錢 娟,龐 洋,王 昕
(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,南京 211816)
油脂化學(xué)
磷脂酶D的制備及催化磷脂酰膽堿合成磷脂酰絲氨酸
錢 娟,龐 洋,王 昕
(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,南京 211816)
選用穗色鏈霉菌(Streptomycesracemochromogenes)作為磷脂酶 D 的生產(chǎn)菌株進行了酶的制備及條件優(yōu)化,并在兩相體系中進行了酶催化磷脂酰膽堿合成磷脂酰絲氨酸的研究。結(jié)果表明,最適的產(chǎn)酶條件為葡萄糖 10 g/L、酵母粉5 g/L、魚粉蛋白胨 5 g/L、司班-60 10 g/L、氯化鈣 3 g/L,接種量 1%、培養(yǎng)基初始 pH 7.0、培養(yǎng)溫度 30.℃,在最適產(chǎn)酶條件下酶活達(dá)到2 967 U/L,是優(yōu)化前 的2.12 倍;最適的催化工藝條件為有機相二氯甲烷、反應(yīng)溫度35.℃、pH 5.5、酶用量1.15 U/mL、鈣離子濃度10 mmol/L,在該催化工藝條件下反應(yīng)10 h后磷脂酰膽堿的生成率達(dá)94%。
穗色鏈霉菌;磷脂酶D;磷脂酰絲氨酸;兩相催化
Abstract:Streptomycesracemochromogeneswas used as the producing strain to prepare phospholipase D and the preparation conditions were optimized.The synthesis of phosphatidylserine from phosphatidylcholine catalyzed by phospholipase D in biphasic catalysis system was studied.The results showed that the optimal conditions for enzyme production were obtained as follows:glucose 10 g/L,yeast extract 5 g/L,fishmeal peptone 5 g/L,Span-60 10 g/L,calcium chlodride 3 g/L,inoculation amount 1%,initial pH of medium 7.0 and cultural temperature 30.℃.Under these conditions,the enzyme activity reached 2 967 U/L,which was 2.12 times of that before optimization.The optimal catalytic process conditions were obtained as follows:dichloromethane as organic phase,reaction temperature 35.℃,pH 5.5,enzyme dosage 1.15 U/mL,Ca2+concentration 10 mmol/L.Under these conditions,the yield of phosphatidylcholine reached 94%.
Keywords:Streptomycesracemochromogenes; phospholipase D; phosphatidylserine; biphasic catalysis
磷脂酰絲氨酸(PS)是一種磷脂,具有很好的健腦功效[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn)來源于鏈霉菌的磷脂酶D(PLD)表現(xiàn)出較好的水解和轉(zhuǎn)磷酯化活性[2],基于PLD所具有的轉(zhuǎn)?;磻?yīng)能力,以大豆卵磷脂或蛋黃卵磷脂(主要成分為磷脂酰膽堿,PC)和L-絲氨酸為底物,以酶法合成磷脂酰絲氨酸(PS)的方法已經(jīng)被廣泛研究。由于底物磷脂酰膽堿為脂溶性物質(zhì),L-絲氨酸為水溶性物質(zhì),因此在催化反應(yīng)中一般采用雙向體系來進行。
Juneja等[3]研究表明在乙酸乙酯和醋酸鹽緩沖液雙向體系中,PLD催化合成PS的產(chǎn)率可達(dá)98%。Birichevskaya等[4]在雙向體系中PS產(chǎn)率達(dá)到81%。Sakai等[5]使用均質(zhì)體系催化合成PS,優(yōu)化后PS的生成率達(dá)到46.7%。胡飛[6]使用均相體系,在溶劑體系(2-甲基四氫呋喃/γ-戊內(nèi)酯)中,經(jīng)過條件優(yōu)化后,PS產(chǎn)率達(dá)到81%。朱南南[7]利用兩相反應(yīng)體系,有機溶劑為乙醚,PS收率達(dá)58.4%。韓海霞[8]利用鏈霉菌CA-1為生產(chǎn)菌株制備PLD,以乙醚-醋酸鹽緩沖液為雙向體系,PS生成率達(dá)到67.8%。
本文利用穗色鏈霉菌制備PLD,通過優(yōu)化酶制備和轉(zhuǎn)磷酯化反應(yīng)體系條件,從蛋黃磷脂出發(fā)富集磷脂酰絲氨酸[9],提高了稀有磷脂的產(chǎn)率,為進一步擴大培養(yǎng)及工業(yè)化生產(chǎn)打下一定的基礎(chǔ)。
1.1 實驗材料
1.1.1 實驗菌株及試劑
穗色鏈霉菌(Streptomycesracemochromogenes)4.331,購自中國普通微生物菌種保藏管理中心(CCGMC)。蛋黃磷脂(含75%磷脂酰膽堿),購自北京美亞斯磷脂技術(shù)有限公司;L-絲氨酸,購自阿拉丁試劑;其他化學(xué)試劑均為分析純。
1.1.2 培養(yǎng)基
斜面培養(yǎng)基:葡萄糖5 g/L,蛋白胨5 g/L,酵母粉5 g/L,K2HPO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,瓊脂25 g/L,pH自然。
種子及發(fā)酵培養(yǎng)基:葡萄糖5 g/L,蛋白胨5 g/L,酵母粉5 g/L,K2HPO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,pH自然。
1.2 實驗方法
1.2.1 搖瓶培養(yǎng)
將經(jīng)斜面培養(yǎng)基活化的穗色鏈霉菌孢子刮于0.9%的無菌生理鹽水中,制成孢子懸浮液,吸取1 mL 孢子懸浮液于50 mL種子培養(yǎng)基中,200 r/min、30.℃條件下恒溫振蕩培養(yǎng)24 h。將種子液以1%的接種量接于50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中,在200 r/min、30.℃條件下培養(yǎng)48 h后,離心棄細(xì)胞,取發(fā)酵液上清測定PLD的酶活為1 400 U/L。以初始培養(yǎng)基為對照,每組3組平行,規(guī)定對照條件下的酶活為100%,對產(chǎn)酶條件進行優(yōu)化。
1.2.2 初始催化體系
在2 mL水相為0.2 mol/L的乙酸-乙酸鈉緩沖液(pH為5.5)中,加入0.575 U/mL酶液,L-絲氨酸同時溶解于醋酸鹽緩沖液中,磷脂酰膽堿溶解于2 mL二氯甲烷中,磷脂酰膽堿與L-絲氨酸的摩爾比1∶20,反應(yīng)溫度30.℃。在初始催化體系的基礎(chǔ)上,優(yōu)化催化工藝。
1.2.3 酶活的測定
在初始催化體系條件下測定PLD的酶活。
1.2.4 磷脂酰膽堿和磷脂酰絲氨酸的測定
采用Agilent 1260高效液相色譜儀測定磷脂酰膽堿和磷脂酰絲氨酸。色譜條件:色譜柱為ZORBAX RX-SIL Columns(4.6 mm×250 mm);以甲醇-水-冰醋酸-三乙胺(體積比85∶15∶0.45∶0.05)為流動相A,以正己烷-異丙醇-流動相A(體積比20∶48∶32)為流動相B,按表1進行梯度洗脫;柱溫為39.℃,用蒸發(fā)光散射檢測器檢測(參考條件:漂移管溫度65.℃,載氣流量2.0 mL/min)
表1 HPLC梯度洗脫
1.2.5 PS轉(zhuǎn)化率和PS生成率的計算
PS轉(zhuǎn)化率=PS產(chǎn)量/PC消耗量×100%
PS生成率=PS產(chǎn)量/PC初始添加量×100%
2.1 穗色鏈霉菌發(fā)酵條件的優(yōu)化
2.1.1 不同碳源對產(chǎn)酶的影響
碳源是構(gòu)成細(xì)胞成分的重要因素,是細(xì)胞內(nèi)貯藏物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的骨架,也是微生物生長的主要能量來源[10]。分別以5 g/L葡萄糖、果糖、蔗糖、甘油、可溶性淀粉作為培養(yǎng)基中碳源,研究不同碳源對產(chǎn)酶的影響,得出產(chǎn)酶情況如圖1所示。
注:A.葡萄糖;B.果糖;C.蔗糖;D.甘油;E.可溶性淀粉。
由圖1可知,葡萄糖作為碳源時,酶活最大,可能是由于葡萄糖為單糖,發(fā)酵時菌絲易于吸收分解,促進菌體快速生長,使產(chǎn)酶量增加,酶活較大;可溶性淀粉次之,甘油和果糖作為碳源時,則不利于產(chǎn)酶。根據(jù)酶活大小,選擇葡萄糖作為最佳碳源。
以優(yōu)化出的葡萄糖作為碳源,其他培養(yǎng)基成份不變,以空白作對照,考察不同的葡萄糖質(zhì)量濃度對產(chǎn)酶的影響,結(jié)果如圖2所示。
圖2 葡萄糖質(zhì)量濃度對產(chǎn)酶的影響
由圖2可知,葡萄糖質(zhì)量濃度從5 g/L逐漸增加至10 g/L時,發(fā)酵液中的酶活隨葡萄糖質(zhì)量濃度的升高呈上升趨勢,葡萄糖質(zhì)量濃度再增大,酶活下降。因此,葡萄糖最適質(zhì)量濃度為10 g/L。
2.1.2 不同氮源對產(chǎn)酶的影響
氮源供應(yīng)微生物生長所需,也是細(xì)胞合成含氮化合物的主要來源,實驗室常用的有機氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母粉等,無機氮源主要包括銨鹽、硝酸鹽等[11-13]。研究了不同氮源對產(chǎn)酶的影響,氮源質(zhì)量濃度均為10 g/L,復(fù)合氮源均分,總質(zhì)量濃度也為10 g/L,結(jié)果如圖3所示。
注:A.蛋白胨+酵母粉;B.蛋白胨+酵母粉+(NH4)2SO4;C.酵母粉;D.蛋白胨;E.聚蛋白胨;F.魚粉蛋白胨;G.牛肉膏;H.玉米漿;I.(NH4)2SO4;J.魚粉蛋白胨+酵母粉。
圖3不同氮源對產(chǎn)酶的影響
由圖3可知,當(dāng)?shù)礊橛袡C氮源時,酶活較高;而添加無機氮源時,對培養(yǎng)基pH影響較大,繼而影響酶活。培養(yǎng)基中添加魚粉蛋白胨和酵母粉的復(fù)合氮源時,酶活最高,達(dá)到了對照組的2倍。可能是復(fù)合氮源中氨基酸、生長因子等成分配比更適合菌絲生長,產(chǎn)酶量大,發(fā)酵液中酶活大,因此選擇魚粉蛋白胨5 g/L、酵母粉5 g/L作為最佳氮源。
2.1.3 表面活性劑對產(chǎn)酶的影響
表面活性劑可作用于菌體細(xì)胞膜,改善細(xì)胞膜的通透性,加速胞外酶的釋放。PLD是一種胞外酶,在培養(yǎng)基中添加適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣├碚撋峡梢源龠M酶的釋放[14]??疾炝藢嶒炇页S玫膸追N表面活性劑對酶活的影響,每種表面活性劑均添加10 g/L,結(jié)果如圖4所示。
注:A.對照;B.司班-60;C.SDS;D.吐溫20;E.吐溫60;F.吐溫80;G.TritonX-100。
圖4表面活性劑對產(chǎn)酶的影響
由圖4可知,司班-60,吐溫80,吐溫60等非離子型表面活性劑可以一定程度促進PLD的釋放。而吐溫20對細(xì)胞的產(chǎn)酶沒有明顯的提高作用,TritonX-100和SDS的加入不利于菌體生長和酶的生產(chǎn)。因此,在培養(yǎng)基中添加10 g/L司班-60以提高酶的釋放。
2.1.4 鈣離子對產(chǎn)酶的影響
微生物生長繁殖和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的過程中,需要某些微量元素作為其生理活性物質(zhì)的組成物質(zhì)或調(diào)節(jié)物,離子可能會對編碼蛋白酶的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響,也會影響胞外酶的酶活[8]。其中,已經(jīng)有文獻報道鈣離子能促進鏈霉菌的產(chǎn)酶,但是機理尚不明確??赡苁且驗殁}離子是某些酶的輔因子,能影響酶的活性和穩(wěn)定性,有助于鏈霉菌孢子的形成[15]。為研究鈣離子對實驗菌株產(chǎn)酶影響,向培養(yǎng)基中加入不同質(zhì)量濃度氯化鈣,以不加氯化鈣的培養(yǎng)基為對照,結(jié)果如圖5所示。
圖5 鈣離子對產(chǎn)酶的影響
由圖5可知,氯化鈣為3 g/L時,酶活達(dá)到最大值,是對照組的1.69倍,當(dāng)氯化鈣質(zhì)量濃度大于3 g/L 時,酶活開始下降。因此在一定范圍內(nèi),鈣離子對實驗菌株產(chǎn)酶有促進作用,可能是鈣離子參與PLD的合成,改變酶蛋白的折疊結(jié)構(gòu)或調(diào)節(jié)細(xì)胞膜流動性,促進PLD分泌到細(xì)胞外,使產(chǎn)酶量增加。
2.1.5 培養(yǎng)基初始pH和培養(yǎng)溫度對產(chǎn)酶的影響
pH可以影響菌體生長,對酶的活性產(chǎn)生重要的影響繼而改變生物的代謝途徑。研究了不同培養(yǎng)基初始pH對產(chǎn)酶的影響,結(jié)果如圖6所示。不同培養(yǎng)溫度對產(chǎn)酶的影響,結(jié)果如圖7所示。
圖6 培養(yǎng)基初始pH對產(chǎn)酶的影響
圖7 培養(yǎng)溫度對產(chǎn)酶的影響
由圖6可知,當(dāng)pH從4.0到7.0時,酶活逐漸升高,pH再增大時,酶活開始下降;pH為4.0時,抑制菌體生長,菌體濃度很低,產(chǎn)酶少,大于4.0時,菌體濃度和酶活逐漸增大,推測酸性條件抑制酶的活性,中性偏堿性條件下,酶活也呈下降趨勢,因此選擇最佳培養(yǎng)基初始pH 7.0。
由圖7可知,培養(yǎng)溫度在20~30.℃之間,酶活上升,培養(yǎng)溫度繼續(xù)升高時,酶活開始下降,說明高溫影響菌體的產(chǎn)酶。根據(jù)酶活大小,選擇最佳培養(yǎng)溫度為30.℃。
經(jīng)過優(yōu)化,最終得到的穗色鏈霉菌產(chǎn)PLD的最適發(fā)酵條件為葡萄糖10 g/L、酵母粉5 g/L,魚粉蛋白胨5 g/L、司班-60 10 g/L、氯化鈣3 g/L,培養(yǎng)基初始pH 7.0、培養(yǎng)溫度30.℃。在最適發(fā)酵條件下,酶活達(dá)到2 967 U/L,是優(yōu)化前的2.12倍。
2.2 PLD催化磷脂酰膽堿合成磷脂酰絲氨酸工藝條件的優(yōu)化
2.2.1 有機溶劑的選擇
磷脂酰膽堿溶解在有機相中,適宜的有機溶劑可以增大底物的溶解度,提高傳質(zhì)速率,且能夠?qū)γ傅奶烊粯?gòu)象產(chǎn)生正影響[16]。因此,考察了反應(yīng)4 h后幾種常見的有機溶劑對PLD催化生產(chǎn)PS的影響,結(jié)果如表2所示。
由表2可知,二氯甲烷和醋酸丁酯為有機相時,轉(zhuǎn)化率相對較高,甲苯為有機相時,轉(zhuǎn)化率最小,而在乙酸乙酯中則沒有檢測到產(chǎn)物的生成,可能是溶劑的極性影響介質(zhì)的介電常數(shù),介電常數(shù)影響酶的催化能力,導(dǎo)致酶活力的差異。綜上,選擇二氯甲烷和醋酸丁酯作為進一步研究對象,考察PLD對這兩種有機溶劑的耐受性。
表2 有機溶劑對PLD催化生產(chǎn)PS的影響
以不經(jīng)過任何處理的酶液作為陽性對照;以在室溫?fù)u床上進行200 r/min振蕩處理4、8、12、24 h的酶液作為陰性對照,目的是排除溫度對酶活的影響;以分別與兩種有機溶劑按體積比1∶1混合,在室溫?fù)u床上200 r/min振蕩處理4、8、12、24 h的酶液作為實驗組。取3組酶液進行催化反應(yīng),反應(yīng)時間4 h,結(jié)果如圖8、圖9所示。
圖8 PLD對二氯甲烷耐受性
圖9 PLD對醋酸丁酯耐受性
由圖8和圖9可知,室溫情況下,酶的活性基本不受影響,二氯甲烷對酶的活性也基本沒有影響,而經(jīng)過醋酸丁酯處理的酶液用于反應(yīng)則對酶活有明顯的抑制作用,且在醋酸丁酯中處理時間越長,對酶活的抑制作用越明顯,因此推測在含有醋酸丁酯的生物催化體系中,溶劑的性質(zhì)影響了酶的活性,這可能是醋酸丁酯降低了酶分子的柔性,繼而影響了酶的催化活性。綜上,選擇二氯甲烷作為雙向體系的有機溶劑。
2.2.2 酶用量的選擇
采用雙相反應(yīng)體系,有限的界面面積限制了酶的用量,一定范圍內(nèi)增大酶用量會提高產(chǎn)品的產(chǎn)率,但是過量的酶會造成酶量飽和,因此考察體系最大酶用量。反應(yīng)10 h后酶用量對PLD催化生產(chǎn)PS的影響如表3所示。
表3 酶用量對PLD催化生產(chǎn)PS的影響
由表3可知,PS轉(zhuǎn)化率隨酶用量增加而增大,當(dāng)酶用量為1.15 U/mL,幾乎達(dá)到飽和,即為最適酶用量。
2.2.3 金屬離子的選擇
在反應(yīng)體系中添加合適的金屬離子,可能會影響酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),進而對酶活產(chǎn)生積極的影響。有文章報道鈣離子能增大PLD的催化轉(zhuǎn)酯活性,如Simkhada等[17]報道的產(chǎn)自菌株Streptomycesolivochromogenes的PLD528及Mander等[18]報道產(chǎn)自Streptomycestendae的PLDSt都受鈣離子影響。為探討金屬離子對酶活的影響機制,研究了幾種常見的金屬離子對酶活的影響。金屬離子濃度均為10 mmol/L,以不加金屬離子的為對照。反應(yīng)4 h后金屬離子對PLD催化生產(chǎn)PS的影響如圖10所示。
圖10 金屬離子對PLD催化生產(chǎn)PS的影響
由圖10可知,鈣離子對PLD對酶的促進作用最大,加入鈣離子后,PS產(chǎn)量是對照組的1.4倍;錳、鉀、鈷離子對酶的轉(zhuǎn)酯活性有一定積極影響,鎳離子對酶活影響不大,鎂、鋅、銅、鐵離子對轉(zhuǎn)酯活性有抑制作用,但抑制效果均不明顯,可能是金屬離子影響酶的二級結(jié)構(gòu),影響酶的穩(wěn)定性,不利于酶與底物結(jié)合。
2.2.4 反應(yīng)pH和反應(yīng)溫度的選擇
每一種酶都有它的最適pH,pH偏低或偏高都會使酶活性部位的基團離子化發(fā)生變化而降低酶的活力,考察反應(yīng)10 h后pH對PLD催化生產(chǎn)PS的影響,結(jié)果如圖11所示。反應(yīng)溫度的變化使底物磷脂在兩相體系中分配系數(shù)產(chǎn)生變化,繼而改變底物在兩相中的分布狀態(tài),反應(yīng)溫度的變化也會影響酶蛋白的結(jié)構(gòu),過高的反應(yīng)溫度會改變活性部位的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致催化活性的降低,甚至使酶失活,考察反應(yīng)10 h后反應(yīng)溫度對PLD催化生產(chǎn)PS的影響,結(jié)果如圖12所示。
圖11 pH對PLD催化生產(chǎn)PS的影響
圖12 反應(yīng)溫度對PLD催化生產(chǎn)PS的影響
由圖11可知,PS產(chǎn)量隨pH的增加而先升高后降低,在pH為5.5時達(dá)到最大值,因此可以確定PLD催化生產(chǎn)PS的最佳pH為5.5。
由圖12可知,PS產(chǎn)量隨反應(yīng)溫度的升高而先升高后降低,35.℃時酶的催化活性最高,因此選擇35.℃作為最適反應(yīng)溫度。
經(jīng)過對反應(yīng)體系的優(yōu)化,得出的催化最適溫度和pH分別為35.℃和5.5;使用有機相為二氯甲烷;最適酶用量為1.15 U/mL,鈣離子濃度為10 mmol/L。在最適催化工藝條件下,10 h后PS生成率可達(dá)到94%。
通過對產(chǎn)酶條件的優(yōu)化和催化工藝條件的優(yōu)化,得到最適產(chǎn)酶條件為葡萄糖10 g/L、酵母粉5 g/L、魚粉蛋白胨5 g/L、司班-60 10 g/L、氯化鈣3 g/L,接種量1%、培養(yǎng)基初始pH 7.0、培養(yǎng)溫度30.℃。在最適產(chǎn)酶條件下,酶活達(dá)到2 967 U/L,是優(yōu)化前的2.12倍。最適催化工藝條件為使用二氯甲烷作為有機相、酶用量1.15 U/mL、鈣離子濃度10 mmol/L、反應(yīng)溫度35.℃和pH 5.5。在最適催化工藝條件下,反應(yīng)10 h后PS生成率達(dá)94%。實驗極大地提高了PS的生成率,為進一步擴大培養(yǎng)及工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能。
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PreparationofphospholipaseDandcatalyticsynthesisofphosphatidylserinefromphosphatidylcholine
QIAN Juan,PANG Yang,WANG Xin
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)
TQ033;TS202.3
A
1003-7969(2017)09-0066-06
2016-11-24;
2017-05-05
錢 娟(1991),女,碩士研究生,研究方向為微生物酶催化(E-mail)18260037163@163.com。
王 昕,講師,博士(E-mail)xinwang1988@njtech.edu。