡石 80 mg,加
入 100 mL 具塞三角烧瓶中,混合液在 25 ℃、110
r / min的条件下,进行酶固定化。 混合液反应到一定
时间后,取出烧瓶在 10 ℃、3 000 r / min 条件下离心
10 min。 上清液用考马斯亮蓝蛋白测试方法测定其
蛋白含量,上清液中减少的蛋白量即是海泡石材料
上所固定的酶蛋白量,固定化的酶蛋白与载体量的
比例可以由 Pa =(ρi-ρf)V / m计算得出,式中:Pa 为
单位载体上固定的酶蛋白的量(mg / g),ρi和 ρf为反
应前后酶溶液的质量浓度( g / L),V 为反应液体积
(mL),m为使用的载体质量(g)。
1 5 酶活的测定
在 100 mL的三角瓶中加入 2 g 三乙酸甘油酯、
50 mL去离子水、10 mL pH为 7 0的缓冲液,磁力搅
拌器搅拌 10 min制备成乳浊液。 当溶液 pH稳定后
记录初始 pH 值,并加入游离脂肪酶或固定化的脂
肪酶。 反应 30 min,用 0 02 mol / L的 NaOH溶液滴
定,使 pH回到初始值,记录消耗的 NaOH的量。
一个酶活(U)定义:在 40 ℃的条件下,每分钟
内催化 1 μmol底物转化为产物所需要的酶量。
2 结果与讨论
2 1 脂肪酶的固定化
2 1 1 固载时间对酶固定化的影响
在磷酸缓冲液( PBS) pH 7 0 的条件下,考察
固载时间对脂肪酶固定化的影响,结果见图 1。 由
图 1 可知:脂肪酶在海泡石的最佳固定化时间为
4 h,此时固定化酶活力达到最大值,固定化时间过
长或过短均使固定化酶活力下降。 这是因为随着
时间的延长,过多的酶吸附于载体表面,导致载体
孔道堵塞,酶蛋白分子互相屏蔽,能与底物契合的
酶数量减少。 因此,最佳固定化酶反应时间为
4 h。
图 1 固定化时间对海泡石固载猪胰
脂肪酶比酶活的影响
Fig 1 Effects of time on activities of immobilized
PPL on sepiolite
2 1 2 温度对酶固定化的影响
由于温度过高会导致酶变性失活,因此考察不
同温度(20~50 ℃)对酶固定化的影响,结果见图 2。
由图 2可知:当温度小于 30 ℃,所得固定化脂
肪酶的比酶活较高(306 U / g);但是当温度超过 30
℃时,酶活急剧下降,这是因为在固定化过程中酶
失活所致。 因此,在脂肪酶固定化过程中温度应控
制在 25~30 ℃之间比较理想,最佳温度为 25 ℃。
83 生 物 加 工 过 程 第 12卷
图 2 温度对海泡石固载猪胰脂肪酶比酶活的影响
Fig 2 Effects of temperature on activities of
immobilized PPL on sepiolite
2 1 3 pH对酶固定化的影响
考察缓冲液的 pH 对酶固定化的影响,结果如
表 1所示。
由表 1 可知:脂肪酶的固定量受 pH 的影响较
大,在 pH 5 0的缓冲液中,酶的固定量最大为 97 36
mg / g;在 pH 6 0~7 0 的缓冲液中,酶的固定量有所
降低,但不明显。 这是因为脂肪酶的等电点为 5 0,当
溶液的 pH 大于酶分子的等电点时,酶分子带负电;
当溶液的 pH 小于等电点时,酶分子带正电,同时载
体孔道内表面 pH比溶液中 pH要小,在这种情况下,
蛋白质分子表面的正电荷逐渐减少为零电荷,蛋白质
分子间的库伦力在减少,分子之间可以较紧密的单层
排列在载体的内表面[10-11],从而能在 pH 5 0~7 0时
得到较高的固定量,并使得酶分子的活力在 pH 6 0
处充分表现出来。 但在 pH 6 0~9 0之间,由于酶分
子表面所带电荷从中性变为负值,这时酶分子和载体
表面都带负电荷,彼此之间相互排斥,从而导致酶的
固定量降低,酶活降低[12]。
表 1 pH对酶固定量及酶活的影响
Table 1 Effects of pH on PPL enzymeimmobilization and
enzymatic activities on sepiolite
pH
Pa /
(mg·g-1)
比酶活 /
(U·g-1)
5 0 97 36 213
6 0 88 67 309
7 0 87 31 276
8 0 39 54 106
9 0 38 98 65
2 2 固定化酶的酶学性质
2 2 1 固定化酶的化学稳定性
考察不同 pH的磷酸缓冲液分别浸泡游离脂肪
酶和海泡石固定化脂肪酶 30 min,然后测定其酶活,
以各自未经浸泡的初始酶活力为 100%计,计算相
对酶活力,结果如图 3所示。 由图 3可知:游离脂肪
酶的酶活大大降低,最高的相对酶活力也未达到
50%,而且游离酶对酸碱非常敏感;经固定化的脂肪
酶对酸碱的耐受力明显加强,相同 pH 条件下浸泡
后固定化脂肪酶的相对活力均大于游离酶,而且固
定化脂肪酶在 pH在 5 0~9 0范围内都能维持接近
90%的较高酶活。
图 3 游离脂肪酶和固定化脂肪酶的 pH稳定性
Fig 3 Effects of pH on stability of free and
immobilized lipase
2 2 2 固定化酶的热稳定性
将游离脂肪酶和海泡石固定化脂肪酶分别置
于 60 ℃环境中处理 0 ~ 6 h,然后测定处理后的酶
活,计算相对酶活力,以各自未经热处理的初始酶
活力为 100%计,结果见图 4。
由图 4可知:游离酶在 60 ℃环境下活力下降很
快,1 h后游离酶的活力基本只有最初活力的 33%。
而对于固定化酶,其活力在 60 ℃环境下下降比较缓
慢,且反应 2 h 后固定化酶的活力仍保留最初活力
的 87%。 这说明固定化脂肪酶的热稳定性得到了
显著的提高。 酶作为一种蛋白质,其构象对热不稳
定,在高温下会因变性而失活。 当酶蛋白被固定在
载体上后,脂肪酶的三级结构可以得到保护而不至
于被高温破坏,酶活力从孔道中缓慢释放,使得固
定化酶的热稳定性得到了提高。 酶催化反应通常
会在较高温度下进行,固定化酶提高了酶作用效率
和耐热性,这无疑对酶催化反应是非常有利的。
2 2 3 固定化酶的可重复利用性
重复利用在酶催化应用方面具有很重要的作
用,尤其在工业上对于节约成本方面显得非常重
要。 图 5表示的是重复利用次数对酶活的影响结
果。 由图 5可知:固定化酶的催化活力随重复次数
93 第 3期 王 欢等:海泡石吸附固定化猪胰脂肪酶
图 4 游离脂肪酶和海泡石固定化脂肪酶的热稳定性
Fig 4 Effects of temperature on stability of free
and immobilized lipase
的增加而下降,但在经过 5次重复使用后,其活力仍
保留了 91 U / g的比酶活。 由于实验中,固定化酶使
用量比较少,在回收脂肪酶的过程时不可避免地存
在一定的损失,这可能也是导致酶活下降的原因之
一。 同时酶分子与材料之间是通过弱的分子间作
用力(氢键、范德华力)吸附,经过多次的反应、分离
和洗涤,也使得酶分子很容易从孔道中脱落[13-14]。
因此,就固定化脂肪酶本身而有,其重复使用性能
还是理想的。
图 5 使用次数对海泡石固载猪胰
脂肪酶比酶活的影响
Fig 5 Effects of reuse cycles on the activity of the
immobilized PPL on sepiolite
2 3 固定化海泡石材料的表征分析
2 3 1 FT IR分析
图 6为固定化海泡石材料的红外表征结果。 由
图 6可知:Si—O—Si对称和不对称伸缩振动峰出现
在 471、1 095 和 800 cm-1处。 这些 Si—O—Si 键形
成了 SiO2网状结构,在脂肪酶固载上去之后,该峰
的强度明显减少,是因为 Si—OH 的基团和脂肪酶
的N—H基团产生了氢键。 而且 2 850到 2 995 cm-1
处的C—H伸缩振动峰、1 577cm-1处的 C—O伸缩振
动峰、1 434 cm-1周围的 C—H 扭曲振动峰,这些脂
肪酶的特征峰都只出现在固载酶的红外图谱上[15]。
这些结果均表明,脂肪酶已成功固载在海泡石上。
图 6 海泡石材料和固定化脂肪酶的 FT IR图谱
Fig 6 FT⁃IR spectra of SEP and SEP⁃PPL
2 3 2 SEM分析
图 7为海泡石与固载后海泡石后的 SEM 照片
结果。 由图 7可知:未固载脂肪酶的海泡石和固载
后的海泡石的存在明显差异,对比可以看出脂肪酶
已经聚集固载于海泡石上。
图 7 海泡石和固定化酶的海泡石的扫描电镜照片
Fig 7 SEM images of SEP and SEP PPL
3 结 论
采用海泡石制备固定化脂肪酶具有工艺简单、
04 生 物 加 工 过 程 第 12卷
条件温和及操作方便的特点。 制备的固定化酶有
较高的酶活,其最适固载时间为 4 h,磷酸缓冲液 pH
6 0,此时比酶活为 309 U / g。 获得的固定化酶在 pH
和热稳定性的适应能力都有显著提高,固定化酶在
60 ℃环境中保存 2 h 后仍保留最初活力的 87%。
实验表明海泡石是固定化脂肪酶的良好载体。
参考文献:
[ 1 ] Katchalski⁃Katzir E Immobilized enzymes⁃learning from past
successes and failures [ J] . Trends Biotechnol, 1993, 11 ( 11):
471⁃478.
[ 2 ] Schmid A, Dordick J S, Hauer B, et al. Industrial biocatalysis
today and tomorrow[J] .Nature,2001,409:258⁃268.
[ 3 ] 游金坤,余旭亚,赵鹏.吸附法固定化酶的研究进展[ J] .化学
工程,2012,40(4):1⁃2.
[ 4 ] 张琦.海泡石吸附性能研究[D].天津:河北工业大学,2002.
[ 5 ] 宋秀芹,马建峰,杨华丽,等.海泡石澄清作用在菜汁制作中
的应用[J] .化学世界,1996,37(7):349⁃351.
[ 6 ] 邓庚风,罗来涛,陈昭平,等.海泡石的性能及其应用[ J] .江西
科学,1999,17(1):61.
[ 7 ] Jaeger K E,Eggert T. Lipases for biotechnology [ J] . Curr Opin
Biotechnol,2002,13(4):390⁃397.
[ 8 ] 刘海洲,吴小飞,牛佰慧,等.脂肪酶在食品工业中的应用与
研究进展[J] .粮食加工,2008,33(5):55⁃57.
[ 9 ] 张晴,陈勇.海泡石对有机染料吸附作用的研究[J] .青岛大学
学报:自然科学版,1995,8(2):73⁃77.
[10] Vinu A, Murugesan V, Tangermann O, et al. Adsorption of
cytochrome c on mesoporous molecular sieves: influence of pH,
pore diameter, and aluminum incorporation [ J] . Chem Mater,
2004,16(16):3056⁃3065.
[11] Vinu A,Murugesan V,Hartmann M,et al.Adsorption of lysozyme
over mesoporous molecular sieves MCM⁃41 and SBA⁃15:influence
of pH and aluminum incorporation [ J] . J Phys Chem B,2004,
108:7323⁃7330.
[12] Katiyar A, Lei L, Smirniotis P, et al. Protein adsorption on the
mesoporous molecular sieve silicate SBA⁃15: effects of pH and
pore size[J] .J Chromatogr A,2005,1069:119⁃126.
[13] Ma H, He J, Evans D G, et al. Immobilization of lipase in a
mesoporous reactor based on MCM⁃41[J] . J Mol Catal B:
Enzymatic,2004,30(5 / 6):209⁃217.
[14] Yadav G D, Jadhav S R. Synthesis of reusable lipases by
immobilization on hexagonal mesoporous silica and encapsulation
in calcium alginate: transesterification in non⁃aqueousmemdium
[J] .Microporous Mesoporous Mater,2005,86:215⁃222.
[15] Zhu Kai,Wang Jianqiang,Wang Yanhua,et al.Synthesis of retinyl
palmitate catalyzed by Candida sp.99⁃125 lipase immobilized on
fiber⁃like SBA⁃15 [ J] . J Nanosci Nanotechnol, 2011, 11 ( 9):
7593⁃7602.
(责任编辑 荀志金)
14 第 3期 王 欢等:海泡石吸附固定化猪胰脂肪酶