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Immobilization of β-glucuronidase on pillared interlayer clays from bentonite

基于膨润土的层柱黏土固定β葡萄糖醛酸苷酶的研究



全 文 :第7卷第2期
2009年3月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.2
Mar.2009
收稿日期:2008-07-09
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20776017);北京市自然科学基金资助项目(5072028);石河子大学高层次人才科研启动项目(RCZX200629)
作者简介:党艳艳(1981—),女,新疆石河子人,硕士研究生,研究方向:生物技术与酶工程;李 春(联系人),教授,Email:lichun@bit.edu.cn
基于膨润土的层柱黏土固定 β葡萄糖
醛酸苷酶的研究
党艳艳1,冯世江1,栗全营1,李 春1,2
(1.石河子大学 食品学院 新疆兵团化工绿色过程重点实验室,石河子 832003;
2.北京理工大学 生命科学与技术学院,北京 100081)
摘 要:以膨润土制备的层柱黏土为载体,考察给酶量、固定化 pH、温度和时间对固定化 β 葡萄糖醛酸苷酶活性
的影响,并对其操作稳定性进行研究。结果表明:给酶量为2700U/g,最适 pH为36,固定化温度40℃,固定化
60min条件下固定化酶催化活性较高;酶经固定化后其热稳定性及储存稳定性显著提高。
关键词:层柱黏土;β葡萄糖醛酸苷酶;甘草酸;固定化
中图分类号:TQ925    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)02-0044-04
Immobilizationofβglucuronidaseonpilaredinterlayerclaysfrombentonite
DANGYanyan1,FENGShijiang1,LIQuanying1,LIChun1,2
(1.ColegeofFoodScience,KeyLaboratoryforGreenProcessingofChemicalEngineeringofXinjiangBingtuan,ShiheziUniversity,
Shihezi832003,China;2.SchoolofLifeScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)
Abstract:Immobilizationofβglucuronidaseonpilaredinterlayerclays(PILC)frombentonitewasstud
ied.ThefactorsrelatedwiththeactivityoftheimmobilizedβglucuronidaseonPILC,includingthe
amountofβglucuronidase,pH,temperature,andtimeoftheimmobilizationreaction,wereinvestigated.
Theresultsshowedthattheoptimumconditionsforimmobilizationwereasfolows:βglucuronidasedosage
was2700U/gcarier,immobilizingfor60minat40℃ atpH36.Thetemperatureandthestoragesta
bilityoftheenzymewereobviouslyincreasedafterthetreatment.
Keywords:pilaredinterlayerclays;βglucuronidase;glycyrhizin;immobilization
  β葡萄糖醛酸苷酶(βglucuronidase)是一种糖
苷类水解酶,能催化各种类型的β 葡萄糖醛酸苷水
解,不同生物来源的β 葡萄糖醛酸苷酶具有催化不
同底物和反应的特性[1-3]。本课题组筛选得到的菌
种PeniciliumpurpurogenumLi3可定向催化甘草酸
合成单葡萄糖醛酸基甘草次酸 (glycyrhetinicacid
monoglucuronide,GAMG)[4]。化学水解法水解甘草酸
生成GAMG和甘草次酸2种物质,无法完成由甘草酸
定向水解生成GAMG。由于游离酶催化反应存在很
多无法避免的缺点[5],使生产GAMG的成本较高,限
制了其工业化生产。层柱黏土(pilaredinterlayer
clays,PILC)是一种类似分子筛的新型催化材料,具有
比表面积大、热稳定性高、孔径和酸性可调控等特点,
在催化及吸附领域已引起广泛关注[6]。
本文利用新疆夏子街膨润土制备的层柱黏土
固定β葡萄糖醛酸苷酶以解决游离酶催化过程的
不足,并探讨固定化的适宜条件。
1 材料与方法
11 菌种与试剂
菌种PeniciliumpurpurogenumLi 3为北京理
工大学生命科学与技术学院生物催化室保存菌种。
单葡萄糖醛酸基甘草次酸标准品由南京工业
大学赠送,甘草酸单铵盐标准品购自Sigma公司,甲
醇为色谱级,其余试剂均为分析纯。
12  载体的制备
层柱黏土的制备参照文献[7],将提纯处理的
膨润土按一定质量比缓慢添加到柱化剂中,所得反
应物抽滤、洗涤、室温干燥得粉末状试样,试样于马
弗炉内723~773K空气中煅烧6h得层柱黏土。
13 粗酶液的制备及酶活力测定
粗酶液的制备:Peniciliumsp.Li 3发酵产酶
结束后的菌体细胞用 pH42的醋酸钠 冰醋酸
(NaAcHAc)缓冲液洗涤、重悬后,于冰浴条件下超
声破碎细胞,离心取上清液即为粗酶液。
以甘草酸为底物,酶活力测定参照文献[8-
9]。固定化β葡萄糖醛酸苷酶酶活的测定是将测
定游离酶酶活方法中的1mL粗酶液用1mL蒸馏水
和一定量的固定化酶来代替,其余步骤同游离酶酶
活的测定。
14 酶的固定化实验
采用吸附法固定化酶,将一定量的载体加入到
β葡萄糖醛酸苷酶的粗酶液中,室温下搅拌一定时
间后离心分离。由固定化时加入酶的总酶活和固
定化后滤液中的酶活总量计算 β 葡萄糖醛酸苷酶
固定率。
15 酶活力回收计算
活力回收=固定化酶总活力/加入酶的
总活力×100%
2 结果与讨论
21 固定化载体的选择
利用新疆夏子街日月雷原矿为原料,对其进行
提纯、钠化改型等处理,得到钙基膨润土、钠化膨润
土、酸性白土3类膨润土,在酸性、室温碱性、80℃
碱性条件下以上述3类膨润土为原料制备层柱黏
土。合成条件分别为:1)钠化膨润土、碱性、80℃;
2)酸性白土、碱性、80℃;3)钙基膨润土、碱性、
80℃;4)钠化膨润土、酸性、常温;5)酸性白土、酸
性、常温;6)酸性白土、碱性、常温;7)钠化膨润土、
碱性、常温;8)钙基膨润土、碱性、常温;9)钙基膨润
土、酸性、常温。将合成的这9类载体于马弗炉内
723~773K空气中煅烧6h,得相对应的层柱黏土用
于固定化酶,以测得的最高酶活力为100%计算各
相对酶活力,结果见图1。
图1 不同层柱黏土固定化效果
Fig.1 EfectofdiferentPILCloadingonimmobilization
ofβglucuronidase
  由图1可知,钙基膨润土酸性常温条件下合成
的层柱黏土固定化效果最好。不同的合成条件对
酶的固定化影响很大,同样用钙基膨润土为原料,
酸性常温条件下合成的层柱黏土固定化效果较好,
而碱性条件下合成的层柱黏土负载酶蛋白量较少,
平均负载量为332mg/g,虽然有酶蛋白负载在载体
上,但因所用固定化酶为粗酶液,含有较多的杂蛋
白,故固定化酶几乎没有酶活。此外,酸性与碱性
条件下合成的孔径尺寸不同[10],导致固定化效果有
所差异。同时,在实验合成过程中发现,选择钙基
膨润土酸性常温条件下合成的层柱黏土其机械强
度明显好于其他条件合成,更适合用于催化反应。
22 给酶量对酶固定化的影响
为确定一个最佳的载体结合酶量,向每克载体的
体系中分别加入 900、1800、2400、3600、4500、
5400U的酶量以制备固定化酶,结果见图2。由图2
可知,固定化酶活随着给酶量的增大而增大,当给酶
量达到4500U时,获得最大固定化酶活,且载体上酶
量吸附达到饱和。一般在给酶量较少的情况下,随着
给酶量增多,酶与载体结合越多,固定化酶活增大,但
因载体与酶的结合位点有限,给酶量过多会造成空间
位阻的增大,使底物与产物不能及时扩散,造成固定
化酶催化效率下降。综合固定化酶活和酶的活力回
收实验选取每克载体最佳给酶量为2700U。
54 第2期 党艳艳等:基于膨润土的层柱黏土固定β葡萄糖醛酸苷酶的研究
图2 给酶量对固定化酶活及活力回收的影响
Fig.2 Efectofdiferentenzymeamountsonactivity
ofimmobilizedβglucuronidaseandactivity
recoveryofβglucuronidase
23 pH对酶固定化的影响
研究β 葡萄糖醛酸苷酶的最适固定化反应
pH,结果见图3。由图3可知,β 葡萄糖醛酸苷酶
在pH30~42范围内固定时,固定化酶具有较高
的催化活性,随着pH的增大,固定化酶活呈现下降
趋势,说明β葡萄糖醛酸苷酶适宜在较低的 pH固
定,其最适固定化pH为36。
图3 pH对酶固定率的影响
Fig.3 EfectofpHonimmobilizationrateofβglucuronidase
24 温度对酶固定化的影响
考察在25~45℃范围内温度对酶固定化影响,
结果见图 4。由图 4可知,β 葡萄糖醛酸苷酶在
40℃固定时酶活力达到最大值,温度的提高有利于
固定化反应速度加快,但温度过高会引起酶的失活,
故β葡萄糖醛酸苷酶在40℃左右固定比较合适。
25 固定化时间对酶固定化的影响
分别用不同时间制备固定化酶,结果见图 5。
由图5可见固定化时间为60min时酶活较高,低于
60min,时间太短,酶与载体还没有得到充分结合导
致酶活不高;高于60min,随着固定化时间的增加,
酶活力反而略有下降,这可能是在温度相对较高的
情况下随着时间的延长酶易失活。
图4 温度对酶固定率的影响
Fig.4 Efectoftemperatureonimmobilization
rateofβglucuronidase
图5 时间对酶固定率的影响
Fig.5 Efectoftimeonimmobilizationrateof
βglucuronidase
26 固定化 β 葡萄糖醛酸苷酶对热及 pH的稳
定性
  研究固定化酶在30~70℃范围内的稳定性,以
测得的最高酶活力(每克载体吸附酶活为1754U)
为100%计算各相对酶活力,结果见图6。由图6结
果发现,固定化酶在70℃保温30min,其剩余酶活
力仍然在90%以上。而前期对游离酶的热稳定性
研究表明,游离酶在60℃保温30min后剩余酶活力
不到初始酶活的20%[11],说明 β 葡萄糖醛酸苷酶
经固定化后对热稳定性有较大程度的提高。
图6 固定化酶对温度的稳定性
Fig.6 Thermalstabilityofimmobilizedβglucuronidase
64 生 物 加 工 过 程   第7卷 
将游离酶和固定化酶分别置于不同 pH缓冲液
中于4℃条件下放置24h,考察酶 pH稳定性,结果
见图7。由图7可知,游离酶在 pH54左右相对较
稳定,固定化酶对 pH的稳定性与游离酶相比略向
碱性方向偏移,在 pH62具有较好的稳定性,同时
固定化酶与游离酶相比,其稳定性大幅提高。
图7 pH对固定化酶的稳定性
Fig.7 pHstabilityofimmobilizedβglucuronidase
27 固定化β 葡萄糖醛酸苷酶的操作稳定性
  操作稳定性研究结果见图8。由图8可知,固
定化β葡萄糖醛酸苷酶在第2次使用时酶活就出
现大幅下降,仅为初始酶活的45%,随后5次的循
环使用相对酶活均保持在40%以上,说明利用层柱
黏土直接固定化β葡萄糖醛酸苷酶易脱落,在第一
次催化反应后的上清液中检测有蛋白存在(蛋白质
量浓度为0013mg/mL)。经对层柱黏土表征后得
出合成材料孔径在15~85nm,孔径较大酶易进入
层柱黏土层间,进入层间的酶分子与载体吸附牢
固,部分与载体结合力较弱的酶分子易脱落,故第
一次催化反应后酶活下降较快,但随后酶活能保持
较长时间的稳定。固定化酶首次使用后酶活下降
较快的问题还需进一步研究。
图8 固定化酶的循环使用稳定性
Fig.8 Recyclingstabilityofimmobilizedβglucuronidase
3 结 论
1)通过实验探讨了利用不同基质膨润土合成
的层柱黏土对β 葡萄糖醛酸苷酶固定化活性的影
响,筛选出钙基膨润土酸性常温条件下合成的层柱
黏土为固定化载体。β 葡萄糖醛酸苷酶经层柱黏
土固定后,其热稳定性得到显著提高。
2)确定了最佳的固定化条件:每克载体最佳给酶
量2700U,最适pH36、温度40℃、时间60min。
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74 第2期 党艳艳等:基于膨润土的层柱黏土固定β葡萄糖醛酸苷酶的研究