CN106591260B - 一种新型定向制备内切菊粉酶的方法 - Google Patents

一种新型定向制备内切菊粉酶的方法 Download PDF

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Abstract

一种新型定向制备内切菊粉酶的方法,其特征在于,将菊粉溶于乙醇的水溶液中,充分混匀后,调节溶液pH值至4.0‑5.0,加入微生物产天然菊粉酶,经静置后,离心得固形物,加入蒸馏水复溶固形物,即得仅含内切菊粉酶活力的酶液。本发明方法可以高效拆分天然菊粉酶系中的内切菊粉酶与外切菊粉酶,定向制备仅含内切菊粉酶活力的酶液,用于水解菊粉制备低聚果糖。本发明大幅度提高酶解制备低聚果糖的得率,降低产品中对人体无特异性生理活性的单糖含量,为微生物产天然菊粉酶制备低聚果糖提供了高效、低成本的生产方法。

Description

一种新型定向制备内切菊粉酶的方法
技术领域
本发明涉及生物工程中微生物产酶制备低聚糖领域,特别涉及一种新型定向制备内切菊粉酶的方法。
背景技术
菊粉,又称菊糖,广泛分布于自然界中,作为糖类储存物大都存在植物当中,例如菊芋、菊苣、大蒜、洋葱等,它是一种植物多糖,是D-果糖的聚合物,是D-果糖以β(2-1)糖苷键连接而成的链状多糖,在分子末端以β(1-2)键连接D-葡萄糖。菊粉的分子式具有GFn结构(G:葡萄糖基,F:果基,n:果糖基的单位数目)。菊粉的聚合度范围是2-60,平均分子量在5500左右。菊粉微溶于冷水,在热水中能很快溶解,与碘不呈颜色反应,无还原性,有旋光性,在水中为左旋。菊粉为白色或乳白色无定形粉末,是水溶性很好的膳食纤维。工业上一般是从菊芋中提取低聚果糖。
低聚果糖广泛存在于各种植物中,在人们日常食用的食物中,如菊芋、香蕉、大蒜、蜂蜜、洋葱、小麦等中都有低聚果糖的存在,是优良的水溶性膳食纤维,也是完全符合益生元标准的典型双歧因子,同样也是人体保健功能研究试验最为深入详尽的寡糖之一,以其优越的生理功能成为近十年来国际食品市场上广泛流行的功能性食品配料。工业上生产低聚果糖一般是以下两种方法:一是以蔗糖为底物在果糖转移酶作用下获得低聚果糖,产物为GFn型;二是以菊粉为底物在菊粉酶作用下获得低聚果糖,产物为GFn和Fn型。在果糖转移酶作用下,蔗糖会转化成葡萄糖和低聚果糖,但是葡萄糖是果糖转移酶的抑制剂,所用以蔗糖为底物在果糖转移酶作用下来获得果糖的方法成本高,效率低。大部分工业上直接采用以菊粉为底物在菊粉酶作用下来制备低聚果糖。
菊粉酶是一类催化菊粉水解的复合酶类,它按其水解果糖苷键的方式不同,分为内切菊粉酶和外切菊粉酶两类。外切菊粉酶作用于菊粉链果糖末端的糖苷键逐一水解释放出果糖,直至最后的葡萄糖,主要产物为果糖;内切菊粉酶仅作用于菊粉,随机断开菊粉链内部的糖苷键,水解产物主要是菊粉型的低聚三糖、低聚四糖和低聚五糖。菊粉酶水解菊粉的机理是菊粉多糖首先在内切菊粉酶从菊粉分子内部随机切断β-2,1-呋喃果糖苷键,得到低聚果糖,接着外切菊粉酶从低聚果糖分子的非还原末端依次水解β-D果糖苷键,生成一分子果糖和少一个果糖分子的果聚糖,最终产物为果糖和葡萄糖。由菊粉酶酶解机理可以看出,如果菊粉酶系中外切菊粉酶的含量越低,则在水解过程中,由内切菊粉酶作用得到的低聚果糖向葡萄糖、果糖方向转化就越少,而低聚果糖最终的得率就会相应的提高。而一般而言,在微生物分泌的菊粉酶酶系结构中,外切菊粉酶比例高于内切菊粉酶。
为了解决上述问题,获得低外切菊粉酶活力的高内切菊粉酶活力成为近年该领域的研究热点之一。目前多数具有工业化潜力的微生物分泌的菊粉酶,均含有较多的外切菊粉酶。低外切菊粉酶活力有利于制备低聚果糖,产生极少的果糖和葡萄糖。为了获得低外切菊粉酶活力的内切菊粉酶,国内外研究中,较多采用色谱法制备内切菊粉酶,但此类技术成本高,难于用于工业化生产。Nakamura等人(USP 4990451)报道利用两步水溶性有机溶剂沉淀法从天然菊粉酶中制备内切菊粉酶。该方法的机理是通过水溶性有机溶剂沉淀蛋白的方式,获得含有内切菊粉酶活力的沉淀蛋白,首先经低浓度有机溶剂沉淀去除含有外切菊粉酶活力的蛋白,再调高有机溶剂浓度沉淀回收含有内切菊粉酶活力的蛋白,内切菊粉酶活力/外切菊粉酶活力的比值(I/S比)显著提高。此方法是通过两步过程,获得含有内切菊粉酶活力的沉淀蛋白,虽然I/S比较高,但沉淀蛋白中仍然含有外切菊粉酶活力。此外,还有报道采用物理、化学诱变或者基因工程方式改造微生物,得到突变菌株或者基因工程菌,达到只分泌内切菊粉酶或者减少微生物分泌外切菊粉酶。
发明内容
发明目的:针对微生物分泌的菊粉酶酶系结构中同时含有内切菊粉酶和外切菊粉酶,菊粉酶水解菊粉的机理是菊粉多糖首先由内切菊粉酶从菊粉多糖分子内部随机切断β-2,1-呋喃果糖苷键,得到低聚果糖,再由外切菊粉酶从低聚果糖分子的非还原末端依次水解β-D果糖苷键,生成一分子果糖和少一个果糖分子的果聚糖,最终产物为果糖和葡萄糖。若要获得更高得率的低聚果糖,则必须降低外切菊粉酶的酶活力。这项发明主要针对于用于天然菊粉酶酶解菊粉制备低聚果糖的不足,寻找一种由微生物产天然菊粉酶系降低外切菊粉酶酶活的方法。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种新型定向制备内切菊粉酶的方法,将菊粉溶于乙醇的水溶液中,充分混匀后,调节溶液pH值至4.0-5.0,加入微生物产天然菊粉酶,在0-5℃条件下静置后,离心得固形物,加入蒸馏水复溶固形物,即得仅含内切菊粉酶活力的酶液。
其中,所述乙醇的水溶液,乙醇的质量百分比浓度为50%-70%,优选55%-65%,最优选60%。
其中,菊粉在乙醇的水溶液中的浓度为20-80g/L,优选为30-60g/L,最优选50g/L。
其中,用盐酸调节溶液pH值至4.0-5.0。
其中,天然菊粉酶的加入量以内切菊粉酶为基准,内切菊粉酶的加入量为15U每克菊粉。
其中,微生物产天然菊粉酶中包含内切菊粉酶与外切菊粉酶。所述的微生物包括但不限于黑曲霉,可以按照现有技术自行制备也可直接从市场上购买。
本发明的机理是根据菊粉酶水解菊粉的催化作用机制,当内切菊粉酶与长链菊粉相结合,形成内切菊粉酶与长链菊粉复合物。同时,由于水溶性有机溶剂的存在,降低长链菊粉在溶液中的溶解度,内切菊粉酶与长链菊粉复合物随即从溶液中沉淀出来,而外切菊粉酶仍然停留在溶液中,以此拆分天然菊粉酶系中的内切菊粉酶与外切菊粉酶。
一种制备低聚果糖的方法,包括如下步骤:
(1)将菊粉溶于乙醇的水溶液中,充分混匀后,调节溶液pH值至4.0-5.0,加入微生物产天然菊粉酶,在0-5℃条件下静置后,离心得固形物,加入蒸馏水复溶固形物,即得仅含内切菊粉酶活力的酶液;
(2)将步骤(1)得到的含内切菊粉酶活力的酶液与菊粉水溶液进行酶解反应得到低聚果糖。
菊粉酶降解菊粉的过程,先由内切菊粉酶与长链菊粉相结合,随机切断长链菊粉,生成短链菊粉;再由外切菊粉酶作用于短链菊粉的果糖末端,释放果糖和葡萄糖。本发明采用一定浓度的乙醇/水溶液溶解菊粉,拆分天然菊粉酶系中的内切菊粉酶与外切菊粉酶,从而提高酶法制备低聚果糖得率,显著减少副产物葡萄糖与果糖的生成。
有益效果:本发明方法可以高效拆分天然菊粉酶系中的内切菊粉酶与外切菊粉酶,定向制备仅含内切菊粉酶活力的酶液,用于水解菊粉制备低聚果糖。本发明大幅度提高酶解制备低聚果糖的得率,降低产品中对人体无特异性生理活性的单糖含量,为微生物产天然菊粉酶制备低聚果糖提供了高效、低成本的生产方法。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的内容仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
以下实施例中:
天然菊粉酶来源:黑曲霉产天然菊粉酶,购自Sigma-Aldrich公司。
内切菊粉酶的酶活定义为:以菊粉为底物,每分钟产生1μmol还原糖所需要的酶量,即为1个内切菊粉酶活力单位。
外切菊粉酶的酶活定义为:以蔗糖为底物,每分钟产生1μmol还原糖所需要的酶量,即为1个外切菊粉酶活力单位。
内切菊粉酶和外切菊粉酶的检测方法为:
(1)内切菊粉酶的检测方法:在25ml刻度试管中加入0.1ml适当稀释的酶液0.9ml和5%(w/v)菊粉悬浮液(用0.1mol/L、pH 4.6的醋酸-醋酸钠缓冲液配制),盖上塑料布,用橡皮筋扎紧后置于恒温水浴器中,于60℃下保温10min,取出,加入1.5ml DNS试剂和1ml蒸馏水,在100℃沸水中煮沸5min,冷却至室温后,加水定容至25ml,充分摇匀后于520nm波长下测定吸光度A值。反应生成的果糖量根据果糖标准曲线求得。
(2)外切菊粉酶的检测方法:在25ml刻度试管中加入0.1ml适当稀释的酶液0.9ml和5%(w/v)蔗糖液(用0.1mol/L、pH4.6的醋酸-醋酸钠缓冲液配制),盖上塑料布,用橡皮筋扎紧后置于恒温水浴器中,于60℃下保温30min,取出,加入1.5ml DNS试剂1ml蒸馏水,在100℃沸水中煮沸5min,冷却至室温后,加水定容至25ml,充分摇匀后于520nm波长下测定吸光度A值。反应生成的果糖量根据果糖标准曲线求得。
实施例1
在三角瓶中加入50wt%乙醇的水溶液,加入菊粉,使菊粉浓度达到80g/L;0.1mol/L盐酸调节pH值为5.0;再加入天然菊粉酶酶液6.5mL(包含9.34U/mL内切菊粉酶活与10.63U/mL外切菊粉酶活),在0-5℃条件下静置后,离心,去除上清液,得乳白色固形物,用蒸馏水复溶乳白色固形物至6.5mL,采用DNS法测定复溶溶液中的酶活。经测定,内切菊粉酶的酶活为8.22U/mL,外切菊粉酶的酶活为0U/mL,菊粉酶酶系中仅剩内切菊粉酶,内切菊粉酶回收率达到88%。
实施例2
在三角瓶中加入70wt%乙醇的水溶液,加入菊粉,使菊粉浓度达到20g/L;0.1mol/L盐酸调节pH值为4.0;再加入天然菊粉酶酶液1.6mL(包含9.34U/mL内切菊粉酶活与10.63U/mL外切菊粉酶活),在0-5℃条件下静置后,离心,去除上清液,得乳白色固形物,用蒸馏水复溶乳白色固形物至1.6mL,采用DNS法测定复溶溶液中的酶活。经测定,内切菊粉酶的酶活为8.04U/mL,外切菊粉酶的酶活为0U/mL,菊粉酶酶系中仅剩内切菊粉酶,内切菊粉酶回收率达到86%。
实施例3
在三角瓶中加入60wt%乙醇的水溶液,加入菊粉,使菊粉浓度达到50g/L;0.1mol/L盐酸调节pH值为4.6;再加入天然菊粉酶酶液4mL(包含9.34U/mL内切菊粉酶活与10.63U/mL外切菊粉酶活),在0-5℃条件下静置后,离心,去除上清液,得乳白色固形物,用蒸馏水复溶乳白色固形物至4mL,采用DNS法测定复溶溶液中的酶活。经测定,内切菊粉酶的酶活为8.51U/mL,外切菊粉酶的酶活为0U/mL,菊粉酶酶系中仅剩内切菊粉酶,内切菊粉酶回收率达到91%。
实施例4
20g/L菊粉溶液,调节pH值为4.6,加入实施例3得到的内切菊粉酶酶液1mL,充分混合。在50℃、170rpm的条件下水解,水解结束后水解物离心得到清液,即为低聚果糖水解糖液。经分析检测,低聚果糖水解得率为95.81%。
低聚果糖水解得率计算方法为:
低聚果糖水解得率(%)=(C1/C)×100
其中:C--初始菊粉含量,g/L
C1--酶解后酶解液中低聚果糖含量,g/L。
对照例
20g/L菊粉溶液,调节pH值为4.6,加入黑曲霉分泌的天然菊粉酶1mL(包含9.34U/mL内切菊粉酶活与10.63U/mL外切菊粉酶活),充分混合。在50℃、170rpm的条件下水解,水解结束后水解物离心得到清液,即为低聚果糖水解糖液。经分析检测,低聚果糖水解得率为29.33%。
低聚果糖水解得率计算方法为:
低聚果糖水解得率(%)=(C1/C)×100
其中:C--初始菊粉含量,g/L
C1--酶解后酶解液中低聚果糖含量,g/L。

Claims (5)

1.一种定向制备内切菊粉酶的方法,其特征在于,将菊粉溶于乙醇的水溶液中,充分混匀后,调节溶液pH值至4.0-5.0,加入微生物产天然菊粉酶,在0-5℃条件下静置后,离心得固形物,加入蒸馏水复溶固形物,即得仅含内切菊粉酶活力的酶液;
其中,所述乙醇的水溶液,乙醇的质量百分比浓度为50%-70%;
菊粉在乙醇的水溶液中的浓度为20-80g/L;
用盐酸调节溶液pH值至4.0-5.0;
天然菊粉酶的加入量以内切菊粉酶为基准,内切菊粉酶的加入量为15 U每克菊粉。
2.根据权利要求1所述的定向制备内切菊粉酶的方法,其特征在于,所述乙醇的水溶液,乙醇的质量百分比浓度为55%-65%。
3.根据权利要求1所述的定向制备内切菊粉酶的方法,其特征在于,菊粉在乙醇的水溶液中的浓度为30-60g/L。
4.根据权利要求1所述的定向制备内切菊粉酶的方法,其特征在于,微生物产天然菊粉酶中包含内切菊粉酶与外切菊粉酶。
5.一种制备低聚果糖的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将菊粉溶于乙醇的水溶液中,充分混匀后,调节溶液pH值至4.0-5.0,加入微生物产天然菊粉酶,在0-5℃条件下静置后,离心得固形物,加入蒸馏水复溶固形物,即得仅含内切菊粉酶活力的酶液;
(2)将步骤(1)得到的含内切菊粉酶活力的酶液与菊粉水溶液进行酶解反应得到低聚果糖;
其中,所述乙醇的水溶液,乙醇的质量百分比浓度为50%-70%;
菊粉在乙醇的水溶液中的浓度为20-80g/L;
用盐酸调节溶液pH值至4.0-5.0;
天然菊粉酶的加入量以内切菊粉酶为基准,内切菊粉酶的加入量为15 U每克菊粉。
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