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Decolorization ofreactive brilliant blue dye with laccase produced by the co-culture of Pleurotus ferulae and Rhodotorula mucilaginosa

阿魏菇与胶红酵母共培养产漆酶对活性艳蓝W-RV的脱色



全 文 :第 13卷第 5期
2015年 9月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 5
Sep􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 05􀆰 014
收稿日期:2014-03-31
作者简介:王  寒(1986—),男,山东烟台人,硕士研究生,研究方向:发酵工学;丁重阳(联系人),副教授,E⁃mail:zyding@ jiangnan.edu.cn
阿魏菇与胶红酵母共培养产漆酶对
活性艳蓝 W RV的脱色
王  寒1,2,彭  林1,丁重阳1,2,顾正华1,张  梁1,2,石贵阳1,2
(1􀆰 江南大学 生物工程学院 工业生物技术教育部重点实验室,江苏 无锡 214122;
2􀆰 江南大学 粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏 无锡 214122)
摘  要:利用阿魏菇与胶红酵母共培养所产漆酶对染料活性艳蓝 W RV 进行脱色,同时考察不同 pH、温度、染料
浓度和漆酶酶活等条件对脱色的影响。 结果显示,酸性范围内的 pH有利于活性艳蓝 W RV 的脱色,较高温度并
不适于脱色反应。 在研究不同染料浓度的影响时发现,不同浓度染料的脱色率在 7 h反应后都达到了稳定,而漆酶
酶活在达到 200 U / L后脱色率不再变化。 因此,最终得到的最适反应条件为 pH 4􀆰 5、30 ℃、染料质量浓度 100
mg / L、漆酶酶活 200 U / L,在此条件下,活性艳蓝 W RV的最高脱色率为 89􀆰 91%。
关键词:漆酶;阿魏菇;胶红酵母;活性艳蓝 W RV;脱色
中图分类号:X788        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)05-0074-05
Decolorization ofreactive brilliant blue dye with laccase produced by
the co⁃culture of Pleurotus ferulae and Rhodotorula mucilaginosa
WANG Han1,2,PENG Lin1,DING Zhongyang1,2,GU Zhenghua1,ZHANG Liang1,2,SHI Guiyang1,2
(1􀆰 Key Laboratory of Industrial Biotechnology of the Ministry of Education,School of Biotechnology,
Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.National Engineering Laboratory for Cereal fermentation Technology,
Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
Abstract:The decolorization of the reactive brilliant blue W⁃RV by laccase from the co⁃culture of
Pleurotus ferulae and Rhodotorula mucilaginosa was studied under different reaction conditions,including
pH,temperature,dye concentration and amount of laccase.Results indicated that efficient decolorization of
reactive brilliant blue W⁃RV was obtained at acidic pH and high temperature was unfavourable. The
decolorizaiton of reactive brilliant blue W⁃RV achieved a stable level after a 7⁃h reaction in different dye
concentrations. The decolorization rate increased with the laccase amount until 200 U / L and the excess
laccase (more than 200 U / L) did not improve the decolorization.The optimized reaction conditions were
pH 4􀆰 5,30 ℃,100 mg / L reactive brilliant blue W⁃RV and 200 U / L laccase.Under these conditions,the
highest decolorization by laccase was 89􀆰 91%􀆰
Keywords:laccase;Pleurotus ferulae;Rhodotorula mucilaginosa;reactive brilliant blue W⁃RV;decolorization
    染料是一种人工合成的大分子芳香烃化合物,
目前全世界年产量大约(8􀆰 0 ~ 9􀆰 0) ×105 t,其中,我
国年产量约 1􀆰 5×105 t。 在染料的生产和使用过程
中,大约有 10%~15%的染料被排放到环境中,对环
境造成了严重影响[1]。 蒽醌类染料是染料中重要
的一类,由于其分子结构中含有一个或多个羰基
(C 􀪅O)共轭体系,具有稳定的稠环芳香烃结构,从
而导致蒽醌类染料的废水具有色度高、毒性大、生
物降解性差的特点[2]。 常规的用于含染料废水处
理及脱色的方法包括物理法和化学法,但是这些方
法存在处理费用高、泥渣产生量大以及容易造成二
次污染等问题,制约了其在工业中的应用[3-5]。 因
此,寻找高效清洁低廉的生物处理染料脱色技术是
目前研究的热点。
漆酶(laccase,EC1.10.3.2)是一种含铜的多酚
氧化酶,属于铜蓝氧化酶蛋白家族。 漆酶是单电子
氧化还原酶,能够催化酚类物质发生氧化反应,同
时伴随着分子氧还原生成水。 漆酶可以催化酚及
其衍生物、芳胺及其衍生物等多种底物[6],在染料
脱色、秸秆生物转化、纸浆漂白及环境保护等多个
方面已得到了一定程度的应用[7-10],例如 Pleurotus
ostreatus产漆酶对 azure B 与 indigo carmine 的脱色
率均达到 100%,对 malachite green 脱色率达到
74􀆰 5%[11],此外,漆酶对有机磷农药可以进行有效
的氧化脱毒,如对 O,O 二乙基 S (N,N 二异丙
胺乙基)磷酰硫醇(DiPr Amtion)、O 乙基 S
(N,N 二异丙胺乙基)甲基磷酰硫醇(VX)和 O 异
丁基 S (N,N 二乙基胺乙基)甲基磷酰硫醇
(RVX)3种有机磷杀虫剂的降解[12]。 本文中,笔者
选用蒽醌染料中应用较为广泛的活性艳蓝 W RV,
利用阿魏菇与胶红酵母共培养产生的漆酶,研究漆
酶对活性艳蓝 W RV的脱色条件。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
1􀆰 1􀆰 1  菌种
阿魏菇(Pleurotus ferulae JM301) (自新疆野生
阿魏菇中筛选分离得到)、胶红酵母 (Rhodotorula
mucilaginosa JB401),保存于江南大学粮食发酵工艺
与技术国家工程实验室。
1􀆰 1􀆰 2  培养基
PDA斜面(g / L):土豆 200,葡萄糖 20,琼脂 20。
pH自然。
基本培养基(g / L):麸皮 10,玉米粉 10,葡萄糖
20,K2SO40􀆰 174 2。 pH9􀆰 0。
YEPD培养基( g / L):蛋白胨 20,酵母膏 10,葡
萄糖 20。 pH7􀆰 0。
1􀆰 2  方法
1􀆰 2􀆰 1  活性艳蓝 W RV染料的配制
将 0􀆰 5 g 活性艳蓝 W RV 染料用去离子水溶
解定容到 1 L容量瓶中,用超声波振荡破碎,配制成
500 mg / L的母液备用。
1􀆰 2􀆰 2  发酵培养及漆酶粗酶液的制备
从 PDA斜面上取 4块 0􀆰 5 cm2大小的活化阿魏
菇菌种斜面接入装有 80 mL 基本培养基的 250 mL
三角瓶中,25 ℃、150 r / min 培养 7 d。 将 PDA 斜面
上活化的胶红酵母菌种接入装有 80 mL YEPD培养
基的 250 mL 三角瓶中,30 ℃、150 r / min 培养 2 d。
得到的阿魏菇种子液按体积分数 5%接种量接入装
有 150 mL基本培养基的 500 mL 三角瓶中,25 ℃、
150 r / min 培养 2 d 后,按体积分数 5%接种量将胶
红酵母种子液接入阿魏菇进行共培养,培养 7 d 后
得到的发酵液在 8 000 r / min 条件下离心 5 min,上
清液即为实验所用粗酶液。
1􀆰 2􀆰 3  漆酶活力测定[13]
1 mL 反应体系中,含有 880 μL 乙酸钠缓冲液
(浓度 0􀆰 1 mol / L,pH 4􀆰 5)、100 μL 2,2 联氮 二
(3 乙基 苯并噻唑 6 磺酸)二铵盐(ABTS)底物
(终浓度为 1 mmol / L)和 20 μL发酵上清液,整个反
应体系在 30 ℃下反应,在 420 nm 下测定其吸光度
的变化,定义每分钟氧化 1 μmol ABTS 底物所需要
的酶量为 1个酶活单位(U)。 酶活按式(1)计算。
酶活 =
(A2 - A1) × 50 × 106
t × ε
(1)
式中:A1为空白对照吸光值;A2为反应后吸光值;t为
反应时间;ε 为底物 ABTS 的摩尔吸光系数,3􀆰 6 ×
104 L / (mol·cm)。
1􀆰 2􀆰 4  活性艳蓝 W RV脱色率测定
用紫外可见分光光度计在 200~900 nm 波长范
围内对活性艳蓝 W RV 溶液进行扫描,确定活性
艳蓝 W RV最大吸收峰在 595 nm处(图 1)。
脱色条件的确定:20 mL反应体系,由活性艳蓝
W RV 溶液(终质量浓度 100 mg / L)、粗酶液(200
U / L)和 0􀆰 1 mol / L 的缓冲液组成。 反应体系在恒
温振荡水浴锅中反应,初始反应在 30 ℃下脱色 15
h。 通过改变反应体系中相应条件,考察不同条件
对脱色的影响,在最大吸收波长条件下测定各反应
体系的吸光值,计算和比较脱色率。 所研究的脱色
条件包括 pH、温度、染料浓度和漆酶酶活。
脱色率的计算方法:利用分光光度计测定反应
57  第 5期 王  寒等:阿魏菇与胶红酵母共培养产漆酶对活性艳蓝 W RV的脱色
图 1  活性艳蓝W RV的吸收光谱
Fig􀆰 1  Absorption spectra of reactive
brilliant blue W⁃RV
体系中剩余活性艳蓝 W RV 的含量,以加入等量
灭活漆酶酶液的反应体系为对照,测定染料的脱
色率。
脱色率 = (A0 - At) / A0 × 100% (2)
式中:A0和 At分别表示 0 时刻和 t 时刻反应体系在
最大吸收波长处的吸光值。 实验重复 3 次,取平
均值。
2  结果与讨论
图 2  pH对活性艳蓝W RV脱色的影响
Fig􀆰 2  Effect of pH on decolorization of reactive brilliant
blue W⁃RV by P. ferulae laccase
2􀆰 1  pH对脱色率的影响
在不同 pH 脱色体系中,考察漆酶对活性艳蓝
W RV 的脱色效果,结果如图 2 所示。 由图 2 可
知:漆酶对活性艳蓝 W RV 的脱色效果在酸性范
围较好,pH 4􀆰 5~6􀆰 0时,脱色率保持较高水平,其中
pH 4􀆰 5 时,脱色率最高。 当 pH 低于 4􀆰 5 或高于
6􀆰 0,活性艳蓝 W RV 的脱色效果迅速下降,这可
能是由于 pH过高或者过低都会使酶因变性而活性
下降,最终影响到脱色效果。 在之前研究的漆酶脱
色中也有类似结果,Pleurotus ostreatus漆酶经固定化
后,pH 4􀆰 5 条件下对染料 remazol brilliant blue R
(RBBR)脱色率达到 70%以上[14],Pleurotus florida
产生的漆酶在 pH 4􀆰 5 条件下,对 reactive blue 198
的脱色率可达到 96%[15]。
2􀆰 2  温度对脱色率的影响
考察温度对活性艳蓝 W RV 脱色率的影响,
结果如图 3所示。 由图 3可知:20~60 ℃内,漆酶对
活性艳蓝 W RV的最适脱色温度为 30 ℃,脱色率
达到 89􀆰 75%;温度超过 30 ℃后,脱色率逐渐下降;
当温度达到 60 ℃时,脱色率仅有 49􀆰 81%。 因此,高
温并不适合脱色反应,而在较低温度下可以获得很
好的脱色效果,也有利于工业推广。 在漆酶染料脱
色反应中,随着温度的升高,漆酶本身活性得到加
强,脱色率随之上升,但温度过高会导致脱色率因
漆酶变性失活而下降,酶反应速率始终受此 2 种因
素影响[16]。 此外,底物不同,漆酶的最适脱色温度
也不相同。 在 Paraconiothyrium variabile 产漆酶脱色
中,reactive blue 19、reactive black 5 以及 reactive red
120 的最适脱色温度为 50 ℃, reactive yellow15、
reactive orange 16为 40 ℃,direct blue 71为 60 ℃ [17]。
图 3  温度对活性艳蓝W RV脱色的影响
Fig􀆰 3  Effect of temperature on decolorization of reactive
brilliant blue W⁃RV by P. ferulae laccase
2􀆰 3  染料浓度对脱色率的影响
在 pH 4􀆰 5、30 ℃条件下,对不同浓度的染料
(25~250 mg / L)进行脱色,结果见图 4。 由图 4 可
知:当活性艳蓝 W RV 质量浓度低于 100 mg / L
时,漆酶具有良好的脱色效果,脱色率均在 89%以
上;当质量浓度大于 100 mg / L 时,随着染料浓度的
增加,脱色率逐渐下降。 此结果与 Pleurotus florida
所产漆酶脱色 reactive blue 198相似,染料质量浓度
超过 150 mg / L,脱色率也出现下降[15]。 在之前的
研究中,Pleurotus eryngii F032脱色偶氮染料 reactive
black 5,染料浓度增加造成脱色率下降,是由于染料
毒性的增强抑制了真菌的生长以及木质素酶系的
67 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
活性[18]。 本研究中,当染料质量浓度超过 150
mg / L,反应 4~5 h后,脱色率已保持不变,可能由于
高浓度染料条件下,漆酶活性中心达到饱和,同时
染料本身对漆酶的催化作用有负面影响,最终造成
染料脱色率较低。 此外,不同浓度的染料在降解过
程中,脱色 7 h 后,脱色率基本保持不变,表明不同
浓度下染料的最终脱色率具有一定限度,因此,为
提高漆酶对染料的脱色效率,100 mg / L染料既可以
保持反应具有较高脱色率,也可以使染料的降解量
达到最优。
图 4  染料浓度对活性艳蓝W RV脱色的影响
Fig􀆰 4  Effects of dye concentration on decolorization of
reactive brilliant blue W⁃RV by P. ferulae
laccase
图 5  酶活对活性艳蓝W RV脱色的影响
Fig􀆰 5  Effect of enzyme activity on decolorization of
reactive brilliant blue W⁃RV by P. ferulae
laccase
2􀆰 4  漆酶酶活对脱色率的影响
为考察漆酶酶活对活性艳蓝 W RV 脱色的影
响,笔者在漆酶酶活 25 ~ 400 U / L 的范围内考察脱
色率的变化,结果如图 5所示。 由图 5可知:当漆酶
酶活低于 200 U / L时,反应体系脱色率随着漆酶活
性的提高而提高,漆酶酶活在超过 200 U / L后,脱色
率趋于不变。 这是由于酶的用量决定催化反应速
率,在底物过量时,酶用量增加,提供的与底物结合
的活性中心也增加,若酶用量过高,几乎所有的底
物都与酶活性中心结合,继续增大酶量,也不会提
高染料的脱色率。 这一结果在漆酶降解 RBBR的研
究中也得到了证实[14,19]。
3  结论
笔者在之前的研究工作中,利用阿魏菇与胶红
酵母共培养提高了漆酶在发酵过程中的表达。 由
于漆酶在多种复杂有机物的降解方面具有较好的
催化能力和广泛的底物选择性,因此已被用于多种
有害物质的降解应用。 为深入了解阿魏菇漆酶在
染料脱色方面的能力,本文考察了多种脱色反应条
件对阿魏菇漆酶降解蒽醌类染料活性艳蓝 W RV
的影响。 研究结果显示,酸性范围内的 pH 有利于
活性艳蓝 W RV 的脱色,较高温度并不适于脱色
反应。 在研究不同染料浓度的影响时发现,不同浓
度染料的脱色率在 7 h 反应后都达到了稳定,而漆
酶酶活在达到 200 U / L 后脱色率不再变化。 在 pH
4􀆰 5、温度 30 ℃,染料质量浓度 100 mg / L、漆酶酶活
为 200 U / L条件下,活性艳蓝 W RV 的脱色率可
达到 89􀆰 91%。 通过对阿魏菇漆酶降解能力的了
解,对今后利用阿魏菇漆酶降解其他染料及有机化
合物的研究具有良好的借鉴意义。
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(责任编辑  管  珺)
87 生  物  加  工  过  程    第 13卷