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Enzymatic production of chitooligosaccharide and its biological functions

酶法制备壳寡糖及其生物学功能



全 文 :第 ! 卷第 # 期
$%&% 年 月
生"物"加"工"过"程
*4;?BDBW>HF?=G>EY;>9F>CBDDX?J;?BBF;?J
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收稿日期&$%%. 8%. 8$!
基金项目&四川省教育厅青年基金资助项目$$%%)Y&&$%)成都医学院省级大学生创新性实验项目$*^ $%%.$%%
作者简介&王"亮$&.!-#%"女"四川巴中人"本科生"研究方向&生物技术)杨雨晗$联系人%"讲师"XN<=;G& B`;G=;%&-eD;?=7C><
酶法制备壳寡糖及其生物学功能
王"亮"杨雨晗"吴东明"张"涛
$成都医学院 生物医学系"成都 )&%%!#%
摘"要&用正交试验方法考察温度(酶浓度(9L对蜗牛酶降解壳聚糖的影响"筛选蜗牛酶降解壳聚糖的最佳反应条
件"采用 SUS 5(PX方法分析降解产物"制备具有生物学功能的壳寡糖 用不同浓度的壳寡糖处理人肝癌LB9P$
细胞"观察细胞形态学变化"a__法检测壳寡糖对其增殖的影响"琼脂糖凝胶电泳检测U/(变化"流式细胞术检测
凋亡率$(Z% 结果表明&蜗牛酶降解壳聚糖的产物主要是聚合度为 , 以上的寡糖"更多的接近壳六糖 最佳反应
条件为 9L,f%(温度,% l(酶和底物质量比为 ,h%)壳寡糖质量浓度在 $ g, 效应"细胞经壳寡糖处理,! 4后"开始空泡化"U/(出现明显的凋亡条带"(Z明显高于对照组 在最佳反应条件下
蜗牛酶能较好地降解壳聚糖"制备的壳寡糖在一定浓度范围内能通过诱导LB9P$ 细胞发生凋亡而抑制其增殖"其
作用呈浓度依赖性
关键词&壳寡糖)凋亡)蜗牛酶
中图分类号&Z#.$f&$""""文献标志码&(""""文章编号&&)-$ 8#)-!$$%&%%%# 8%%$! 8%-
#/IBH5G.:942J3:G.2/27:-.G226.;215::-54.J05/J.G1M.262;.:5673/:G.2/1
M(/PT;=?J"Q(/PQHN4=?" MRU>?JN<;?J" KL(/P_=>
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N0B O24J1&C4;:>>G;J>D=CC4=F;@B) =9>9:>D;D) D?=;GB?3O""壳聚糖是甲壳素脱 @ 乙酰基的化合物"具有
生物可降解性(安全无毒(良好的生物兼容性,&-
但壳聚糖是长链大分子"生理条件下水溶性差"溶
液黏度大"使其作为生物效应剂的应用受到很大
限制,$- 壳寡糖是其降解产物"相对分子质量小"
水溶性好"易被分散和吸收"且许多生物学性质与
壳聚糖相似"特别是聚合度为 ) 左右的壳寡糖"有
较强的生理活性和功能,#- "具有抗氧化,,- (抗肿
瘤,- (免疫增强,)-等活性"壳寡糖在体内治疗肿瘤
时"不引起急性中毒以及体质量的迅速下降,-- "毒
副作用较小"适用于临床治疗"也可作为食品添加
剂和保健品"在食品(医药及化妆品领域有着广泛
的应用
""目前壳聚糖制备壳寡糖主要有 $ 种方法&化学
降解法$如酸解法%和酶解法 化学降解法降解效
果较好但得到较多的单糖产物"壳寡糖含量低 酶
解法主要有专一性酶解和非专一性酶解"前者虽然
对壳聚糖的降解专一性强"但目前获得壳聚糖酶菌
株的产酶能力较低"且来源有限 非专一性酶"如
木瓜蛋白酶(脂肪酶等能在短时间内迅速降低壳聚
糖黏度"得到较多的壳寡糖 单独使用 & 种非专一
性酶制备壳寡糖报道很多"但是由于酶的非专一
性"产品往往黏度较低"寡糖含量少"单糖多"产品
质量不好"或者降解反应效率低"难以实际应用,!-
近年来"采用多种非专一性酶联合降解壳聚糖制备
壳寡糖成为了研究的主流,.- 如蛋白酶(纤维素酶
等联合应用"一方面能快速降低反应物壳聚糖的黏
度"另一方面能获得大量生物活性高的聚合度为
# g-的壳寡糖 但是这种方法必须使用多种酶"且
各种酶之间必须考虑相互作用降解问题"应用上存
在诸多限制
""蜗牛酶是一种纤维素酶(果胶酶(淀粉酶(蛋白
酶等构成的混合酶"是一种非专一性降解壳聚糖的
混合酶"在食品医药工业上已经得到广泛应用 本
研究选用蜗牛酶降解壳聚糖"优化其反应条件"并
以LB9P$ 细胞为研究对象"通过体外实验探讨其生
物学活性
E?材料与方法
EPE?材料和仪器
""人肝癌细胞株 LB9P$"来自四川大学生物治疗
国家重点实验室
""壳聚糖$脱乙酰度
%
.%k%"上海伯奥生物科技
有限公司)蜗牛酶"TsD4B?JOH=? Y;>:BC4?>G>JO公司)
壳寡糖(Z/=DB((蛋白酶 c"S;J<=公司)盐酸氨基
葡萄糖"中国医药集团上海试剂公司)UaXa培养
基"P[Y*+YZT公司)小牛血清"成都榕海生物公
司)噻唑蓝$a__%"(公司)其余试剂均为国
产分析纯
""高速冷冻离心机"X99B?@>FE公司)(<;C>?
&
T:F= & 超滤管$&%,%"a;G;9>FB公司)a[/[N5Z+N
_X[/

电泳系统"Y;>NZ=@ 公司)凝胶成像系统"
PB?B公司)流式细胞仪"YU\(*S*=G;2HF_a\G>`
公司)*+
$
培养箱"_4FB<>公司)倒置相差荧光显微
镜"+GO<9HD公司)酶联免疫检测仪"Y;>_BA 5>`BF
M=]B^ S$ 公司
EPC?方法
&f$f&"酶法制备壳寡糖
""&% 壳聚糖黏度的测定"蜗牛酶液和质量分数
&k的胶体壳聚糖液"按照酶与底物质量比 &h&%% 混
合后"于,% l(9L,f% 条件下反应"分别在 %(#%()%(
.%(&$%(&% <;?测定其黏度"黏度测定方法选用乌
氏黏度计法"以各时间点加空白缓冲液的壳聚糖溶
液黏度作对照
""$% 壳寡糖制备工艺"取 $L(C%溶液" 加入蜗牛酶溶液和$ G0T的
L(CN/=(C缓冲液"于水浴锅中反应"期间不断振
荡"反应 $ 4后沸水煮沸 &% <;?"再向其中加入
%f G0T/=+L溶液", %%% F0<;?离心 <;?"
然后取上清液于超滤管$&%, %中" %%% F0<;?离心
$ <;?"收集滤液测其糖含量"进行真空冷冻干燥
将得到的试样进行 SUS 5(PX电泳
""#% 酶降解的正交试验"产物中还原糖的多少
是壳聚糖降解程度的 & 个重要指示"降解越彻底"还
原糖量越高"因此采用还原糖的量来表征降解反应
的程度 在蜗牛酶降解壳聚糖的过程中"影响产物
中还原糖量的主要因素有&酶浓度(温度(9L 所以
本实验建立三因素四水平的正交试验来找出蜗牛
酶降解壳聚糖的最佳工艺条件
"",% SUS 5(PX不连续凝胶电泳检测壳寡糖"参
考文献,&%-方法 取邻氨基苯甲酸%f$! J"硼氢化腈
钠%f)# J溶于&% 标记液%"向试样中加入适当的标记液于) l水浴
中保温 $ 4"待其冷却后加入 ) 倍体积的乙腈"
&$ %%% F0<;?离心&% <;?"弃上清"向沉淀中加入电
泳试样缓冲液
.$"第 # 期 王"亮等&酶法制备壳寡糖及其生物学功能
""参考文献,&&-方法 采用分离胶质量分数为
&-fk(浓缩胶质量分数为 #k的 SUSN5(PX不连
续凝胶电泳对壳寡糖进行检测
&f$f$"壳寡糖的生物学功能检测
""&%壳寡糖溶液的配制 "按上述研究得到的最
佳反应条件制备大量壳寡糖溶液"将降解产物进行
真空冷冻干燥得到壳寡糖干粉 参考文献,&$-方
法 称取 &($(#(, J"分别溶于 & T含 &%k小牛血清
的UaXa培养基中"制得质量浓度分别为&($(#(
, ""$%a__法检测壳寡糖对 LB9P$ 细胞增殖的影
响"参考文献,&#-方法 收集对数生长期 LB9P$
细胞"调整细胞悬液浓度"以每孔 ,f% j&%#个细胞
接种到 .) 孔板"每孔体积$%%
!
T"培养$, 4后"小心
吸尽孔内培养液后"分别加入$%%
!
T不同质量浓度
的壳寡糖溶液&% $阴性对照组%(&($(#(, $用药组%"每个质量浓度作 # 个复孔 培养,! 4后"
加入$%
!
T 内液体"每孔加入&%
!
TUaS+"振荡&% <;? 在酶
联免疫检测仪上"波长为,.$ ?<检测各孔光吸收值
$M
,.$
% 壳寡糖对 LB9P$ 细胞的抑制率按式$&%
计算&
抑制率i$对照组 M
,.$
8用药组 M
,.$
%0对照组
M
,.$
j&%%k $&%
""#%形态学的观察"收集对数生长期 LB9P$ 细
胞"调整细胞悬液浓度"每孔以 ) j&%,个细胞接种
到六孔板"培养$, 4后吸尽孔内培养液"分别加入质
量浓度为 %$对照组%(, 溶液"培养,! 4后于倒置相差显微镜下观察
"",%荧光染色"收集对数生长期LB9P$ 细胞"调
整细胞悬液浓度"每孔以 ) j&%,个细胞接种到六孔
板"培养$, 4后弃去孔内培养液"分别加入浓度为 %
$对照组%(, ,! 4"吸尽孔内培养液 & 洗 & 次"再加入浓度为!f
!
J0$ 观察
""%U/(琼脂糖凝胶电泳"参考文献,&,-方
法 LB9P$ 细胞分别经 %$对照组%(&(#(, $用药组% 壳寡糖溶液处理培养 ,! 4后"收集
& j&%
- 个以上的细胞"按比例每 & j&%-个细胞加
入$%%
!
T细胞裂解液$ 9L!f%( <<>G0T_F;DNL*G(
& <<>G0TXU_((%f$k /5 ,%%"加入终质量浓
度为$%%
!
J0加入终质量浓度为#%%
!
J0孵育 .% <;?" , l 冷 冻 离 心" $ %%% F0<;? 离 心
# <;?"收集上清液 取上清液进行琼脂糖凝胶电
泳"胶浓度为 &fk"% d电泳$ 4"溴化乙锭染色
后"于凝胶成像系统在紫外灯下观察并成像
"")%5[染色分析法"收集对数生长期 LB9P$
细胞"调整细胞悬液浓度"每孔以 &f% j&%个细胞
接种到六孔板"培养$, 4后"弃去孔内培养液"加入
浓度为 % $对照组%(, 液"培养,! 4后"胰蛋白酶消化制成单细胞悬液"收
集所有细胞"$ %%% F0<;?离心# <;?"& 洗涤 $ 次"收集细胞沉淀"加入& $5[%染色液", l避光保存#% <;?"流式细胞仪
检测
C?结果与讨论
CPE?乌氏黏度计法筛选酶法制备壳寡糖的时间
""乌氏黏度计法筛选酶法制备壳寡糖的时间如
图 & 所示 由图 & 可知"在#% <;?时"壳聚糖反应液
黏度下降了 !f&k 随着时间的延长"反应液黏度
继续降低"在$ 4后其黏度趋向于稳定"几乎变化不
大"故选用$ 4为反应时间
图 E?蜗牛酶降解壳聚糖过程中黏度的变化
Q.;=E?,-5/;0127R.1:21.GB J34./; G-0-BJ426B1.1
27:-.G215/MB 1/5.6510
CPC?正交试验确定最佳反应条件
""蜗牛酶降解壳聚糖正交试验结果及方差分析
如表 & g表 $ 所示
""由表 & 和表 $ 可知&?p%f%"均具有统计学意
义 得出最佳反应条件&温度 ,% l"酶和底物质量
比为 ,h%"9L为 ,f% 因此采用此最佳反应条件制
备壳寡糖
%# 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
表 E?蜗牛酶降解壳聚糖正交试验结果
F5M60E ? +4G-2;2/56G01G1 5/J 40136G1724 :-.G215/
-BJ426B1.1O.G-1/5.6510
序号 温度0
l
酶和底物的
质量比 9L
&$还原糖%0
& #% &h% #f ,f)-
$ #% $h% ,f% -f!-
# #% #h% ,f )f)
, #% ,h% f% !f),
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&, )% $h% #f ,f-%
& )% #h% f% ,f&#
&) )% ,h% ,f !f!-
表 C?方差分析结果
F5M60C?V0136G127R54.5/:05/56B1.1
误差源 [[型平方和
自由



J
统计量 显著性水平
修正模型 -f,-#$=% . %f!#% .f!#% %f%%)
截距 )f#% & )f#% ))-f&#& %f%%%
温度 $f&!, # %f-$! !f)&! %f%&,
酶底比 &f#. # %f,) f% %f%#-
9L #f!., # &f$.! &f#). %f%%#
误差 %f%- ) %f%!,
合计 ),f##% &)
校正总和 -f.!% &
"I
$
i%f.#) $调整I$ i% f!,&%
CP@?壳聚糖降解产物的电泳检测及其分析
""壳聚糖降解产物的电泳检测及其分析如图 $ 所
示 由图 $ 可知"反应管 &($(-(!(&&(&$(&#(&, 都
能清晰看到 条亮带分别为单糖( 壳二糖(壳三糖(
注&(为单糖"U为壳寡糖"& g&) 均为试样
图 C?!Y!SX*%#电泳图
Q.;=C?!Y!SX*%#060:G429-240G2;45H
壳四糖(壳五糖"降解产物中五糖以上的寡糖呈弥
散状态分布"说明聚合度为 以上的寡糖在产物中
的比例居多"是具有抗肿瘤活性的壳聚糖$聚合度
, g-%
,&-

CPT?壳寡糖溶液对"09%C 细胞增殖的影响
""不同浓度的壳寡糖对 LB9P$ 细胞增殖抑制作
用见图 # 结果显示"低浓度的壳寡糖对 LB9P$ 细
胞抑制作用较小"但随着浓度的增加"壳寡糖对
&#"第 # 期 王"亮等&酶法制备壳寡糖及其生物学功能
LB9P$ 细胞的抑制作用呈浓度依赖关系"随着壳寡
糖溶液浓度增加而增加"在质量浓度为, 抑制率达到 -$f!&k 经统计学分析"各用药组分
别与对照组相比"用药组抑制率均具有统计学意义
$?p%f%% 按照细胞存活率对剂量作图并按作图
法求出药物半数抑制浓度$[*
%
%值为$f)& CPU?壳寡糖诱导"09%C 细胞形态学变化
"", 胞变圆变亮"膜皱缩"细胞表面产生许多泡状$图
,% 通过吖啶橙荧光染色法观察$图 %"未经药物
处理的细胞核呈黄绿色荧光"胞质呈红色荧光"给
药组的细胞核染色质呈黄绿色"浓聚在核膜内侧"
可见细胞膜呈泡状膨出及圆形小体"初步判断为凋
亡小体 壳寡糖的抗肿瘤机制主要是能通过诱导
肿瘤细胞发生凋亡而抑制其生长,&)- 通过本实验
研究结果显示"壳寡糖能够抑制 LB9P$ 细胞的生
长"且随着浓度的升高"抑制率呈递增趋势
图 @?不同浓度壳寡糖对"09%C 细胞增殖抑制情况
Q.;=@?Y.7040/G:-.G226.;215::-54.J0:2/:0/G45G.2/1
271263G.2/2/G-0426027"09%C :06
9426.7045G.2/./-.M.G24B
图 T?形态学观察细胞变化
Q.;=T?+M104R5G.2/27:06H249-262;B :-5/;01
图 U?吖啶橙染色观察细胞变化
Q.;=U?*:4.J./0245/;01G5././; :061
CPW?琼脂糖凝胶电泳分析Y$*变化特征
""凋亡细胞的一个典型特征是 U/(断裂成长度
为 &!% g$%% 29的整数倍"因此用琼脂糖凝胶电泳分
析时 U/(呈.梯状条带/分布"结果如图 ) 所示
由图 ) 可知"LB9P$ 细胞经各浓度梯度壳寡糖溶液
处理,! 4后提取 U/("经琼脂糖凝胶电泳分析"各
$# 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
用药组U/(分布与对照组相比"均有.梯状条带/
出现"说明壳寡糖诱导LB9P$ 细胞发生凋亡
注&a#<=FABF)(#对照)Y#
"
$壳寡糖% i# *#
"
$壳寡糖% i, "
$壳寡糖% i& 图 W?壳寡糖溶液对"09%C 作用 T> -
后的Y$*65JJ04图谱
Q.;=W?Y.7040/G:-.G226.;215::-54.J0:2/:0/G45G.2/1
271263G.2/2/426027"09%C 57G04T> -
27Y$*65JJ049-2G2;459-B
CPZ?流式细胞仪分析凋亡率
""壳寡糖对LB9P$ 细胞的凋亡作用如图 - 所示
由图 - 可知"LB9P$ 细胞经, 理,! 4后"与对照组相比"用药组有典型的 DH2NP&
亚峰出现"对照组凋亡率$(Z%为 #f!&k"而加药组
凋亡率$(Z%为 &-f,&k"说明壳寡糖能诱导 LB9P$
细胞发生凋亡
@?结?论
""蜗牛酶是一种由多种酶构成的混合酶"本研究
采用蜗牛酶降解壳聚糖制备壳寡糖"可以在仅采用
一种酶制剂的条件下达到多种非专一性酶降解的
效果"有着极好的应用前景 本研究结果表明"蜗
牛酶降解壳聚糖的产物主要是聚合度为 , 以上的壳
寡糖"更多的接近壳六糖"有效地减少了低聚合度
壳寡糖的生成"产品质量较进口产品更佳
""倒置相差显微镜观察(荧光显微镜观察(U/(
琼脂糖凝胶电泳以及流式细胞仪检测"均出现了明
显的凋亡特征 验证了蜗牛酶制备的壳寡糖对肿
瘤细胞的促凋亡作用
图 Z?流式分析壳寡糖对"09%C 细胞的凋亡作用
Q.;=Z?,-.G226.;215::-54.J0762O5/56B1.127"09%C :065929G21.1
""综上所述"本实验选用蜗牛酶在一定条件下降
解壳聚糖"能得到较多且具有抗肿瘤活性的壳寡
糖"经细胞生物学实验验证"具有较好的抗肿瘤活
性和一定的学术研究和经济价值
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亡的作用,W-7细胞与分子免疫学杂志"$%%!"$,$)%&)$%N)$$7
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分离新工艺及其抗癌活性研究,W-7中国微生态学杂志"$%%&"
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究进展,W-7食品与药品"$%%!"&%$%&)%N)$7
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国外动态
日本开发出用芝麻成分检测自由基的方法
日本东京大学研究人员报告说"芝麻中含有的芝麻酚与自由基接触时"会发出荧光"他们据此开发出了
测定自由基的新方法 自由基是机体细胞新陈代谢的副产物"过多自由基堆积体内"被认为是导致衰老及
诱发癌症(心脏病等疾病的重要因素 芝麻酚本身不发光"但与自由基接触后"$ 个芝麻酚分子会结合生成
二聚物"并发出荧光
研究人员在人体血浆中加入芝麻酚"然后用荧光亮度检测仪进行测定"结果发现能灵敏地检测出自由
基的存在
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