CN110777141B - 一种酸性脲酶的共交联固定化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种酸性脲酶的共交联固定化方法。使用油溶性的丁二醇双丙烯酸酯作为交联剂,水相中的反应物为含有氨基的酸性脲酶以及胺化环氧树脂与β‑环糊精形成的超分子复合物,利用双键与氨基的迈克尔加成反应,在较低的温度下发生共交联聚合反应,制备出不同负载量的固定化酸性脲酶。通过控制交联程度,提高分散性,改善其内部的传质微环境,该固定化酶在负载量为21~58mg酶/g载体范围内具有较高的催化活性,最高相对活性达到游离酶的90%。
Description
技术领域
本发明涉及固定化酶生物催化技术领域,尤其是一种酸性脲酶的共交联固定化方法,该新型固定化酸性脲酶可专门用于去除酒中的尿素。
背景技术
脲酶(EC 3.5.1.5)又称氨基水解酶,是一种含有镍离子的金属酶(等电点为4.6~4.8)。其分子量约为120000~130000Da。在水存在的条件下,将尿素分解为氨和二氧化碳,10倍于无脲酶催化时此反应的速度。根据脲酶的最适pH不同,可分为酸性脲酶,中性脲酶和碱性脲酶。脲酶广泛分布于植物的种子中,以大豆和刀豆中含量最为丰富。此外也存在于动物血液和尿中,某些微生物也能分泌脲酶。在酒类发酵工业中,尿素含量过高时,会让酒类略带苦味,且在加热灭菌或者存储过程中会引起酒类色泽和口感的改变。此外,尿素会和乙醇反应生成一种氨基甲酸乙酯的致癌物质。酒精饮料的pH一般在4.5~5.5范围内,酸性脲酶具有耐酸和乙醇的能力,向酒中添加酸性脲酶,可降解其中的尿素。在酒中添加一定量的酸性脲酶,将尿素分解为氨和二氧化碳,是降低成品酒中尿素含量的主要方法,酸性脲酶能够耐受酸性环境,并且在大部分的低乙醇度酒精饮料中仍具有很高的活性。用酶法去除去酒中的尿素不仅操作简单、方便、有效,而且对酒的质量和风味没有太大的影响。国内外目前在日本清酒、葡萄酒中,均利用这种方法来去除尿素,降低含量。国际葡萄酒组织、欧盟、美国等都允许酸性脲酶作为食品添加剂使用。
固定化酶就是通过化学手段将水溶性的游离酶变成不溶性的固体酶,固定化有很多优点:例如固定化的酸性脲酶可重复使用,使酶的使用效率提高、使用成本降低;固定化的酸性脲酶极易与反应体系分离,简化了操作工艺;固定化的酸性脲酶其储存稳定性和热稳定性都得到了提高;固定化酶的催化反应过程更易控制;固定化酶具有一定的机械强度,可以用搅拌或装柱的方式作用于底物溶液,便于酶催化反应的连续化和自动化操作。酶的交联是一种非常有效的固定化方法,其所形成的产物称为交联酶聚集体。最常用的交联剂为水溶性的戊二醛,它反应活性高,用量难以控制,很容易造成酶的过度交联,使酶的活性有很大的损失,此外,传统的交联法往往须要在交联之前使酶分子沉淀聚集,这样既会造成酶的浪费,又会阻断传质通道,无法充分发挥酶的催化效率。
本发明专利提供一种共交联的方法用于酸性脲酶的固定,利用酸性脲酶分子上的氨基与丙烯酸酯类交联剂发生迈克尔加成反应,同时还引入含有β-环糊精的结构单元,这样既能为催化反应提供空间,降低传质阻力,同时还能增加亲水性,提高酶的活性。使用这种共交联方法,酶的负载量和催化活性高,稳定性好,固定化酶呈颗粒状,催化反应容易操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种酸性脲酶的固定化方法,这种方法是基于酸性脲酶与另一种含有机胺的分子复合物的共交联反应,交联反应的基础是丙烯酸酯与氨基的迈克尔加成,该反应在常温下就能快速发生,因而不会对酶的整体结构造成破坏,共交联法负载效率高,稳定性好,同时还能调节固定化酶的微环境,使其保持高的催化活性。
1、本发明解决技术问题所采用的技术方案为:一种水/油两相的交联反应,油相为交联剂丁二醇双丙烯酸酯,水相中的反应物为酸性脲酶及β-环糊精与胺化环氧树脂的超分子复合物,固定化酶的负载量是通过酸性脲酶的浓度来调节。
非常有益的是,通过多相反应可以控制交联程度,避免酶的过度交联;
非常有益的是,β-环糊精与胺化环氧树脂的分子复合物与酶分子产生强的亲和力,导致交联反应能使酸性脲酶能以接近100%的利用率被固定化,交联反应发生后,液相中几乎没有残留的酸性脲酶;
非常有益的是,β-环糊精与胺化环氧树脂的分子复合物具有弯曲的刚性结构,它带来了充足的自由体积,为生物大分子与底物相互作用提供传质通道,同时为生物大分子的构象提供稳定性,从而提高了固定化酶的催化活性。
2、本发明解决另一个技术问题所采用的技术方案为:一种上述固定化酶的制备方法,其特征步骤为:1)将双酚A环氧树脂(牌号为E-44,环氧值为0.44,数均分子量为454)、甲醇和三乙烯四胺三种组分按照2∶2∶1.2的质量比混合,在25~35℃范围内搅拌反应4~5小时,将混合物倒入水中,沉淀物用水反复洗涤除去甲醇和少量的胺,然后放入真空烘箱中常温干燥,得到环氧树脂胺化物;2)将环氧树脂胺化物与β-环糊精按照1∶2.1~1∶2.3的摩尔比加入到水中,加热搅拌至环氧树脂胺化物全部转化为分子复合物而溶解在水中,保持该水溶液的总质量浓度在5~6wt.%范围;3)将酸性脲酶溶解在pH=7.5的磷酸钠缓冲溶液中,酶的浓度保持在1.0~7.0mg/mL范围;4)分别将浓度为1.0mg/mL、2.0mg/mL、3.0mg/mL、4.0mg/mL、5.0mg/mL、6.0mg/mL、7.0mg/mL的酸性脲酶溶液与上述分子复合物水溶液按照55mL∶20mL的比例混合,通过改变酶溶液的浓度来调节固定化酶的负载量;5)在搅拌下将1.2g丁二醇双丙烯酸酯加入到上述混合水溶液中,反应温度保持在25~30℃范围,10~15分钟后有白色凝胶颗粒形成,停止搅拌使反应体系放置6~7小时,过滤后即得到不同负载量的固定化酸性脲酶的产物。
非常有益的是,交联剂中的一个双键首先与分子复合物上的氨基发生反应,形成具有乳化作用的产物,油相在反应启动后会很快分散直至消失,酸性脲酶首先通过吸附方式进入聚合物中,然后交联剂上的双键与酶上的氨基进行缓慢的反应,最终变成共交联的固定化酶产物;
非常有益的是,利用β-环糊精与疏水苯环的相互作用引入亲水基团,避免使用化学键,并通过交联反应使β-环糊精无法脱离聚合物,使固定化酶的制备简化;
非常有益的是,整个聚合过程中不加入其它有机溶剂,不需要更高的温度。
本发明的优点在于:1)利用水/油双相反应实现酶的交联,控制了交联程度;2)引入β-环糊精分子复合物改善了固定化酸性脲酶的微环境,提高了酶的催化反应活性;3)共交联固定法能使酸性脲酶以极高的效率被固定化。
具体实施方式
酶的固定化
1)将双酚A环氧树脂(牌号为E-44,环氧值为0.44,数均分子量为454)、甲醇和三乙烯四胺三种组分按照2∶2∶1.2的质量比混合,在25~35℃范围内搅拌反应4~5小时,将混合物倒入水中,沉淀物用水反复洗涤除去甲醇和少量的胺,然后放入真空烘箱中常温干燥,得到环氧树脂胺化物;
2)将环氧树脂胺化物与β-环糊精按照1∶2.1~1∶2.3的摩尔比加入到水中,加热搅拌至环氧树脂胺化物全部转化为分子复合物而溶解在水中,保持该水溶液的总质量浓度在5~6wt.%范围;
3)将酸性脲酶溶解在pH=7.5的磷酸钠缓冲溶液中,酶的浓度保持在1.0~7.0mg/mL范围;
4)分别将浓度为1.0mg/mL、2.0mg/mL、3.0mg/mL、4.0mg/mL、5.0mg/mL、6.0mg/mL、7.0mg/mL的酸性脲酶溶液与上述分子复合物水溶液按照50mL∶20mL的比例混合,通过改变酶溶液的浓度来调节固定化酶的负载量;
5)在搅拌下将1.0g丁二醇双丙烯酸酯加入到上述混合水溶液中,反应温度保持在25~30℃范围10~15分钟后有白色凝胶颗粒形成,同时油相消失,停止搅拌使反应体系放置6~7小时,过滤后即得到不同负载量的固定化酸性脲酶的产物。
固定化酶的负载量测定:
由于共交联法固定酸性脲酶后,反应残留液中测不到酸性脲酶的活性,说明经过交联后酸性脲酶全部进入到固体颗粒中,所以负载量的计算用以下公式:
其中:C为共交联酶溶液的浓度(mg/mL);V为共交联酶溶液的体积(mL);m为固定化酶干态质量(g)。
酶活力测定:
(1)游离酶活的测定:采用靛酚蓝比色法。氨态氮和次氯酸钠反应生成氯化亚氨,在强碱溶液中,氯化亚胺、苯酚和强碱共同反应,生成亚氨基苯酚,进一步和次氯酸钠及强碱发生反应,最终生成蓝色稳定物质靛酚,在一定浓度范围内,蓝色的深浅程度与铵离子浓度成正比。
NH4 +标准曲线测定:精确配置5mmol/L的NH4Cl标准溶液,分别吸取标准溶液0.0mL、0.05mL、0.10mL、0.20mL、0.30mL、0.40mL、0.50mL于干净试管中,超纯水补齐至1.0mL。加入1mL终止剂,混匀后加入的1mL显色剂和1mL显色剂II,充分混匀后,37℃恒温水浴保温20min,蒸馏水定容至25mL,625nm处比色,并记录OD值。以OD625吸光度值对NH4 +物质的量作图,得到标准曲线。
取2支25mL色管各加入0.2mLpH 5.5摇匀后的发酵液,加塞。其中1支对照管加热煮沸5min,使酶失活。然后在2管中各加入0.8mL用柠檬酸缓冲液配制的pH 4.5的3%尿素溶液,在37℃恒温水浴箱中保温30min后,2管各加入1mL三氯乙酸溶液,混匀后加入1mL的显色剂I和1mL显色剂II,强烈振荡,37℃恒温水浴箱中保温20min取出用蒸馏水稀释到25mL,625nm处比色,记录OD值,然后根据标准曲线计算出酶活。
(2)固定化酶活的测定:一定体积的酶液经固定化后加入一定体积的柠檬酸缓冲液配制的pH值5.5的体积分数为3%尿素溶液在37℃恒温水浴箱中保温30min后,过滤取滤液,下面方法与游离酶活力测定相同。
酶活定义:在常压,37℃,pH 4.5条件下,每分钟分解尿素产生1μmol氨为一个酶活力单位。
相对活性:
将固定化酶的活性与游离酶的活性之比定义为相对活性。
实验结果:
实验一共得到7个不同负载量的固定化酸性脲酶的样品,分别测定它们的活力,计算得到它们的相对活性。图1是相对活性与负载量的关系,当负载量在21~58mg酶/g载体范围时,固定化酶的活力随负载量的增加而逐渐变高,其最高比活力达到游离酶的90%,这个结果说明酸性脲酶在这个范围处于非常适合催化的状态。当负载量大于58mg酶/g载体时,固定化酶的活性逐渐随负载量的增加而变小。一般来说交联固定法都会使酶的构象变得僵硬,从而活性降低,本发明专利的共交联固定法引入环糊精超分子结构单元,它使固定化酶的结构变的松散,同时还改善了内部的亲水性,此外共交联还能提高酶的分散性,避免了酶的聚集,从而提高其催化活性,但是当负载量过大时,酶的聚集变得不可避免,所以其活力会随负载量的增加而迅速下降。
我们以负载量为58mg酶/g载体的样品为研究对象,测定固定化酶与游离酶溶液的储存稳定性,其结果如图2所示,以时间为零的起始状态的活性为100%,在4℃,pH=7.5条件下经过28天的储存,游离酶溶液残留47%的活性,固定化酶残留78%的活性,所以在储存稳定性方面,固定化酶要明显优于游离酶。
附图说明
图1 固定化的酸性脲酶催化活性与其负载量的依赖关系。
图2 固定化与游离的酸性脲酶储存稳定性比较。
Claims (1)
1.一种酸性脲酶共交联固定化方法,其特征在于使用水/油两相反应体系,油相为交联剂丁二醇双丙烯酸酯,水相中的反应物为酸性脲酶及结构如下的分子复合物:
所述的酸性脲酶共交联固定化方法,按以下步骤操作:
1)将数均分子量为454的双酚A环氧树脂、甲醇和三乙烯四胺三种组分按照2∶2∶1.2的质量比混合,在25~35℃范围内搅拌反应4~5小时,将混合物倒入水中,沉淀物用水反复洗涤除去甲醇和少量的胺,然后放入真空烘箱中常温干燥,得到环氧树脂胺化物;
2)将环氧树脂胺化物与β-环糊精按照1∶2.1~1∶2.3的摩尔比加入到水中,加热搅拌至环氧树脂胺化物全部转化为分子复合物而溶解在水中,保持该水溶液的总质量浓度在5~6wt.%范围;
3)将酸性脲酶溶解在pH=7.5的磷酸钠缓冲溶液中,酶的浓度保持在1.0~7.0mg/mL范围;
4)将不同浓度的酸性脲酶溶液与上述分子复合物水溶液按照50mL∶20mL的比例混合;
5)在搅拌下将1.0g丁二醇双丙烯酸酯加入到上述混合水溶液中,反应温度保持在25~30℃范围,10~15分钟后有白色凝胶颗粒形成,停止搅拌使反应体系放置6~7小时,过滤后即得到不同负载量的酸性脲酶固定化产物。
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