CN112342268A - 一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法及其应用,所述分析方法包括:对酶解液上清液进行去糖预处理,再对各酶组分进行酶活力的测定,以此分析多酶组分的吸附行为。该分析方法既能够考察纤维素酶中多种单酶组分的吸附变化规律,也不会因杂蛋白影响结果的准确性,更没有忽略不同酶组分之间在吸附中的相互影响,可直接描述各酶组分与纤维素的真实吸附行为。本发明可用于处理实际酶解液体系的酶吸附分析,有助于针对性地制定酶回收和循环利用策略。
Description
技术领域
本发明属于生物酶技术领域,具体涉及一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法及其应用。
背景技术
纤维素酶将木质纤维素降解为可发酵的单糖是实现木质纤维素高值化的关键。在酶解过程中,纤维素酶一直处于吸附-解吸附的动态变化中。了解纤维素酶与底物之间的吸附过程,不仅可以加深对酶解机理的理解,而且可以确定酶的存在状态,有助于针对性地制定酶回收和循环利用策略。
目前对纤维素酶的吸附-解吸附过程的研究,主要是通过测定水解液上清中的蛋白质浓度的变化来计算酶的吸附情况。这种方法存在两个弊端,一是无法考察纤维素酶中多种单酶组分的吸附变化规律;二是纤维素酶中含有大量的杂蛋白会严重影响结果的准确性。另一种研究酶吸附规律的方法是通过纯化后的单酶组分与纯纤维素底物之间的作用来研究,这种方法虽然可直接描述各酶组分与纤维素的真实吸附行为,但忽略了不同酶组分之间在吸附中的相互影响,也不能反映纤维素酶与组成更加复杂的木质纤维素之间的吸附-解吸附规律。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法及其应用。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
一方面,本发明提供一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,所述分析方法包括:对酶解液上清液进行去糖预处理,再对各酶组分进行酶活力的测定,以此分析多酶组分的吸附行为。
本发明所涉及的分析方法通过测定上清中各酶组分酶活力的变化来分析其吸附情况,既能够考察纤维素酶中多种单酶组分的吸附变化规律,也不会因杂蛋白影响结果的准确性,更没有忽略不同酶组分之间在吸附中的相互影响,可直接描述各酶组分与纤维素的真实吸附行为。由于酶解液中存在多种糖,如葡萄糖、木糖和纤维二糖等,这些糖都会对纤维素酶的活力产生明显的抑制作用,因此,本发明所涉及的分析方法在酶活力测定前,需要对酶解液进行预处理,除去其中的水解糖,截留下酶蛋白,再进行酶活力测定。本发明可用于处理实际酶解液体系的酶吸附分析,有助于针对性地制定酶回收和循环利用策略。
优选地,所述多酶组分包括β-葡萄糖苷酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或木聚糖酶中的任意一种或至少两种的组合。
纤维素酶(β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶)是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称,它不是单体酶,而是起协同作用的多组分酶系,是一种复合酶,主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成,还有很高活力的木聚糖酶。
所述至少两种的组合例如β-葡萄糖苷酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶的组合、内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的组合、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶的组合等,其他任意的组合方式均可选择,在此便不再一一赘述。
优选地,所述木质纤维素包括以纤维素为主体的植物根、茎、叶或所述以纤维素为主体的植物根、茎、叶经过处理后的产物。
所述处理包括汽爆处理、稀酸处理或水热处理中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如汽爆处理和稀酸处理的组合、稀酸处理和水热处理的组合等,其他任意的组合方式均可选择,在此便不再一一赘述。
优选地,所述去糖预处理包括采用超滤离心管对酶解液上清液进行离心处理。
优选地,所述超滤离心管中超滤膜的截留孔径为2-100KDa,例如2KDa、10KDa、20KDa、30KDa、40KDa、50KDa、60KDa、70KDa、80KDa、90KDa或100KDa等,上述数值范围内的其他具体点值均可选择,在此便不再一一赘述。
优选地,所述离心的转速为1000-10000rpm,例如1000rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm、5000rpm、6000rpm、7000rpm、8000rpm、9000rpm或10000rpm等,上述数值范围内的其他具体点值均可选择,在此便不再一一赘述。
优选地,所述离心处理的次数为1-5次,例如1次、2次、3次、4次、5次等,上述数值范围内的其他具体点值均可选择,在此便不再一一赘述。
优选地,所述离心处理后上清液中蛋白质的浓度为0.1-10mg/mL,例如0.1mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、7mg/mL、8mg/mL、9mg/mL或10mg/mL等,上述数值范围内的其他具体点值均可选择,在此便不再一一赘述。
所述离心处理后上清液中蛋白质的浓度特定选择为0.1-10mg/mL是因为若蛋白质浓度过高容易造成过滤膜堵塞,延长离心时间;若蛋白质浓度过低会导致系统误差增大,影响方法的准确性。
优选地,所述离心处理前对超滤离心管进行预处理,所述预处理包括:清洗超滤离心管,再用含1-10%(例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%等)Tween-80的水溶液浸泡0.5-2h(例如0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.8h或2h等),再清洗。
所述用含1-10%Tween-80的水溶液浸泡的目的是对超滤离心管内壁钝化,减少对蛋白质的吸附。
另一方面,本发明提供一种如上所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法在研究纤维素酶的吸附-解吸附过程中的应用。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明所涉及的分析方法通过测定上清中各酶组分酶活力的变化来分析其吸附情况,既能够考察纤维素酶中多种单酶组分的吸附变化规律,也不会因杂蛋白影响结果的准确性,更没有忽略不同酶组分之间在吸附中的相互影响,可直接描述各酶组分与纤维素的真实吸附行为。由于酶解液中存在多种糖,如葡萄糖、木糖和纤维二糖等,这些糖都会对纤维素酶的活力产生明显的抑制作用,因此,本发明所涉及的分析方法在酶活力测定前,需要对酶解液进行预处理,除去其中的水解糖,截留下酶蛋白,再进行酶活力测定。本发明可用于处理实际酶解液体系的酶吸附分析,有助于针对性地制定酶回收和循环利用策略。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例评价本发明所涉及分析方法的糖去除率、蛋白质回收率、各酶组分酶活回收率,操作如下:
制备4组木质纤维素酶解体系上清液的模拟溶液,模拟体系是Cellulast1.5L、木聚糖酶和Novozymes 188三种酶的混合溶液,配方如表1所示。
表1
分别将10mL模拟溶液加入至超滤膜截留孔径为10KDa的超滤离心管中(超滤离心管已进行预处理:去离子水清洗超滤离心管,再用含5%Tween-80的水溶液浸泡2h,再去离子水清洗)中,在3000rpm离心力下离心20min,弃去下层透过液,保留上层体积为1mL的浓缩液;向保留的浓缩液中加入新鲜0.1M柠檬酸缓冲液(pH 4.8),混匀,重复上述操作2遍,收集上层浓缩液,记录浓缩液体积,并测定其蛋白质浓度(mg/mL)、葡萄糖浓度(mg/mL)、滤纸酶活力(FPU)、β-葡萄糖苷酶活力(CBU)、内切葡聚糖酶活力(CMCU)、外切葡聚糖酶活力(AviU)、木聚糖酶(XylU),如表2所示。
表2
由表1和表2数据结果可知:在4种葡萄糖浓度下,葡萄糖的去除率都可以达到98%以上。随着初始葡萄糖浓度的增加,葡萄糖去除率会有轻微的下降。当初始葡萄糖浓度为100.0mg/mL时,离心超滤后,葡萄糖浓度为4.0mg/mL。在模拟体系中,初始的蛋白量分别为1.0、2.1、4.1、8.2mg,结果显示,经过超滤处理后,92-96%的酶蛋白保留在了上层浓缩液中,随着蛋白浓度的增加,蛋白回收率略有升高。经过超滤处理后,92-95%FPU、96-98%CBU、95-98%CMCU、93-98%AviU、90-96%XylU被保留在上层浓缩液中。因此,综合来看,本发明所涉及的分析方法可以达到理想的效果。
实施例2
本实施例采用本发明所涉及的分析方法分析汽爆秸秆酶解体系中多酶组分的吸附行为,操作如下:
将玉米秸秆切成3-4cm的小段后,用秸秆重量15%的水湿润30min,装入汽爆装置中。汽爆条件为1.5MPa,10min。用固液比1:8的自来水,浸泡汽爆秸秆,用滤网过滤,重复操作2次,收集固体。
将0.5g汽爆秸秆在平放于旋转摇床上的5mL离心管中进行酶解反应,反应体系为0.05M柠檬酸缓冲液(pH 4.8),酶包括Cellulast 1.5L与Novozymes188两种酶。酶解体系中底物浓度为2%,用酶量取两组,分别是典型酶量(15滤纸酶活单位+15β-葡萄糖苷酶酶活单位/g底物)和高酶量(40滤纸酶活单位+40β-葡萄糖苷酶酶活单位/g底物)。反应12h、24h、36h、48h后,取出离心管离心(4000rpm,20min),收集上清液。为了完全收集未吸附在底物上的酶蛋白,向沉淀中加入新鲜的缓冲液6mL,轻微混匀,再次离心,收集上清液,与前一次上清液混合。将合并后上清液加入超滤膜截留孔径为15KDa的超滤离心管中(超滤离心管已进行预处理:去离子水清洗超滤离心管,再用含5%Tween-80的水溶液浸泡2h,再去离子水清洗),以3000rpm离心20min;向浓缩液中加入8mL新鲜缓冲液,再次离心,收集浓缩液,记录体积,测定回收蛋白量、滤纸酶活保留率、β-葡萄糖苷酶活力保留率、内切葡聚糖酶保留率和外切葡聚糖酶保留率,如表3(典型酶量)和表4(高酶量)所示。
表3
指标 | 0h | 12h | 24h | 36h | 48h |
回收蛋白量 | 100% | 19% | 36% | 40% | 46% |
滤纸酶活保留率 | 100% | 22% | 40% | 53% | 61% |
β-葡萄糖苷酶活力保留率 | 100% | 95% | 93% | 92% | 91% |
内切葡聚糖酶保留率 | 100% | 30% | 45% | 50% | 55% |
外切葡聚糖酶保留率 | 100% | 19% | 39% | 57% | 66% |
表4
由表3和表4数据可知:无论在高酶量还是典型酶量,有90%以上的CBU存在于上清中,FPU在上清中的含量是先降低后增加,反映出纤维素酶先吸附再解吸附的酶解过程。这与理论推测是完全相符的。验证了本发明所涉及的分析方法在分析木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为时的可行性。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法及其应用,但本发明并不局限于上述实施例,即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述分析方法包括:对酶解液上清液进行去糖预处理,再对各酶组分进行酶活力的测定,以此分析多酶组分的吸附行为。
2.如权利要求1所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述多酶组分包括β-葡萄糖苷酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或木聚糖酶中的任意一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1或2所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述木质纤维素包括以纤维素为主体的植物根、茎、叶或所述以纤维素为主体的植物根、茎、叶经过处理后的产物;
所述处理包括汽爆处理、稀酸处理或水热处理中的任意一种或至少两种的组合。
4.如权利要求1-3中任一项所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述去糖预处理包括采用超滤离心管对酶解液上清液进行离心处理。
5.如权利要求4所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述超滤离心管中超滤膜的截留孔径为2-100KDa。
6.如权利要求4或5所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述离心的转速为1000-10000rpm。
7.如权利要求4-6中任一项所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述离心处理的次数为1-5次。
8.如权利要求4-7中任一项所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述离心处理后上清液中蛋白质的浓度为0.1-10mg/mL。
9.如权利要求4-8中任一项所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法,其特征在于,所述离心处理前对超滤离心管进行预处理,所述预处理包括:清洗超滤离心管,再用含1-10%Tween-80的水溶液浸泡0.5-2h,再清洗。
10.如权利要求1-9中任一项所述的木质纤维素酶解体系中多酶组分吸附行为的分析方法在研究纤维素酶的吸附-解吸附过程中的应用。
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