王偉濤，蔣志國(guó)，張海德，彭健，許英豪，董安華，楊雪芳，蔣欣欣

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南 ?？?570228）

引 言

木瓜蛋白酶（EC3.4.22.2）是由 212個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)單鏈，具有耐高溫、穩(wěn)定性好、蛋白水解能力強(qiáng)等特征，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-3]。對(duì)木瓜蛋白酶的分離純化技術(shù)進(jìn)行深入研究，提取高品質(zhì)的木瓜蛋白酶具有重要的應(yīng)用價(jià)值。而傳統(tǒng)提取木瓜蛋白酶的方法存在酶活性不穩(wěn)定、純度不高、工藝煩瑣且很難大規(guī)模生產(chǎn)，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求[4]，因此有必要尋找制備高品質(zhì)、高活性木瓜蛋白酶的新方法。

雙水相萃取技術(shù)(ATPS)是近幾年出現(xiàn)的、非常有應(yīng)用前途的一種新型生物化工分離技術(shù)。雙水相萃取技術(shù)的特點(diǎn)主要有[5-7]：①兩相間的界面張力小，有利于強(qiáng)化相際間的物質(zhì)傳遞；②操作條件溫和，體系含水量高，在接近生理環(huán)境的體系中進(jìn)行萃取，有助于保持生物活性；③傳質(zhì)和平衡速度快，回收率高，分相的時(shí)間短，能耗較低；④成相的聚合物（如PEG）對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境污染??；⑤可以采用多種手段來(lái)提高選擇性和回收率；⑥易于連續(xù)化操作，設(shè)備簡(jiǎn)單，所以雙水相技術(shù)特別適合生物活性物質(zhì)的萃取[8-10]。

離子液體是近十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種全新綠色介質(zhì)和功能材料，具有不易揮發(fā)、不可燃、穩(wěn)定性高、溶解能力強(qiáng)、功能可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大。離子液體雙水相體系（ionic liquids aqueous two-phase system，ILATPS）一般是由親水性離子液體、無(wú)機(jī)鹽和水形成的雙水相體系，它綜合了離子液體和雙水相體系的優(yōu)點(diǎn)[11]。作為一種新型高效的綠色分離體系，與傳統(tǒng)聚合物雙水相體系相比，離子液體雙水相具有黏度低、分相快、不易乳化、回收率高、離子液體可以循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的重視。目前，利用離子液體雙水相萃取的蛋白質(zhì)、氨基酸、酶等活性物質(zhì)已達(dá)數(shù)十種[12-18]。

目前，雙水相萃取木瓜蛋白酶的研究國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道，但主要集中在PEG/鹽雙水相系統(tǒng)[2,19-23]。曹對(duì)喜等[20]建立了 PEG/(NH4)2SO4體系提取木瓜蛋白酶，探討了 PEG 分子量、PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH以及粗酶添加量對(duì)木瓜蛋白酶萃取效果的影響，酶活回收率為89.30%。涂紹勇等[22]對(duì) PEG/(NH4)2SO4雙水相系統(tǒng)提取木瓜蛋白酶進(jìn)行了研究，得到雙水相體系最佳條件為：PEG600 27%、(NH4)2SO421%、pH 7.0 和溫度 60℃。Nitsawang等[2]對(duì)比研究了雙水相萃取法與兩步鹽析法對(duì)木瓜蛋白酶的純化效果，采用8% PEG/15%(NH4)2SO4雙水相體系分離純化木瓜蛋白酶的純度較兩步鹽析法高，并減少了提取時(shí)間，但未對(duì)雙水相體系進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。Ling等[19]將活性染料Reactive Red 120 添加到PEG/(NH4)2SO4雙水相系統(tǒng)中，對(duì)木瓜蛋白酶分配的成相條件進(jìn)行了優(yōu)化，木瓜蛋白酶的分配比為1.92，得率為50.09%。但是，體系中加入的游離親和染料Reactive Red 120 對(duì)木瓜蛋白酶的分配無(wú)影響。

相對(duì)離子液體雙水相，聚乙二醇雙水相存在黏度大，后續(xù)酶的分離較困難；分相慢，有些PEG雙水相系統(tǒng)需要離心才能徹底分相；易乳化，單次酶處理量不多；以及萃取率不高等現(xiàn)象[24]。本文擬把離子液體雙水相應(yīng)用于木瓜蛋白酶的提取，可為該體系的放大實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木瓜蛋白酶（生化酶3500 U·mg?1），生工生物(上海)股份有限公司；[C2mim]Cl、[C4mim]Cl、[C6mim]Cl、[C4mim]Br、[C4mim]BF4，上海成捷化學(xué)有限公司；K2HPO4（分析純）、NaH2PO4（分析純），廣州化學(xué)試劑廠；其他都為市售分析純。

TU1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用有限責(zé)任公司；DK-98-1型恒溫水浴鍋，天津泰斯特儀器有限公司；FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀，天津港東科技發(fā)展股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）木瓜蛋白酶活性的測(cè)定 以酪蛋白為底物，測(cè)定木瓜蛋白酶的活性[3]。

（2）蛋白質(zhì)含量的測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定雙水相中木瓜蛋白酶蛋白質(zhì)的濃度[25]。

（3）離子液體對(duì)酶活性的影響 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.0%、15.0%、25.0%、35.0%、45.0%的離子液體，各取2.0 ml加1.0 ml稀釋一定倍數(shù)的酶溶液，放置10.0 min后測(cè)其酶活性?？瞻兹?.0 ml去離子水加1.0 ml稀釋相同倍數(shù)的酶溶液，放置10.0 min后測(cè)其酶活性。以酶活性比X為指標(biāo)，考察各成相試劑對(duì)酶活性的影響。

（4）離子液體雙水相體系提取木瓜蛋白酶 取5.0 ml刻度冷凍管，加入0.25 g·ml?1（離子液體質(zhì)量/體系體積，以下同）的離子液體、0.35 g·ml?1的K2HPO4、2.0 mg·ml?1（木瓜蛋白酶的質(zhì)量/體系體積，以下同）木瓜蛋白酶溶液，體系pH 7.0，30℃。研究酸度影響時(shí)加入不同pH的B.R緩沖溶液1.0 ml，加去離子水至5.0 ml，空白加與酶溶液相同pH和等體積的酶稀釋液，30℃振蕩30 min，靜置至分相。讀取上下相的體積V，測(cè)定上相的蛋白濃度（mg·ml?1）和酶活性濃度（U·ml?1），計(jì)算公式如下

式中，Ye為酶活性回收率，%；Etop為上相酶活性濃度，U·ml?1；Vtop為上相體積，ml；Me為加入體系的總酶活性，U。

式中，Yp為蛋白回收率，%；Ptop為上相蛋白濃度，U·ml?1；Mp為加入體系的總蛋白質(zhì)量，mg。

式中，SA為木瓜蛋白酶比活力，U·mg?1；E為酶活性濃度，U·ml?1；P為可溶性蛋白濃度，mg·ml?1。

式中，PF為純化因子；SAtop為上相酶的比活力；SAI為初始酶的比活力。

（5）木瓜蛋白酶在萃取體系中的結(jié)構(gòu)表征 為了鑒定萃取后木瓜蛋白酶的結(jié)構(gòu)，分別表征了水溶液和離子液體中木瓜蛋白酶的 UV-vis吸收光譜以及木瓜蛋白酶、離子液體、離子液體中木瓜蛋白酶的FT-IR吸收光譜。

（6）數(shù)據(jù)處理 采用Origin8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每組均重復(fù) 3次，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%、15.0%、25.0%、35.0%、45.0%的離子液體，固定 pH 8.0（添加 HCl或者NaOH），溫度 30℃，考察不同濃度的離子液體對(duì)酶活性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，在較低濃度（35%以下）時(shí)，成相物質(zhì)的存在對(duì)酶活性沒(méi)有明顯的抑制作用，即使成相物濃度達(dá)到 35%，酶活性比仍在 85%以上，其中離子液體[C2mim]Cl對(duì)酶活性反而還有促進(jìn)作用；隨著成相劑濃度的進(jìn)一步增加，對(duì)酶活性的抑制作用加強(qiáng)，故成相時(shí)離子液體的濃度不宜太大，控制在35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下。

圖1 不同濃度的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響Fig.1 Effect of concentration of ionic liquids on activity of enzyme

圖2 不同pH的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響Fig.2 Effect of pH of ionic liquids on activity of enzyme

2.2 不同pH的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25%的離子液體溶液，溫度30℃，考察離子液體中不同pH對(duì)酶活性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。如圖所示，在離子液體溶液中，當(dāng)pH＜7.0時(shí)，對(duì)酶活性有抑制作用，而且隨著pH的降低，抑制作用逐漸加強(qiáng)；相反，當(dāng)pH＞7.0時(shí)，對(duì)酶活性有一定的促進(jìn)作用。故實(shí)驗(yàn)中為保持酶的活性，雙水相體系的pH應(yīng)保持在7.0以上。

2.3 不同溫度的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的離子液體溶液，固定pH為8.0，考察不同溫度的離子液體對(duì)酶活性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。如圖3所示，隨著溫度的升高，離子液體溶液對(duì)酶活性的抑制作用逐漸加強(qiáng)。[C2mim]Cl受溫度的影響相對(duì)較小，在溫度60℃時(shí)酶活性比有90%；[C6mim]Cl受溫度的影響相對(duì)較大，在溫度60℃時(shí)酶活性比只有58%；[C4mim]Cl、[C4mim]BF4、[C2mim]Br溶液在溫度 50℃時(shí)酶活性比在 90%左右，當(dāng)溫度升到60℃時(shí)，酶活性比都低于80%，說(shuō)明離子液體溶液在溫度較高時(shí)對(duì)酶活性影響較大。

圖3 不同溫度的離子液體溶液對(duì)酶活性的影響Fig.3 Effect of temperature of ionic liquids on activity of enzyme

圖4 不同離子液體雙水相體系對(duì)分配行為的影響Fig. 4 Effect of different ionic liquid aqueous two-phase systems on partitioning behavior

2.4 離子液體雙水相體系及鹽的濃度對(duì)分配行為的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，選取[C4mim]BF4/NaH2PO4、[C4mim]Cl/K2HPO4、[C4mim]Br/K2HPO4雙水相體系，考察不同離子液體雙水相體系對(duì)木瓜蛋白酶分配行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 4。結(jié)果表明，在所研究的3個(gè)體系中，[C4mim]BF4體系萃取木瓜蛋白酶的回收率偏低，NaH2PO4濃度為0.40 g·ml?1時(shí)達(dá)到最大，為65.48%，萃取木瓜蛋白酶的效果不理想，故舍去。說(shuō)明離子液體種類(lèi)不同，對(duì)蛋白質(zhì)選擇性分離產(chǎn)生重要的影響，Zeng等[26]采用不同離子液體雙水相提取BSA，其萃取效果差異很大。[C4mim]Cl體系和[C4mim]Br體系的酶活性回收率和純化因子先增大后減小，在K2HPO4濃度為0.35 g·ml?1時(shí)達(dá)到最大，酶活性回收率分別為91.3%和86.55%，純化因子分別為1.48和1.49。原因是無(wú)機(jī)鹽的鹽析作用是雙水相成相的主要原因之一[27]，增大 K2HPO4的濃度，無(wú)機(jī)鹽的鹽析作用加強(qiáng)，木瓜蛋白酶更趨向分配于上相，但過(guò)多的鹽對(duì)木瓜蛋白酶的活性影響又較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Huang等[28]用離子液體雙水相提取BSA的結(jié)果相同。相比而言，[C4mim]Cl體系的酶活性回收率比[C4mim]Br體系的酶活性回收率整體偏高，純化因子相差不多，故選取 K2HPO4濃度0.35 g·ml?1的[C4mim]Cl體系進(jìn)一步優(yōu)化。

2.5 離子液體側(cè)烷基鏈長(zhǎng)度及濃度對(duì)分配行為的影響

在上述最佳條件下，考察不同側(cè)烷基鏈長(zhǎng)度的離子液體（[Cnmim]Cl，n=2,4,6）及濃度對(duì)分配行為的影響。由圖5可知，隨著離子液體濃度的增大，[C2mim]Cl體系、[C4mim]Cl體系、[C6mim]Cl體系的酶活性回收率先增大后較小，最大分別為93.41%、92.03%、59.53%。原因是隨著離子液體濃度的增加，相比逐漸增大，木瓜蛋白酶的回收率隨之增大，繼續(xù)增大離子液體的濃度，體積排阻效應(yīng)增大，導(dǎo)致木瓜蛋白酶在相間的傳遞以及在相中的擴(kuò)散阻力大大增大，不利于蛋白質(zhì)進(jìn)入離子液體相，回收率下降，相同的結(jié)果在Lin等[29]使用離子液體雙水相提取BSA的研究中也可以觀察到。

在相同離子液體濃度下，[C6mim]Cl體系酶活性回收率明顯低于[C2mim]Cl和[C4mim]Cl體系。隨著離子液體側(cè)烷基鏈的增長(zhǎng)，疏水性增強(qiáng)，其形成的雙水相臨界點(diǎn)越靠近原點(diǎn)，越有利于蛋白質(zhì)選擇性分離，即易于分配于富含離子液體相中，分配系數(shù)增大[30]，但離子液體側(cè)烷基鏈越長(zhǎng)，反而對(duì)酶活性影響較大，不利于酶活性的保持。相比[C2mim]Cl和[C4mim]Cl體系，最高酶活性回收率基本相同，但圖5 (b)結(jié)果顯示，[C4mim]Cl體系木瓜蛋白酶的純化因子明顯高于[C2mim]Cl體系，0.25 g·ml?1時(shí)達(dá)到最大 1.5，而[C2mim]Cl體系純化因子最高為1.37。純化因子高，表明該體系對(duì)木瓜蛋白酶的分離選擇性好，酶純度高。綜合考慮，選取0.25 g·ml?1的[C4mim]Cl體系為最佳。

圖5 不同側(cè)烷基鏈長(zhǎng)度的離子液體及濃度對(duì)分配行為的影響Fig.5 Effect of alkyl chain length and concentration of ionic liquid on partitioning behavior

2.6 酶添加量對(duì)分配行為的影響

在上述最佳條件下，考察酶添加量對(duì)分配行為的影響。由圖6可知，酶添加量在2.2 mg·ml?1左右時(shí)，酶活性回收率最大，為94.47%；在1.8 mg·ml?1時(shí)純化因子最大，為 1.51。酶添加量在 0.20～3.0 mg·g?1時(shí)，酶活性回收率和純化因子的變化不大，說(shuō)明離子液體雙水相可以提供一個(gè)比較寬的酶添加范圍，這與 Cao等[31]利用離子液體雙水相提取HRP的結(jié)果相同。隨著酶添加量的增加，相比逐漸增大，回收率相對(duì)增加，繼續(xù)增加酶量，不僅上相發(fā)生微乳化現(xiàn)象，增大后續(xù)分離酶的工作量，也使上相的酶容量達(dá)到飽和，導(dǎo)致過(guò)多的木瓜蛋白酶分配于兩相中間，使回收率下降，造成酶的浪費(fèi)。綜合考慮，酶添加量為2.0 mg·ml?1比較合適，不僅酶活性回收率和純化因子較高，實(shí)驗(yàn)操作和計(jì)算也方便。

圖6 酶添加量對(duì)分配行為的影響Fig.6 Effect of dosage of papain on partition behavior

圖7 pH對(duì)分配行為的影響Fig.7 Effect of pH on partitioning behavior

2.7 pH對(duì)分配行為的影響

在上述最佳條件下，考察pH對(duì)分配行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 7。由于木瓜蛋白酶是中性蛋白，在pH 7.0左右酶活性最大，過(guò)酸或者過(guò)堿對(duì)酶活性的影響較大，為保證木瓜蛋白酶的活性不受太大影響，選取pH=5.0～11.0。由圖7所示，體系pH在5.0～7.5時(shí)，木瓜蛋白酶的酶活性回收率逐漸增大；在所選取的7個(gè)pH中，pH 8.0時(shí)，酶活性回收率和純化因子最大，分別為95.16%和1.50；pH在7.5～10.0時(shí)，木瓜蛋白酶的回收率呈下降趨勢(shì)，這與木瓜蛋白酶的等電點(diǎn)和電荷性質(zhì)有關(guān)[32]。蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，離子液體雙水相體系pH的變化必然會(huì)改變蛋白質(zhì)的電荷性質(zhì)，從而影響到離子液體咪唑類(lèi)陽(yáng)離子與蛋白質(zhì)之間的靜電相互作用。因此，靜電相互作用在蛋白質(zhì)選擇性分離中起著重要的作用。

2.8 溫度對(duì)分配行為的影響

在上述最佳條件下，考察溫度對(duì)分配行為的影響，結(jié)果如圖8所示。溫度的變化一方面影響相物理性質(zhì)的變化（例如黏度和密度等），從而影響蛋白質(zhì)的分配，另一方面溫度對(duì)體系的疏水相互作用和氫鍵作用也有影響，而疏水相互作用是蛋白質(zhì)在離子液體雙水相中分配的主要驅(qū)動(dòng)力，氫鍵相互作用對(duì)蛋白質(zhì)的分配也有重要影響[11]。在20～30℃時(shí)酶活性回收率變化不大，在 30℃時(shí)達(dá)到 93.77%，隨著溫度的繼續(xù)升高，酶活性回收率急劇下降；蛋白回收率先減小后增大，在 50℃時(shí)最小，只有32.8%。原因是，一方面在此溫度下成相物質(zhì)的密度、黏度等性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響蛋白質(zhì)在離子液體雙水相中的分配；另一方面，隨著溫度的升高，疏水相互作用逐漸增強(qiáng)，氫鍵作用逐漸減弱，在50℃時(shí)，蛋白質(zhì)氨基酸殘基和水分子間的氫鍵作用遭到破壞。此時(shí)氫鍵（其他分子間）的形成受疏水相互作用的影響較少，導(dǎo)致疏水相互作用的效果減弱[26]。一般來(lái)說(shuō)，適當(dāng)提高溫度有利于蛋白質(zhì)分配于富離子液體相，但在 60℃時(shí)，蛋白回收率達(dá)到53.71%，而酶活性回收率只有13.49%。根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，木瓜蛋白酶具有耐高溫的特性，60℃對(duì)活性有一定影響，但影響不是很大，而離子液體的熱穩(wěn)定性非常好，咪唑類(lèi)離子液體在 400℃左右才開(kāi)始分解[33]，結(jié)合2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)可知，高溫（≥60℃）條件下，離子液體和木瓜蛋白酶之間存在相互作用，進(jìn)而影響了木瓜蛋白酶的結(jié)構(gòu)和活性。故提取木瓜蛋白酶的離子液體雙水相體系的溫度不宜太高，30℃左右為宜。

圖8 溫度對(duì)分配行為的影響Fig.8 Effect of temperature on partitioning behavior

3 結(jié) 論

木瓜蛋白酶在離子液體雙水相中選擇性分離的機(jī)理是比較復(fù)雜的。研究表明，在該體系中主要有3種作用力，即疏水相互作用、靜電相互作用和鹽析作用，蛋白酶的選擇性分配主要是這3種作用力的聯(lián)合效應(yīng)，因此受到離子液體側(cè)烷基鏈長(zhǎng)度及濃度、鹽濃度、pH、溫度等因素的影響，而疏水相互作用是蛋白酶在雙水相體系中分配的主要驅(qū)動(dòng)力[11]。眾所周知，蛋白質(zhì)表面存在著大量如酪氨酸、苯丙氨酸等芳香族氨基酸殘基，約占總蛋白的10%左右，由于離子液體中的咪唑陽(yáng)離子與木瓜蛋白酶氨基酸的苯環(huán)上均含有π-電子結(jié)構(gòu)，兩者之間存在強(qiáng)烈的π-π堆積作用，從而使木瓜蛋白酶趨于分配于富離子液體上相中[34]。

（1）通過(guò)對(duì)酶活性穩(wěn)定的考察可知，在溫度（≤30℃）較低時(shí)，離子液體對(duì)木瓜蛋白酶的活性影響較小，低濃度時(shí)還能促進(jìn)酶活性；高溫（≥60℃）時(shí)，離子液體對(duì)酶活性影響較大。

（2）考察不同離子液體雙水相系統(tǒng)對(duì)木瓜蛋白酶分配行為的影響，可知[C4mim]Cl和[C4mim]Br體系萃取木瓜蛋白酶的效果比[C4mim]BF4體系好。

（3）通過(guò)對(duì)溫度的考察可知，高溫（≥60℃）對(duì)離子液體雙水相體系萃取木瓜蛋白酶不利。

（4）實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到[C4mim]Cl/K2HPO4離子液體雙水相體系萃取木瓜蛋白酶的最佳條件為：[C4mim]Cl質(zhì)量濃度 0.25 g·ml?1，K2HPO4質(zhì)量濃度 0.35 g·ml?1，pH 8.0，酶添加量 2.0 mg·ml?1，30℃。此條件下木瓜蛋白酶的酶活性回收率達(dá)到95.16%，純化因子 1.5，萃取結(jié)果較理想。而采用PEG/鹽雙水相系統(tǒng)的酶活性回收率大都在 90%以下。

（5）實(shí)驗(yàn)中存在的不足在于離子液體的成本較高，對(duì)工業(yè)化大規(guī)模提取不利。今后實(shí)驗(yàn)室對(duì)廉價(jià)離子液體的合成進(jìn)行研究，是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。

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