馮年捷*, 傅 瑜, 王傳槐
(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430068;2. 南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210037;3. 江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 常州 213001)
漆酶是一種含銅的多酚氧化酶,以氧分子作為電子受體,通過電子傳遞,參與底物的降解和聚合。漆酶催化底物廣泛且綠色清潔,在制漿造紙、有機(jī)合成、食品醫(yī)藥和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域均起著重要作用[1-3]。由于漆酶氧化還原電勢較低,只能氧化酚型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元,而無法直接氧化木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中占主要的非酚型單元[4]。Bourbonnais等發(fā)現(xiàn)一種染料化合物2,2?-連氮基-雙-(3-乙基苯并二氫噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)可作為漆酶的介質(zhì),在氧化還原過程中起到電子傳遞的作用,參與非酚型木質(zhì)素單元的氧化[5],使利用漆酶實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化成為了可能。然而,人工合成介質(zhì)存在著價(jià)格昂貴和環(huán)境污染等問題,使得漆酶介質(zhì)體系的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到了限制[6]。Li發(fā)現(xiàn)血紅密孔菌在分泌漆酶的同時(shí)伴生 3-羥基鄰氨苯甲酸(3-HAA)[7]。Eggert研究表明,在無外加介質(zhì)的情況下3-HAA可參與漆酶氧化木質(zhì)素β-O-4結(jié)構(gòu)[8-9],從而有望解決漆酶氧化木質(zhì)素中介質(zhì)的問題。非伴生介質(zhì)漆酶活力可達(dá)136 U/g[10]或80 U/mL[11],而伴生介質(zhì)漆酶的生產(chǎn)鮮有人研究,漆酶活力較低(<10 U/mL)[7]。
筆者已篩選出了血紅密孔菌NFZH-1,漆酶活力為13.7 U/mL,并鑒定了其伴生介質(zhì)3-HAA的存在[12]。因此,迫切需要利用血紅密孔菌NFZH-1來提高伴生介質(zhì)漆酶產(chǎn)量。本研究通過優(yōu)化血紅密孔菌NFZH-1液態(tài)培養(yǎng)基和發(fā)酵條件,提高了伴生介質(zhì)漆酶的產(chǎn)量;并通過測定酶學(xué)特性,確定了該漆酶的最適反應(yīng)條件和穩(wěn)定性,以期為伴生介質(zhì)漆酶的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
ABTS、愈創(chuàng)木酚、阿魏酸和 2,5-二甲基苯胺均為優(yōu)級純,購于美國Sigma公司。葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、酒石酸銨、尿素、瓊脂、酵母浸膏、維生素B1、Tween-80和無機(jī)鹽((NH4)2SO4、NH4NO3、MgSO4·7H2O、KH2PO4、CuSO4·5H2O、CaCl2、FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、MnSO4·H2O 和 CoCl2·6H2O)均為分析純,從國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購得。土豆從農(nóng)貿(mào)市場購買。
血紅密孔菌NFZH-1(Pycnoporus sanguineus),于4℃保存在土豆-葡萄糖-瓊脂(PDA)斜面培養(yǎng)基上,儲(chǔ)藏于南京林業(yè)大學(xué)木材腐朽菌菌種庫。
PDA培養(yǎng)基含20%土豆浸出液,2.0%葡萄糖和2.0%瓊脂,pH自然。
種子培養(yǎng)液由200 g/L土豆浸出液,20 g/L葡萄糖,2 g/L MgSO4·7H2O,5 g/L (NH4)2SO4和5 g/L KH2PO4組成,pH自然。
液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基由200 g/L土豆浸出液,10.8 g/L葡萄糖,0.1 g/L (NH4)2SO4,0.125 g /L酒石酸銨,0.1 g/L 酵母浸膏,2.0 g/L KH2PO4,0.5 g/L MgSO4·7H2O,0.1 g/L CuSO4·5H2O,75 mg/L CaCl2,5.0 mg/L FeSO4·7H2O,6.0 mg/L ZnSO4·7H2O,5.0 mg/L MnSO4·H2O,1.0 mg/L CoCl2·6H2O,1 mg/L 維生素 B1和 1 g/L Tween-80組成,pH5.5。
將50 mL種子培養(yǎng)液置于250 mL三角瓶中,121℃滅菌30 min,滅菌的三角瓶接入平板菌落,置于28℃、170 r/min(Φ 18 mm)搖床上培養(yǎng)3天,獲得均一孢子懸浮液,無菌過濾懸浮液,調(diào)節(jié)孢子濃度為1.0×107個(gè)/mL,4℃暗處保存。
將50 mL液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基置于250 mL三角瓶中,121℃滅菌30 min,滅菌的三角瓶接入5.0 mL上述孢子懸浮液,置于28℃、170 r/min(Φ 18 mm)搖床上培養(yǎng)7天,獲得發(fā)酵液。7 000 r/min離心發(fā)酵液,取上層清液,4℃密封保藏,待漆酶活力分析。
1.3.1 培養(yǎng)基
對培養(yǎng)基的組成進(jìn)行逐一替換或添加,單因素優(yōu)化產(chǎn)漆酶培養(yǎng)基。
碳源:分別以相同濃度的不同碳源(麥芽糖、蔗糖、淀粉)替代原培養(yǎng)基中的葡萄糖。
碳源濃度:選取優(yōu)化的碳源,使其濃度分別為4.5、9.0、13.5、18.0 g/L。
氮源:分別以相同濃度的尿素替代原培養(yǎng)基中的酒石酸銨和相同濃度的硝酸銨替代原培養(yǎng)基中的硫酸銨,即組成氮源組合為酒石酸銨+硝酸銨、尿素+硫酸銨和尿素+硝酸銨。
誘導(dǎo)劑:分別以愈創(chuàng)木酚、阿魏酸和2,5-二甲基苯胺為誘導(dǎo)劑,于發(fā)酵第3天添加,并使培養(yǎng)基中誘導(dǎo)劑濃度為0.5 mmol/L,與未添加誘導(dǎo)劑試樣進(jìn)行對照。
誘導(dǎo)劑濃度:選取較優(yōu)的誘導(dǎo)劑,使其濃度分別為0.2、0.4、0.6、0.8 mmol/L。
1.3.2 發(fā)酵條件
對發(fā)酵條件進(jìn)行逐一改變,單因素優(yōu)化產(chǎn)漆酶發(fā)酵條件。
溫度:控制發(fā)酵溫度分別為20、24、28、32和36℃。
pH:調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH分別為4.5、5.5、6.5、7.5和8.5。
裝液量:采用250 mL三角瓶,分別裝入40、60、80和100 mL培養(yǎng)基。
接種量:分別接入0.5、1.5、2.5、3.5和5.0 mL孢子懸浮液。
培養(yǎng)時(shí)間:分別培養(yǎng)6、7、8和9天,定時(shí)取樣,測定漆酶活力。
漆酶活力測定及相對活力計(jì)算參照文獻(xiàn)[13]。采用紫外-可見分光光度計(jì)(UV757CRT/PC,上海),在35℃、pH4.8條件下,以每分鐘使1 mmol的ABTS氧化所需的酶量為一個(gè)活力單位,已知420 nm處ABTS摩爾消光系數(shù)ε=3.6×10-4[(mol/L)-1cm-1]。
1.5.1 最適反應(yīng)條件
最適溫度:測定在30~90℃范圍內(nèi),pH4.8條件下的漆酶活力。以最高漆酶活力為對照(100%),以相對酶活力對溫度作圖,得漆酶氧化ABTS的最適溫度。
最適pH:測定在 pH1.0~5.5范圍內(nèi),35℃條件下的漆酶活力。以最高漆酶活力為對照(100%),以相對酶活力對pH作圖,得漆酶氧化ABTS的最適pH。
1.5.2 穩(wěn)定性
熱穩(wěn)定性:將等濃度的漆酶,在pH4.8條件下,30~70℃范圍內(nèi)不同溫度下保溫3 h。定時(shí)取樣,測定35℃、pH4.8條件下的殘余漆酶活力,以原酶液的漆酶活力為對照(100%),以相對酶活力對溫度作圖,得漆酶氧化ABTS的熱穩(wěn)定性。
酸穩(wěn)定性:將等濃度的漆酶,在30℃條件下,pH3.0~7.0范圍內(nèi)不同pH下保溫24 h。測定35℃、pH4.8條件下的殘余漆酶活力,以原酶液的漆酶活力為對照(100%),以相對酶活力對pH作圖,得漆酶氧化ABTS的酸穩(wěn)定性。
取兩組平行實(shí)驗(yàn)均值,利用軟件Origin 8.0擬合曲線,誤差棒表示。
2.1.1 培養(yǎng)基對發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響
圖1a是不同碳源對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。以麥芽糖作碳源時(shí),菌株NFZH-1漆酶產(chǎn)量最高,達(dá)18.9 U/mL。這與麥芽糖酶分泌過程中誘導(dǎo)了漆酶的產(chǎn)生有關(guān)。以淀粉作碳源時(shí),菌株NFZH-1漆酶產(chǎn)量次之。較麥芽糖代謝,血紅密孔菌NFZH-1缺少了淀粉酶,使淀粉無法高效地轉(zhuǎn)化為葡萄糖,導(dǎo)致漆酶產(chǎn)量相對較低。以蔗糖作碳源時(shí),漆酶產(chǎn)量最低。蔗糖由α-葡萄糖和果糖脫水縮合而成,相對于葡萄糖而言,果糖不易被菌株NFZH-1吸收利用,因而漆酶產(chǎn)量較低??傊?,以兩分子葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接構(gòu)成的麥芽糖最適合菌株NFZH-1的漆酶生產(chǎn)。
圖1b是麥芽糖濃度對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。麥芽糖濃度低時(shí),菌株生長受到抑制,漆酶活力較低。但隨著麥芽糖濃度增加,菌株生長得到了促進(jìn),漆酶產(chǎn)量逐漸增高。當(dāng)麥芽糖濃度為13.5 g/L時(shí),菌株NFZH-1發(fā)酵漆酶活力最高,達(dá)21.2 U/mL。繼續(xù)增加麥芽糖濃度,菌株生長過于茂盛,搖瓶中營養(yǎng)物質(zhì)過多用于自身繁殖,而忽略了菌株次級代謝。同時(shí)生長繁茂的菌株使搖瓶中液體粘度增大,降低了其傳質(zhì)效率[14],使漆酶活力降低。
圖1c是不同氮源對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。有機(jī)氮源和無機(jī)氮源孰優(yōu)孰劣一直存在著爭議[15]。將有機(jī)氮源和無機(jī)氮源組合施用效果較佳,近年來已被業(yè)內(nèi)逐漸認(rèn)可[16]。在有機(jī)氮源比較中,酒石酸銨較尿素促進(jìn)了菌株NFZH-1漆酶的生產(chǎn);在無機(jī)氮源比較中,硫酸銨較硝酸銨有利于菌株NFZH-1漆酶的分泌。因此,選擇酒石酸銨與硫酸銨的組合作為血紅密孔菌NFZH-1液態(tài)發(fā)酵的氮源。
圖1d是三種誘導(dǎo)劑對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。愈創(chuàng)木酚和2,5-二甲基苯胺作誘導(dǎo)劑時(shí),菌株NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量均有所提高。與劉志鈺研究一致,愈創(chuàng)木酚是較優(yōu)的誘導(dǎo)劑[17],較無誘導(dǎo)劑,漆酶活力提高了12.3%,達(dá)23.7 U/mL。小分子芳香族誘導(dǎo)劑通常在苯環(huán)上存在羥基、氨基或羧基等,在發(fā)酵過程中易與漆酶酶蛋白結(jié)合,刺激微生物RNA轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)酶蛋白的合成和分泌,提高漆酶產(chǎn)量[18]。然而,小分子芳香族化合物同時(shí)作為底物參與漆酶的催化氧化,生成的副產(chǎn)物抑制了微生物的生長[19],如血紅密孔菌利用阿魏酸代謝產(chǎn)香草醛,而產(chǎn)生的香草醛抑制了漆酶的生產(chǎn)[20]。
圖1e是愈創(chuàng)木酚濃度對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。隨著愈創(chuàng)木酚濃度增加,漆酶產(chǎn)量逐漸提高。當(dāng)愈創(chuàng)木酚濃度為0.4 mmol/L時(shí),漆酶活力達(dá)到最大值,為23.9 U/mL。隨著誘導(dǎo)劑濃度繼續(xù)升高,漆酶活力逐漸下降。過高的誘導(dǎo)劑濃度影響了微生物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),改變了細(xì)胞膜通透性,抑制了微生物生長[21]。
圖1 液態(tài)培養(yǎng)基對伴生介質(zhì)漆酶生產(chǎn)的影響a. 碳源;b. 麥芽糖濃度;c. 氮源;d. 誘導(dǎo)劑;e. 愈創(chuàng)木酚濃度對照培養(yǎng)基:200 g/L土豆浸出液,10.8 g/L葡萄糖,0.1 g/L (NH4)2SO4,0.125 g /L酒石酸銨,0.1 g/L酵母浸膏,2.7 g/L無機(jī)鹽,1 m g/L維生素B1和1 g/L Tween-80,無誘導(dǎo)劑
2.1.2 發(fā)酵條件對發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響
圖2a是溫度對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。20℃時(shí),發(fā)酵液中未發(fā)現(xiàn)漆酶,低溫抑制了菌株生長。隨著溫度的上升,微生物細(xì)胞內(nèi)化學(xué)和酶促反應(yīng)都以較快的速度進(jìn)行,菌株生長加快,酶蛋白分泌增多,28℃時(shí)漆酶產(chǎn)量達(dá)到了最高值。菌株個(gè)體存在其自身的耐受溫度,當(dāng)超過這一溫度,蛋白質(zhì)、核酸和細(xì)胞等會(huì)受到不可逆的損害,細(xì)胞機(jī)能急劇下降[22]。繼續(xù)升高溫度,漆酶產(chǎn)量逐漸降低。由此可知,菌株NFZH-1的最適產(chǎn)漆酶溫度為28℃。
圖2b是pH對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。血紅密孔菌NFZH-1產(chǎn)漆酶最適初始pH為6.5,此時(shí)漆酶活力可達(dá)24.7 U/mL。當(dāng)培養(yǎng)基初始pH在5.5~7.5時(shí),菌株NFZH-1漆酶產(chǎn)量均較為理想,可保持在22.2 U/mL以上。漆酶是一種糖蛋白,pH會(huì)影響酶構(gòu)象的穩(wěn)定性;也會(huì)影響菌株的生長,從而影響漆酶的合成[23]。當(dāng)pH<5.5或>7.5時(shí),菌株生長受到抑制,漆酶活力明顯降低。菌株NFZH-1在中性和弱酸性條件下生長較好,具有較高的漆酶生產(chǎn)能力。反之,若pH過低,酸性環(huán)境會(huì)抑制菌株的生長;若pH過高,由于漆酶的合成需要H+的參與,堿性環(huán)境會(huì)抑制漆酶的代謝。
圖 2c是裝液量對血紅密孔菌 NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。菌株 NFZH-1產(chǎn)漆酶最適裝液量為60 mL/250 mL,此時(shí)漆酶活力最高。增加裝液量,菌株NFZH-1分泌漆酶能力逐漸下降,這與搖瓶中溶解氧減少有關(guān)。菌株NFZH-1為好氧菌,菌株的生長及相關(guān)酶的分泌都需要氧的參與。40 mL/250 mL裝液量時(shí),漆酶活力反而下降。裝液量較少,次級代謝產(chǎn)物不斷積累,使發(fā)酵后期培養(yǎng)液中毒性物質(zhì)濃度過高,抑制了菌株生長和漆酶分泌[24]。
圖2d是接種量對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。接種量0.5 mL時(shí),漆酶產(chǎn)量較低,隨著接種量增加,漆酶產(chǎn)量快速增加。接種量的增加,促進(jìn)了菌株的生長繁殖,提高了漆酶產(chǎn)量。接種量2.5 mL時(shí),漆酶產(chǎn)量達(dá)最高,為26.7 U/mL。繼續(xù)增加接種量,漆酶產(chǎn)量呈緩慢下降趨勢。接種量過大,菌株生長過快,搖瓶中溶解氧不斷減少。同時(shí),對于一定的培養(yǎng)基組成和含量,隨著接種量的不斷增大,營養(yǎng)成分已不能滿足菌株的生長需求,從而抑制了微生物的代謝,減少了漆酶的產(chǎn)量。
圖2e是培養(yǎng)時(shí)間對血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵漆酶產(chǎn)量的影響。漆酶生產(chǎn)優(yōu)化前,漆酶活力隨培養(yǎng)時(shí)間延長逐漸增大,最高漆酶活力出現(xiàn)在發(fā)酵第八天,為13.7 U/mL,繼續(xù)延長發(fā)酵時(shí)間,漆酶活力略有降低。漆酶的產(chǎn)生與菌體的生長相關(guān)聯(lián)。菌體進(jìn)入對數(shù)期,漆酶開始大量分泌;菌體進(jìn)入穩(wěn)定期,漆酶活力達(dá)到最高;菌體進(jìn)入衰亡期,漆酶產(chǎn)量逐漸降低。漆酶生產(chǎn)優(yōu)化后,漆酶活力隨發(fā)酵時(shí)間延長逐漸增大,最高漆酶活力出現(xiàn)在發(fā)酵第七天,為26.1 U/mL,繼續(xù)延長發(fā)酵時(shí)間,漆酶活力略有降低。經(jīng)培養(yǎng)基和發(fā)酵條件優(yōu)化,血紅密孔菌NFZH-1發(fā)酵周期縮短一天,最高漆酶活力提高91%。血紅密孔菌NFZH-1經(jīng)發(fā)酵優(yōu)化,漆酶活力為26.1 U/mL,較非伴生介質(zhì)漆酶活力仍有較大差距[25]。這可能是由于伴生介質(zhì)3-HAA作為底物參與漆酶催化氧化,抑制了菌株NFZH-1的漆酶生產(chǎn)。為研究伴生介質(zhì)3-HAA對漆酶生產(chǎn)的抑制作用,將結(jié)合伴生介質(zhì) 3-HAA的代謝,進(jìn)一步綜合系統(tǒng)地完善伴生介質(zhì)漆酶的生產(chǎn),以實(shí)現(xiàn)伴生介質(zhì)漆酶體系在木質(zhì)纖維生物轉(zhuǎn)化上的經(jīng)濟(jì)可行性。
圖2 發(fā)酵條件對伴生介質(zhì)漆酶生產(chǎn)的影響a, 溫度;b,pH;c,裝液量;d,接種量;e,培養(yǎng)時(shí)間對照發(fā)酵條件:28 ℃,170 r/min (Φ 18 mm),pH5.5,裝液量50 mL,接種量5.0 mL,培養(yǎng)時(shí)間7天
2.2.1 最適反應(yīng)條件
圖3a是反應(yīng)溫度對漆酶活力的影響。伴生介質(zhì)漆酶最適反應(yīng)溫度為70℃,并在50~85℃范圍內(nèi)均具有較高的漆酶活力(相對酶活力80%以上)。真菌漆酶最適反應(yīng)溫度一般在40~70℃范圍內(nèi)[26-28],血紅密孔菌NFZH-1所產(chǎn)漆酶最適反應(yīng)溫度為70℃。該漆酶在較高溫度仍具有較高的漆酶活力,與灰樹花漆酶相似,屬耐熱漆酶,可滿足工業(yè)高溫環(huán)境的需求[29]。
圖3b是反應(yīng)pH對漆酶活力的影響。pH2.5~4.5時(shí),伴生介質(zhì)漆酶相對活力保持在80%以上,并在pH3.5時(shí)呈現(xiàn)最大值,與漆酶等電點(diǎn)一般出現(xiàn)在3.5是一致的[3,30]。當(dāng)pH小于1.5和大于4.5時(shí),漆酶活力快速下降,真菌漆酶在強(qiáng)酸和堿等極端環(huán)境中易失活[31]。
圖3 伴生介質(zhì)漆酶最適反應(yīng)條件(a. 反應(yīng)溫度;b. 反應(yīng)pH)
2.2.2 穩(wěn)定性
圖 4a是溫度對漆酶穩(wěn)定性的影響。隨時(shí)間延長,漆酶活力均逐漸降低,但不同溫度,漆酶活力下降速率不同。溫度不高于50℃時(shí),保溫3 h,殘余漆酶相對活力保持在70 %以上。溫度升高,酶蛋白變性失活,漆酶熱穩(wěn)定性逐漸降低。在60℃和70℃條件下保溫1 h,殘余漆酶相對活力分別僅為54%和27%,繼續(xù)延長保溫時(shí)間,漆酶活力趨于穩(wěn)定,并保持在較低水平。伴生介質(zhì)漆酶在60℃以下具有較好的熱穩(wěn)定性。
圖4b是pH對漆酶穩(wěn)定性的影響。pH5.0~7.0時(shí),殘余漆酶相對活力仍保持在70 %以上,其中pH6.0時(shí),殘余漆酶相對活力最大。pH小于5.0時(shí),隨著pH降低,殘余漆酶活力迅速下降,pH4.0時(shí)殘余漆酶相對活力僅為22 %,繼續(xù)降低pH,漆酶活力趨于穩(wěn)定,并保持在較低水平。真菌漆酶一般在酸性環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性[32-33],而伴生介質(zhì)漆酶僅在pH5.0~7.0條件下具有較好的穩(wěn)定性,這與低pH條件下,漆酶與伴生介質(zhì)的相互作用有關(guān)。
圖4 伴生介質(zhì)漆酶穩(wěn)定性(a. 溫度;b. pH)
1)血紅密孔菌NFZH-1為伴生介質(zhì)漆酶高產(chǎn)菌株,經(jīng)培養(yǎng)基和發(fā)酵條件優(yōu)化,漆酶活力提高91%,達(dá)26.1 U/mL。
2)伴生介質(zhì)漆酶具有耐熱性,在50~85℃范圍內(nèi)具有較高的漆酶活力,且在60℃以下具有較好的熱穩(wěn)定性。
3)伴生介質(zhì)漆酶缺乏耐酸性,雖然在pH2.5~4.5范圍內(nèi)具有較高的漆酶活力,但在pH<5.0時(shí)缺乏較好的酸穩(wěn)定性。
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