CN101195818A - 一种热球菌产高温α-葡萄糖苷酶及其产酶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热球菌(Thermococcus sp.HJ21)产高温α-葡萄糖苷酶的方法。本发明还公开了按上述方法得到的高温α-葡萄糖苷酶产品,该酶作用的最适温度为100℃;80℃保温4h,保持90%的酶活力,在90℃保温1h时,保持80%的酶活力;该酶适合作用pH为7.0;酶在pH 5.0~8.0稳定;Fe3+、K+、Ag+、DTT和EDTA对该酶有激活作用,Cu2+、Al3+、Ni2+、碘乙酸和SDS对该酶有抑制作用;1mM Hg2+完全抑制该酶的活性。本发明所得高温α-葡萄糖苷酶在工业上主要应用于低聚异麦芽糖的生产,在淀粉加工工业中可以用作糖化酶制剂,可与α-淀粉酶一起生产高葡萄糖浆。
Description
技术领域
本发明涉及一种菌株产酶方法及其产品,特别是热球菌(Thermococcussp.HJ21)产高温α-葡萄糖苷酶及其产酶方法,属于微生物工程领域。
背景技术
α-葡萄糖苷酶(α-glucosidase EC 3.2.1.20)又称α-转移葡萄糖苷酶(α-transglucosidase EC 2.4.1.24),可以从低聚糖类底物的非还原性末端切开α-1,4糖苷键,释放出葡萄糖,或将游离出的葡萄糖残基以α-1,6糖苷键转移到另一个糖类底物上,从而得到非发酵性的低聚异麦芽糖(IMO)、糖脂或糖肽等。该酶既具有水解能力,又具有转移能力,α-葡萄糖苷酶糖苷键水解和转移活性的特性可能由于酶结合和催化位点结构的不同引起的。α-葡萄糖苷酶在自然界中分布广泛,种类繁多,性质各异,几乎存在于所有生物体内。在人类的糖原降解及动物、植物和微生物的糖类代谢方面具有重要的生理功能。α-葡萄糖苷酶在淀粉加工工业中可以用作糖化酶制剂,与α-淀粉酶一起生产高葡萄糖浆。另外,α-葡萄糖苷酶作为工业化生产IMO的关键酶制剂备受国内外食品工业界的重视。
目前,国内研究主要集中在医药α-葡萄糖苷酶抑制剂上,而对α-葡萄糖苷酶性质和应用方面研究报道较少,仅有Thermus thermophilus、Aspergillus niger等少数报道。国外对α-葡萄糖苷酶研究较多,如Pyrococcusfuriosus、P.woesei、Sulfolobus shibatae、S.solfataricus、Thermococcushydrothermalis、Thermotoga maritima和Thermoanaerobacter ethanolicus等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种新的利用热球菌产高温α-葡萄糖苷酶的方法。
本发明所要解决的另外的技术问题是提供上述方法所产高温α-葡萄糖苷酶产品。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。
本发明的特征包括利用热球菌(Thermococcus sp.HJ21)菌株产高温α-葡萄糖苷酶的方法,以及该方法所得的高温α-葡萄糖苷酶产品。
本发明所涉及的菌株是热球菌(Thermococcus sp.HJ21),该菌株已于2007年12月1日在Genebank公开(登陆号为EF198107),网址为http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=nuccore&id=145559569。该菌株为公知公用材料,在该专利申请日起二十年内,公众如果需要,淮海工学院海洋学院实验室可对外提供。
一、本发明中的培养基
1.1改良的YPS培养基(g/L):基础盐溶液1000ml,微量盐溶液10ml,1%CaCl2·H2O 5ml,N-P混合液10ml,Fe EDTA混合液2ml,0.02%刃天青溶液5ml,PIPE 3.35g,酵母粉3g,蛋白胨3g,麦芽糖5g,硫5g,pH 6.5。基础盐溶液(g/L):NaCl,19.6;Na2SO4,3.3;KCl,0.5;KBr,0.05;H3BO3,0.02;MgCl2,8.8。微量盐溶液(g/L):CuSO4·5H2O,0.01;ZnSO4·7H2O,0.1;CoCl2·6H2O,0.005;MnCl2·4H2O,0.2;Na2MoO4·2H2O,0.1;KBr,0.05;KI,0.05;H3BO3,0.1;NaF,0.05;LiCl,0.05;Al2(SO4)30.05,NiCl2·6H2O,0.01;VoSO4·2H2O,0.005;H2WO4·2H2O,0.002;Na2SeO4,0.005;SrCl·6H2O,0.005;BaCl,0.005。N-P混合液(g/L):(NH4)2SO4,43.0;NaNO3,60.5;KH2PO4,3.6。Fe EDTA混合液(g/L):FeSO4·7H2O,1.54;Na-EDTA,2.06。
1.2产酶培养基(g/L):基础盐溶液1000ml(将NaCl用25取代19.6),微量盐溶液10ml,1%CaCl2·H2O 5ml,N-P混合液10ml,Fe EDTA混合液2ml,0.02%刃天青溶液5ml,PIPE 3.35g,酵母粉5g,蛋白胨7g,可溶性淀粉7g,硫5g,pH 6.5。
1.3种子液的制备:将菌株接种改良的YPS培养基中,在88℃下静置培养6-8h。
二、产酶条件对酶产生的影响
本发明提供的热球菌(Thermococcus sp.HJ21)产高温α-葡萄糖苷酶,对其产酶条件进行了较深入的研究,研究了不同因素对产酶的影响,在各种单因素优化的基础上,选取了多因素进行了正交试验。
2.1发酵时间对产酶的影响
将菌株接入到改良的YPS培养基中,在88℃下静置培养36h,每3h到6h取出测酶活力。胞内高温α-葡萄糖苷酶是通过超声破碎法获得。以最高酶活设为100%,由图1可知胞内高温α-葡萄糖苷酶活在3~6h时,产酶量上升速度较快,到发酵6h时,即菌体生长到指数期后期产酶量最高,随时间增加,酶活力逐渐下降。胞外酶在3~21h成上升趋势,在21~30h时产酶较高,在21h时最高。从产酶时间来看,胞内高温α-葡萄糖苷酶在发酵较短的时间内产生,胞外高温α-葡萄糖苷酶需要发酵较长的时间;从产酶量来看,胞内酶产量比胞外酶产量高。所以,判断热球菌(Thermococcussp.HJ21)主要产胞内高温α-葡萄糖苷酶。
2.2发酵温度对产酶影响
将菌株接入到改良的YPS培养基中,分别在不同温度(50℃、60℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃)下进行产酶发酵试验,培养9h后取出测定酶活。在85℃时高温α-葡萄糖苷酶产量最高,在75~90℃产酶量较高。若温度过低,菌株代时周期加长,菌株总量较低,直接影响酶产量;温度过高,菌株不适或不能生长,产酶量下降(见图2)。
2.3改良的YPS培养基pH对产酶的影响
用1mol/L的NaOH或HCl将改良的YPS培养基的初始pH分别调至4.0、5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0、10.0,在88℃培养9h,测定酶活。由图3可以看出在pH 6.0~7.5之间产酶相对较高,在pH6.5时产酶量最高,这与初始设计pH相同。过低或过高的pH对产酶都有一定的影响。
2.4改良的YPS培养基NaCl浓度对产酶的影响
在改良的YPS培养基中加入NaCl,使之终浓度(w/v)分别为0、1%、2%、2.5%、3%、4%和5%,在88℃培养9h,测定酶活。如图4所示,NaCl质量浓度对产酶影响比较显著。不加NaCl时,不利于菌体生长,几乎不产生酶,随NaCl浓度增加,产高温α-葡萄糖苷酶的量也逐渐增加,当改良的YPS培养基NaCl质量浓度为2.5%时,产高温α-葡萄糖苷酶最高,进一步升高NaCl浓度则会对菌体生长和高温α-葡萄糖苷酶酶活积累产生一定的抑制作用。
2.5不同碳氮源对产酶的影响
去除改良的YPS培养基中的麦芽糖、蛋白胨和酵母粉,以0.6%(w/v)的硫酸铵作氮源,分别在改良的YPS培养基加入0.5%的各种碳源(麦芽糖、葡萄糖、可溶性淀粉、糊精、马铃薯淀粉、果糖、乳糖、蔗糖、纤维素)进行碳源对产酶影响的发酵试验。去除改良的YPS培养基中的蛋白胨、酵母膏,分别加入0.3%的各类氮源(蛋白胨、酵母膏、酵母粉、硝酸铵、硫酸铵、酪蛋白、尿素、胰蛋白胨、鱼粉)进行氮源对产酶影响的发酵试验,结果见表1。采用单糖、双糖作为碳源,产酶量不如淀粉类的多聚糖,这可能多聚糖类的碳源对产酶具有一定诱导效应,其中以可溶性淀粉的效果最好。无机氮源不利于产酶,有机氮源较适合产酶;以尿素为氮源,发酵9h后菌体量较少,产酶量最低;以酵母粉、蛋白胨为氮源产酶较高,其中酵母粉为最好氮源。此数据为培养基成分的正交试验提供了设计依据。
表1碳氮源对产酶的影响
碳源 | 相对酶活(%) | 氮源 | 相对酶活(%) |
麦芽糖葡萄糖可溶性淀粉糊精马铃薯淀粉果糖乳糖蔗糖纤维素 | 33.3±2.6717.8±1.56100.0±1.3184.6±2.4571.8±1.4125.5±1.2430.0±1.8018.1±1.1920.5±0.83 | 蛋白胨酵母膏酵母粉硝酸铵硫酸铵酪蛋白尿素胰蛋白胨鱼粉 | 57.6±2.1921.3±1.68100.0±2.3722.9±1.1310.3±0.7524.7±2.7616.8±2.3737.0±1.5325.7±0.78 |
2.6正交试验设计
以蛋白胨、酵母粉、可溶性淀粉、时间和NaCl浓度为因素设计正交试验L16(45),蛋白胨、酵母粉和可溶性淀粉分别用0.1%、0.3%、0.5%和0.7%(w/v)四个水平,时间分别取18h、21h、24h和27h,NaCl浓度分别取1.5%、2%、2.5%和3%(w/v)四水平进行试验。以蛋白胨、酵母粉、可溶性淀粉、时间和NaCl为因素,每个因素选取四个水平,采用L16(45)正交表进行试验,考查这几个因子对热球菌(Thermococcus sp.HJ21)产酶的综合影响,筛选出最优的培养条件。结果如表2所示,级差R越大,表明因素对高温α-葡萄糖苷酶产量的影响越大,本试验中,因R5>R1>R4>R2>R3,所以这五个因素对高温α-葡萄糖苷酶产量的影响重要性依次为NaCl浓度>蛋白胨量>时间>酵母粉量>可溶性淀粉量。由此可以看出在发酵过程中要控制好NaCl的浓度和蛋白胨添加量。优化发酵条件为A4B3C4D2E3,即蛋白胨0.7%、酵母粉0.5%、可溶性淀粉0.7%、NaCl浓度2.5%,发酵时间21h。
表2 L16(45)正交试验设计与结果
实验号 | 蛋白胨(%) | 酵母粉(%) | 可溶性淀粉(%) | 时间(h) | NaCl(%) | 酶活力(U/L) |
12345678910111213141516K1K2K3K4R | 0.10.10.10.10.30.30.30.30.50.50.50.50.70.70.70.76.3427.7456.63210.4984.156 | 0.10.30.50.70.10.30.50.70.10.30.50.70.10.30.50.77.8157.9579.3056.143.165 | 0.10.30.50.70.30.10.70.50.50.70.10.30.70.50.30.18.3228.0256.2058.6652.46 | 182124272427182127242118211827246.9159.7858.2206.2973.488 | 1.522.5332.521.521.532.52.5321.55.3737.9389.9957.9534.622 | 3.558.838.814.188.549.069.354.033.675.6310.786.4515.508.318.289.9 |
三、高温α-葡萄糖苷酶的性质
3.1粗酶液的制备
将种子液以2.5%的接种量,接种于产酶培养基,在85℃下静置培养21h,培养液用滤纸过滤除去硫颗粒,于10000r/min离心10min,去除菌体,取上清液。在上清液中缓慢加入硫酸铵至65%饱和度,4℃过夜。10000r/min离心30min,小心弃掉上清,用尽量少的25mM pH7.5Tris-HCl溶液溶解沉淀,在同样的缓冲液中4℃透析过夜后,于12000r/min离心10min,所得上清液即为高温α-葡萄糖苷酶。
3.2酶作用温度对酶活性的影响
将酶分别在50℃、60℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃(水浴)和110℃(高压灭菌锅)温度下,缓冲液为用pH 7.0的磷酸钠缓冲溶液(50mM),以pNPG作为底物进行酶活测定,以最高酶活力为100%。图5表明,该高温α-葡萄糖苷酶在100℃时有最大的催化效率,在110℃仍有60%的催化活性,而在70℃以下催化效率较低。
3.3酶的热稳定性
取适量酶液(添加或不添加Ca2+,终浓度5mM)分别在不同温度(80,90,100℃)下保温4h,每隔0.5到1h取出一组样品,迅速置于4℃冰箱内,待保温结束后统一在标准条件下测定残余酶活,以未处理的酶液的酶活设为100%。如图6所示,添加Ca2+可降低高温α-葡萄糖苷酶的热稳定性。该酶在不加Ca2+的情况下,80℃保温4h,保持90%的酶活力;在90℃保温1h时,可以保持80%的酶活力;在100℃保温0.5h,可以保持70%左右的酶活力。延长保温时间,酶活力呈逐渐下降趋势。
3.4酶的作用pH对酶活性的影响
用不同pH的40mmol/L Brittion-Robinson通用缓冲液(40mmol/L磷酸-40mmol/L硼酸-40mmol/L乙酸,用NaOH调pH)取代酶活测定方法中的缓冲液进行酶活测定。如图7所示,该酶在较广的pH值范围表现出酶活力。最适反应pH为7.0,pH在6.0~8.0有70%以上的酶活力。
3.5酶的pH稳定性
酶在不同pH的10mmol/L的Brittion-Robinson通用缓冲液中常温下24h处理后,加入100mmol/L、pH7.0缓冲液恢复pH,然后在标准条件下测定残余酶活,以未处理的酶液的酶活设为100%。结果见图8。高温α-葡萄糖苷酶在pH5.0~8.0的范围内较稳定,该酶在pH5.5~6.0处理后,保持近100%的酶活力,而在pH3.0~4.0处理后,酶活性几乎消失,但总体上该高温α-葡萄糖苷酶在较宽pH值保持稳定。
3.6金属离子、化学试剂对酶的作用
将金属离子和化学试剂与酶液混合,使其最终浓度分别达到1.0mM,5.0mM,然后在100℃下测酶活。以未经金属离子和化学试剂处理的作对照(100%)。如表3所示,Fe3+、K+、Ag+、DTT和EDTA对热球菌(Thermococcussp.HJ21)的高温α-葡萄糖苷酶有激活作用,1mM的Cu2+、Al3+、Ni2+、碘乙酸和SDS对有明显抑制作用,Mg2+和Ca2+对高温α-葡萄糖苷酶有较小的抑制作用,浓度增加,抑制作用更明显。高温α-葡萄糖苷酶对Hg2+比较敏感,1mM Hg2+完全抑制该酶的活性。
表3金属离子和化学试剂对酶活力的影响
金属离子 | 相对酶活(%)1mM | 相对酶活(%)5mM | 化学试剂 | 相对酶活(%)1mM | 相对酶活(%)5mM |
Mg2+Fe3+Ca2+Cu2+K+Al3+Ni2+Ag+Hg2+ | 96.6±1.50110.5±2.1694.1±2.2973.5±0.85116.4±1.4748.1±2.8970.6±1.72110.2±2.673.4±1.04 | 94.8±2.35104.7±3.2790.3±2.8562.1±3.27107.2±1.8840.3±3.2664.1±2.59129.6±3.240 | 三氯乙酸碘乙酸DTTEDTASDS | 99.6±3.2274.5±2.37110.4±1.46118.3±2.3260.9±1.65 | 102.2±2.7562.1±1.53127.1±1.36124.3±2.6256.2±3.27 |
3.7高温α-葡萄糖苷酶活测定。
①高温α-葡萄糖苷酶活测定方法:用对硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷(pNPG)作底物。取50μL pNPG(浓度为10mmol/L)、200μL适度稀释的酶液和200μL 0.1mol/L磷酸钠缓冲液(pH7.0)于100℃水浴中保温15min,立即加入400μL 1mol/L预冷的碳酸钠溶液中止反应并显色,用酶标仪在405nm处测定吸光值。
②酶活力单位定义:在上述分析条件下,每分钟催化产生1μmol PNP的酶量为一个活力单位(U)。
本发明所得的高温α-葡萄糖苷酶在工业上主要应用于低聚异麦芽糖的生产;高温α-葡萄糖苷酶在淀粉加工工业中可以用作糖化酶制剂,可与高温α-淀粉酶一起生产高葡萄糖浆。
附图说明
图1为发酵时间对产酶的影响图(▲,胞内酶;◆,胞外酶)。
图2为发酵温度对产酶的影响图。
图3为培养基初始pH值对产酶的影响图。
图4为培养基NaCl浓度对产酶的影响图。
图5为酶的作用温度对酶活性影响图。
图7为酶作用pH对酶活性影响图。
图8为酶pH稳定性图。
具体实施方式
实施例1。一种热球菌(Thermococcus sp.HJ21)产高温α-葡萄糖苷酶的方法,其步骤如下:
(1)将种子液以2.5%的接种量,接种于产酶培养基,在85℃下静置培养21h,培养液用滤纸过滤除去硫颗粒,于10000r/min离心10min,去除菌体,取上清液;
(2)在上清液中加入硫酸铵至65%饱和度,4℃过夜;10000r/min离心30min,弃掉上清,用25mM pH7.5Tris-HCl溶液溶解沉淀,在4℃透析过夜后,于12000r/min离心10min,所得上清液即为高温α-葡萄糖苷酶。
实施例2。一种如实施例1所述的方法所产高温α-葡萄糖苷酶,所述的高温α-葡萄糖苷酶的酶学性质为:该酶作用的最适温度为100℃,在110℃仍有60%的酶活力;80℃保温4h,保持90%的酶活力,在90℃保温1h,保持80%的酶活力;Ca2+可降低高温α-葡萄糖苷酶的热稳定性;该酶适合作用pH为7.0,pH在6.0~8.0有70%以上的酶活力;酶在pH5.0~8.0稳定;Fe3+、K+、Ag+、DTT和EDTA对该酶有激活作用,Cu2+、Al3+、Ni2+、碘乙酸和SDS对该酶有抑制作用;1mM Hg2+完全抑制该酶的活性。
Claims (2)
1.一种热球菌(Thermococcus sp.HJ21)产高温α-葡萄糖苷酶的方法,其特征在于,其步骤如下:
(1)将种子液以2.5%的接种量,接种于产酶培养基,在85℃下静置培养21h,培养液用滤纸过滤除去硫颗粒,于10000r/min离心10min,去除菌体,取上清液;
(2)在上清液中加入硫酸铵至65%饱和度,4℃过夜;10000r/min离心30min,弃掉上清,用25mM pH7.5Tris-HCl溶液溶解沉淀,在4℃透析过夜后,于12000r/min离心10min,所得上清液即为高温α-葡萄糖苷酶。
2.一种如权利要求1所述的方法所产高温α-葡萄糖苷酶,其特征在于,所述的高温α-葡萄糖苷酶的酶学性质为:该酶作用的最适温度为100℃,在110℃仍有60%的酶活力;80℃保温4h,保持90%的酶活力,在90℃保温1h,保持80%的酶活力;Ca2+可降低高温α-葡萄糖苷酶的热稳定性;该酶最适作用pH为7.0,pH在6.0~8.0有70%以上的酶活力;酶在pH5.0~8.0稳定;Fe3+、K+、Ag+、DTT和EDTA对该酶有激活作用,Cu2+、Al3+、Ni2+、碘乙酸和SDS对该酶有抑制作用;1mMHg2+完全抑制该酶的活性。
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