賀海濤,張洪濤,曲娟娟,郭進(jìn),鄭明儀,蔣蕓,詹曉北
(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214122)
β-1,3-葡寡糖是一類聚合度在3~10左右的低聚β-1,3-葡聚糖[1],在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、甚至在化妝品行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用[2]。法國的Geomer公司成功生產(chǎn)出β-1,3-葡寡糖型的生物農(nóng)藥,其主要通過β-1,3-葡寡糖來激活植物免疫系統(tǒng)從而殺死致病的真菌[3]。此外,β-1,3-葡寡糖還具有抗病毒、抗過敏和調(diào)節(jié)免疫力、抑制腫瘤細(xì)胞生長的功能和潛力[4-5]。侯慶華等[6]研究發(fā)現(xiàn),β-1,3-葡寡糖可以對糖尿病睪丸的損傷起到修復(fù)作用,能夠提高糖尿病睪丸分泌睪酮的能力;HIDA等[7]研究發(fā)現(xiàn),β-1,3-葡寡糖可誘導(dǎo)老鼠脾臟細(xì)胞產(chǎn)生粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF)和干擾素-g(interferon-g,IFN-g),誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白介素-6(interleukin-6,IL-6);β-1,3-葡寡糖還可增加單核細(xì)胞、粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的數(shù)量而減少淋巴細(xì)胞的數(shù)量,并能刺激產(chǎn)生細(xì)胞因子提高免疫能力等[8]。
目前β-1,3-葡寡糖的制備主要通過降解和合成兩個(gè)方向得到。降解方法主要通過酸解或酶解熱凝膠(一種線性的β-1,3-葡聚糖)來制備β-1,3-葡寡糖,由于熱凝膠不溶于水且在水解熱凝膠的過程中所生成的β-1,3-葡寡糖聚合度不可控,所以這一方法的使用具有一定的局限性。合成主要通過化學(xué)法和酶法,化學(xué)法合成步驟繁瑣,且其得到的寡糖難以用于醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域;而基于糖基轉(zhuǎn)移酶的酶法寡糖合成,雖然條件溫和,過程簡單,但卻需要昂貴的二磷酸尿苷葡糖(uridine diphosphate glucose, UDPG)作為前體物質(zhì),因此,目前酶法合成β-1,3-葡寡糖的研究主要用于實(shí)驗(yàn)室中寡糖的微量合成。
昆布二糖磷酸化酶(laminaribiose phosphorylase,LPase)也叫海帶二糖磷酸化酶,是一種催化特異的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶,廣泛存在于眼蟲綱的原生動(dòng)物中,如Euglenagracilis或Astasiaocellate。且該酶可催化α-D-葡萄糖-1-磷酸(α-D-glucose-1-phosphate,G1P)與β-1,3-葡寡糖之間的可逆反應(yīng):在G1P存在的條件下可利用葡萄糖或低聚合度β-1,3-葡寡糖作為引物合成更高聚合度β-1,3-葡寡糖[9];在Pi存在的條件下可磷酸解高聚合度的β-1,3-葡寡糖生成低聚合度的β-1,3-葡寡糖和G1P[10]。
蔗糖磷酸化酶(sucrose phosphorylase,SPase)也是一種催化特異的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶[11]。其可以將蔗糖中的葡萄糖基轉(zhuǎn)移至受體生成G1P和果糖。蔗糖磷酸化酶主要分布在細(xì)菌等微生物中,少量植物中也含有該酶?,F(xiàn)生產(chǎn)蔗糖磷酸化酶的主要菌株有腸膜明串菌株(Leuconostocmesenteroides)[12]、嗜糖假單胞菌(Pseudomonassaccharophila)[13]、變異鏈球菌(Streptococcusmutans)[14]、長雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)[15]、青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)[16]等。
KITAOKA等[17]通過蔗糖磷酸化酶、木糖異構(gòu)酶和昆布二糖磷酸化酶催化合成昆布二糖,但是對更高聚合度的β-1,3-葡寡糖的合成并沒有進(jìn)行詳細(xì)的研究,對反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)物聚合度之間的關(guān)系也沒有進(jìn)行探索。所以本文在其研究的基礎(chǔ)上通過蔗糖磷酸化酶和昆布二糖磷酸化酶粗酶液,以價(jià)格低廉的蔗糖和葡萄糖為初始原料,進(jìn)行耦合催化生成β-1,3-葡寡糖(其耦合反應(yīng)過程如圖1所示),并研究催化反應(yīng)的時(shí)間與產(chǎn)物聚合度的關(guān)系,為后續(xù)通過控制催化反應(yīng)的時(shí)間來得到不同聚合度的寡糖提供理論指導(dǎo)。與以往的酶法合成相比,該法合成過程不需要昂貴的前體物質(zhì)UDPG、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)和輔酶等,只需價(jià)格低廉的蔗糖和引物葡萄糖,且反應(yīng)以纖細(xì)眼蟲的細(xì)胞破碎液中昆布二糖磷酸化酶的粗酶液進(jìn)行反應(yīng),因此大大降低了生產(chǎn)成本,容易實(shí)現(xiàn)β-1,3-葡寡糖的大規(guī)模、廉價(jià)合成。
圖1 β-1,3-葡寡糖的合成策略Fig.1 Reaction scheme for synthesis of β-1,3-glucooligo-saccharides
纖細(xì)眼蟲(Euglenagracilisstrain Z SAG G?ttingen 1224-5/25),購于德國哥延根大學(xué)藻類菌種保藏中心,現(xiàn)保存于本實(shí)驗(yàn)室。
蔗糖磷酸化酶S0937,SIGMA-ALDRICH公司;α-D-葡萄糖-1-磷酸二鈉(G1P),Alfa Aesar公司;葡萄糖、蔗糖、氫氧化鈉、氯化鎂、鉬酸銨、抗壞血酸等(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
3K15型冷凍高速離心機(jī),美國Sigma公司;LEICA S系列普通光學(xué)顯微鏡,德國徠卡公司;UV-1800型普通光學(xué)顯微鏡,上海精密儀器儀表有限公司;LC-1200型高效液相色譜,美國Agilent公司;UltrafleXtreme型基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜,美國布魯克·道爾頓公司;ThermoFisher LCQ fleet型電噴霧質(zhì)譜儀,美國Thermo Fisher Seientific公司;Varian Unity Inova 600型核磁共振儀,美國瓦里安公司。
1.3.1 纖細(xì)眼蟲的培養(yǎng)[18]
種子培養(yǎng)基(g/L):醋酸鈉1.0,牛肉膏1.0,胰蛋白胨2.0,酵母膏2.0。土壤浸出液體積分?jǐn)?shù)為3%,25 ℃,120 r/min,12 h避光12 h見光(25 μmol/(m2·s))培養(yǎng)。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨5.0,酵母膏2.0,維生素B1210-6,葡萄糖15。30 ℃,120 r/min避光培養(yǎng)。
1.3.2 昆布二糖磷酸化酶粗酶液的制備及酶活測定
將培養(yǎng)5 d的種子按照5%的接種量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中,避光培養(yǎng)9 d,之后離心收集纖細(xì)眼蟲細(xì)胞并懸浮于10 mmol/L的Tris-HCl緩沖液中(pH 7.2),超聲波破碎細(xì)胞,12 000×g離心30 min,收集離心上清液作為昆布二糖磷酸化酶的粗酶液。此操作在4 ℃條件下進(jìn)行。
收集離心上清液做酶活性分析,酶活的測定參照KITAOKA的方法[10],即每分鐘催化反應(yīng)生成1 μmol的Pi所需要的酶量定義為1個(gè)酶活單位。Pi的測定采用SAHEKI的方法[19],蛋白濃度的測定采用考馬斯亮藍(lán)法[20]。其結(jié)果如表1所示,將收集的粗酶液冷凍干燥,濃縮之后用于下一步合成反應(yīng)。
表1 Euglena gracilis發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)的細(xì)胞密度及培養(yǎng)基中昆布二糖磷酸化酶粗酶液酶活Table 1 The cell density of Euglena gracilis and the activityof laminarinase phosphorylase
1.3.3 昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化合成β-1,3-葡寡糖
酶催化反應(yīng)體系:50 mmol/L的Tris-HCl緩沖液(pH 7.0),100 mmol/L的G1P,5 mmol/L的MgCl2,50 mmol/L的葡萄糖[21],之后加入一定量的昆布二糖磷酸化酶粗酶液(0.1 U/mL)進(jìn)行酶催化合成反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間0.5、4、12、24 h,以反應(yīng)0 h作為對照組,之后經(jīng)過基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS)分析產(chǎn)物寡糖的聚合度分布。
1.3.4 昆布二糖磷酸化酶粗酶液和蔗糖磷酸化酶耦合催化合成β-1,3-葡寡糖
反應(yīng)體系如下:100 mmol/L的磷酸緩沖液(pH 7.0)、100 mmol/L的蔗糖、50 mmol/L的葡萄糖、5 mmol/L的MgCl2[21],之后加入蔗糖磷酸化酶(0.2 U/mL)[22]和昆布二糖磷酸化酶粗酶液(0.1 U/mL),37 ℃反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間0.5、1、4、12、24 h,以反應(yīng)0 h作為對照組,之后經(jīng)過MALDI-TOF-MS分析產(chǎn)物寡糖的聚合度分布。
1.3.5 生成產(chǎn)物的分離純化
(1)G1P的去除:將1.3.3已沸水浴的不同時(shí)間段的樣品混合后冷凍干燥,之后加水稀釋至1 mL,并過0.22 μm的水系膜,將樣品加樣于C18固相萃取柱中,此時(shí)濾出來的即為反應(yīng)殘留的G1P。再加入3 mL的去離子水進(jìn)行洗柱并收集,此時(shí)收集的即為反應(yīng)所生成的β-1,3-葡寡糖。按照相同的方法處理1.3.4中反應(yīng)液。
(2)鹽和單糖的去除:將上述收集的2管寡糖溶液分別加樣于200 mg級的石墨化碳固相萃取柱中,之后各自加入6 mL的去離子水,此時(shí)流出的為鹽和單糖的水溶液。待石墨化碳柱下方?jīng)]有液體流出時(shí)再各自依次加入6 mL 體積分?jǐn)?shù)為25%、50%和75%的乙腈進(jìn)行梯度洗脫,此時(shí)收集流出的樣品,每管收集的樣品即為已去鹽和去單糖的不同聚合度范圍的β-1,3-葡寡糖,之后將收集的樣品冷凍干燥之后用于后續(xù)電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜(electrospray ionization tandem mass spectrometry,ESI-MS/MS)和氫核磁共振(hydrogen nuclear magnetic resonance,1H-NMR)分析。
1.3.6 昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化葡萄糖和G1P合成β-1,3-葡寡糖的優(yōu)化
KITAOKA等[10]研究發(fā)現(xiàn),昆布二糖磷酸化酶在45 ℃條件下保存30 min依然具有一定的酶活。TAKANORI等[23]從萊氏無膽甾原體(Acholeplasmalaidlawii)中克隆表達(dá)了昆布二糖磷酸化酶,其在pH 5.0以上具有較高的酶活。因此本研究選擇pH 7.2,37 ℃為酶催化最適的條件[10],在此條件下優(yōu)化昆布二糖磷酸化酶、G1P和葡萄糖的添加量,從而得到最適的生成β-1,3-葡寡糖的催化條件。由于消耗1分子的G1P即生成1分子的Pi,所以可以通過測定反應(yīng)體系中Pi的生成量來表示G1P的消耗量,可作為反應(yīng)進(jìn)程的指標(biāo)[19]。
1.3.7 耦合催化反應(yīng)體系的優(yōu)化
在1.3.6優(yōu)化的最適條件下引入蔗糖磷酸化酶,雙酶耦合催化生成β-1,3-葡寡糖。李恬[22]等研究發(fā)現(xiàn)用蔗糖磷酸化酶催化蔗糖產(chǎn)G1P的最適條件為100 mmol/L磷酸緩沖液(pH 6.5)、蔗糖濃度100 mmol/L、溫度40 ℃、蔗糖磷酸化酶4.5 U/L、反應(yīng)4 h,此時(shí)G1P的得率可達(dá)76.9%。綜合考慮1.3.6中昆布二糖磷酸化酶優(yōu)化結(jié)果,本文選用100 mmol/L磷酸緩沖液、100 mmol/L的蔗糖、50 mmol/L的葡萄糖、5 mmol/L的MgCl2、蔗糖磷酸化酶(0.2 U/mL),昆布二糖磷酸化酶粗酶液(0.1 U/mL)為基本的反應(yīng)條件,在此基礎(chǔ)上對雙酶耦合催化的pH值、溫度進(jìn)行優(yōu)化。此時(shí)蔗糖磷酸化酶催化蔗糖生成G1P和果糖,且G1P通過昆布二糖磷酸化酶和葡萄糖反應(yīng)生成β-1,3-葡寡糖,由于G1P作為整個(gè)反應(yīng)體系的中間產(chǎn)物不斷產(chǎn)生和消耗,因此難以監(jiān)測,本文通過測定葡萄糖的轉(zhuǎn)化率作為整體反應(yīng)進(jìn)程的指標(biāo)。按公式(1)計(jì)算。
(1)
式(1)中:A為殘余的葡萄糖的濃度,mmol/L;B為葡萄糖的初始濃度,mmol/L。
葡萄糖濃度可通過高效液相色譜(HPLC)進(jìn)行測定,色譜柱Click XAmide(4.6 mm×250 mm);RI檢測器;流動(dòng)相V(乙腈)∶V(水)=85∶15;柱溫30 ℃;流速1.0 mL/min;進(jìn)樣量20 μL。
考慮到雙酶耦合催化合成β-1,3-葡寡糖的復(fù)雜性,首先用G1P來驗(yàn)證昆布二糖磷酸化酶合成寡糖的聚合度特征。目前主要用MALDI-TOF-MS進(jìn)行寡糖聚合度分析,該方法具有靈敏度強(qiáng)、分辨率高、測量范圍廣等特點(diǎn)[24]。對1.3.3中反應(yīng)0、0.5、4、12、24 h的產(chǎn)物進(jìn)行MALDI-TOF-MS分析,結(jié)果如圖2所示。反應(yīng)0.5 h時(shí),產(chǎn)物的聚合度最高只到4;當(dāng)反應(yīng)4 h時(shí),產(chǎn)物的聚合度范圍為4~10,即隨著反應(yīng)時(shí)間的增加有更高聚合度的寡糖生成;當(dāng)反應(yīng)12 h時(shí),產(chǎn)物聚合度范圍則變?yōu)?~8,即反應(yīng)12 h時(shí)生成的寡糖的聚合度并沒有增加反而有所下降。推測這是由于隨著合成反應(yīng)的進(jìn)行,體系中會(huì)伴隨著大量游離磷的生成。游離磷的大量積累導(dǎo)致反應(yīng)并不能繼續(xù)向合成方向進(jìn)行,而促進(jìn)反應(yīng)向著磷酸解的方向進(jìn)行,這就使得之前合成的高聚合度寡糖磷酸解成低聚合度的寡糖和G1P。通過上述分析可知昆布二糖磷酸化酶粗酶液可催化G1P和葡萄糖反應(yīng)合成不同聚合度的寡糖,并且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,合成寡糖的聚合度降低,最終出現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡現(xiàn)象。所以可以通過控制反應(yīng)時(shí)間得到一定聚合度范圍的β-1,3-葡寡糖。
圖2 昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化反應(yīng)產(chǎn)物的MALDI-TOF-MS分析Fig.2 MALDI-TOF-MS specturm of the reaction products catalyzed by Laminaribiose phosphorylase
采用MALDI-TOF-MS分析僅僅可以得到寡糖的聚合度分布,而ESI-MS/MS已經(jīng)成為解析寡糖糖鏈組成的高效工具[25],又由于1H-NMR能夠提供α-或β-異頭碳的構(gòu)型信息[26],所以本文利用ESI-MS/MS和1H-NMR對昆布二糖磷酸化酶合成的寡糖進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。以葡萄糖和G1P為底物,利用昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化合成β-1,3-葡寡糖,經(jīng)過石墨化碳柱純化后,對乙腈體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)洗脫出來的樣品進(jìn)行電噴霧質(zhì)譜(electrospray ionization mass spectrometry,ESI-MS)、ESI-MS/MS和1H-NMR分析,分析結(jié)果如圖3所示。
圖3 昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化反應(yīng)產(chǎn)物的ESI-MS、ESI-MS/MS和1H-NMR分析Fig.3 ESI-MS,ESI-MS/MS and 1H-NMR specturm of the reaction products catalyzed by Laminaribiose phosphorylase
從圖3-a中可以看出,在負(fù)離子模式下昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化反應(yīng)產(chǎn)物的ESI-MS結(jié)果顯示m/z為341.1、503.1和665.2的峰,相對應(yīng)的聚合度為2、3和4[27]。對于產(chǎn)物中聚合度為3的寡糖進(jìn)行ESI-MS/MS分析,所測得的產(chǎn)物寡糖的碎片峰如圖3-b所示,其質(zhì)譜碎片峰中主要是C型離子峰:C2(m/z341)、C1(m/z179),僅在末端出現(xiàn)B型離子峰:B1(m/z161),這與1,3-鍵連接的葡寡糖的碎片峰的特性相同,這表明昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化葡萄糖和G1P的反應(yīng)產(chǎn)物為1,3-鍵連接的葡寡糖[25]。從圖3-c中可以看出,產(chǎn)物寡糖的異頭氫的化學(xué)位移出現(xiàn)δ4.5~5.0之間,而大多數(shù)的α-端基質(zhì)子化學(xué)位移出現(xiàn)δ5~6之間,β-端基質(zhì)子化學(xué)位移出現(xiàn)δ4~5之間,所以可知產(chǎn)物寡糖的立體構(gòu)型為β-構(gòu)型,即昆布二糖磷酸化酶粗酶液催化G1P和葡萄糖反應(yīng)所生成的寡糖為β-1,3-葡寡糖。
研究結(jié)果表明,昆布二糖磷酸化酶可以利用葡萄糖和G1P實(shí)現(xiàn)寡糖的合成,但是G1P價(jià)格昂貴,所以用成品G1P作為反應(yīng)底物合成β-1,3-葡寡糖所需成本較高,不利于大規(guī)模合成β-1,3-葡寡糖。由于蔗糖磷酸化酶在Pi存在的條件下可以將1分子的蔗糖磷酸解生成1分子G1P和1分子果糖,因此,通過以蔗糖和葡萄糖為底物,用蔗糖磷酸化酶和昆布二糖磷酸化酶雙酶耦合催化實(shí)現(xiàn)β-1,3-葡寡糖的廉價(jià)合成:(1)蔗糖磷酸化酶將蔗糖拆分為G1P和果糖;(2)昆布二糖磷酸化酶利用前者生成的G1P實(shí)現(xiàn)糖鏈聚合度的增加,并解離出游離磷;(3)解離下來的游離磷繼續(xù)參與蔗糖磷酸化酶磷酸解蔗糖生成G1P。這樣通過循環(huán)反應(yīng)不僅大大提高了磷的利用率,同時(shí)減少了產(chǎn)物積累對反應(yīng)的抑制作用。
對1.3.4中反應(yīng)0、0.5、1、4、12和24 h的產(chǎn)物進(jìn)行MALDI-TOF-MS分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 耦合催化反應(yīng)產(chǎn)物的MALDI-TOF-MS分析Fig.4 MALDI-TOF-MS specturm of the reaction products catalyzed by mixed enzymes
可以看出,0 h時(shí),沒有產(chǎn)物寡糖出現(xiàn),隨著反應(yīng)時(shí)間延長到0.5 h時(shí),開始有4糖、5糖和6糖生成,反應(yīng)1 h時(shí)7糖、8糖開始出現(xiàn)。值得注意的是:添加到反應(yīng)體系中的蔗糖的峰信號強(qiáng)度在不斷地減弱,說明蔗糖正被磷酸解生成G1P。反應(yīng)4 h時(shí),9糖、10糖和11糖開始出現(xiàn),而當(dāng)接著增加反應(yīng)時(shí)間時(shí)并沒有更高聚合度的寡糖生成且產(chǎn)物寡糖的聚合度也沒有降低,推測耦合催化循環(huán)反應(yīng)達(dá)到了一個(gè)平衡的狀態(tài)。以上結(jié)果表明,以蔗糖為G1P的提供者,用蔗糖磷酸化酶和昆布二糖磷酸化酶來催化葡萄糖合成寡糖時(shí),隨著時(shí)間的延長,最后寡糖的合成達(dá)到平衡,并不會(huì)出現(xiàn)高聚合度的寡糖被降解的現(xiàn)象。因此,通過蔗糖磷酸化酶催化蔗糖生成G1P來替代成品的G1P,并結(jié)合昆布二糖磷酸化酶完全可以實(shí)現(xiàn)寡糖的廉價(jià)合成。
為鑒定雙酶耦合催化合成的寡糖結(jié)構(gòu),同樣對乙腈體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)洗脫出來的雙酶耦合催化樣品進(jìn)行ESI-MS、ESI-MS/MS和1H-NMR分析,分析結(jié)果如圖5所示。
圖5 耦合催化反應(yīng)產(chǎn)物的ESI-MS/MS、ESI-CID-MS/MS和1H-NMR分析Fig.5 ESI-MS,ESI-MS/MS and 1H-NMR specturm of the reaction products catalyzed by mixed enzymes
從圖5-a中可以看出,在負(fù)離子模式下耦合催化反應(yīng)產(chǎn)物的ESI-MS結(jié)果顯示m/z為341.1、503.2和665.2,分別對應(yīng)聚合度為2~4的葡萄糖單體的[M-H]-峰[27]。選擇寡糖產(chǎn)物中的3糖進(jìn)行ESI-MS/MS分析,所測得的產(chǎn)物寡糖的碎片峰如圖5-b所示。從圖5-b中可以看出,其質(zhì)譜碎片峰中同樣主要為C型離子峰:C2(m/z341)、C1(m/z179),僅僅在末端出現(xiàn)B型離子峰:B1(m/z161),這同樣與1,3-鍵連接的葡寡糖的碎片峰的特性相符[25],這表明昆布二糖磷酸化酶粗酶液和蔗糖磷酸化酶耦合催化反應(yīng)寡糖產(chǎn)物為1,3-鍵連接的葡寡糖。從圖5-c中可以看出,產(chǎn)物寡糖的異頭氫的化學(xué)位移同樣出現(xiàn)δ 4.5~5.0之間,可知產(chǎn)物寡糖的立體構(gòu)型為β-構(gòu)型,即昆布二糖磷酸化酶粗酶液和蔗糖磷酸化酶耦合催化反應(yīng)所生成的寡糖同樣為β-1,3-葡寡糖。
在KITAOKA等[10]研究的基礎(chǔ)上優(yōu)化昆布二糖磷酸化酶、G1P和葡萄糖的添加量,結(jié)果如圖6所示。
由圖6-a可知,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,G1P的消耗量在不斷的增加,酶濃度為0.01 U/mL和0.05 U/mL時(shí),G1P的消耗量少,且G1P的消耗在4 h之前不斷增加,之后G1P的消耗量增加變緩;當(dāng)酶濃度為0.1 U/mL時(shí),反應(yīng)2 h之后趨于穩(wěn)定,且此時(shí)消耗的G1P最多;當(dāng)酶濃度為0.5 U/mL和1.0 U/mL時(shí),0.5 h之前反應(yīng)消耗的G1P達(dá)到最大,之后由于昆布二糖磷酸化酶催化的雙向性使得反應(yīng)向著磷酸解的方向進(jìn)行,反應(yīng)1 h之后趨于穩(wěn)定。綜合考慮G1P的消耗情況及2.1中反應(yīng)產(chǎn)物的聚合度分布情況選擇最適酶濃度為0.1 U/mL。
a-酶的添加量優(yōu)化;b-GIP添加量優(yōu)化;c-葡萄糖添加量優(yōu)化圖6 酶的添加量、G1P添加量和葡萄糖添加量對β-1,3-葡寡糖合成的影響Fig.6 The effect of enzyme、G1P and glucose dosage on the synthesis of β-1,3-glucooligosaccharides
在上述的最適昆布二糖酶添加量的條件下優(yōu)化G1P的添加量對催化合成β-1,3-葡寡糖的影響,結(jié)果如圖6-b所示。當(dāng)催化反應(yīng)1 h時(shí),G1P添加量為25 mmol/L和50 mmol/L,反應(yīng)已趨于平衡,此時(shí)G1P的消耗量已不再增加;當(dāng)G1P添加量為75 mmol/L時(shí),反應(yīng)2 h時(shí)G1P的消耗量達(dá)到最大;當(dāng)G1P的濃度達(dá)到100 mmol/L時(shí),反應(yīng)4 h G1P的消耗量達(dá)到最大;接著增大G1P的濃度到125 mmol/L時(shí),反應(yīng)4 h ,G1P的消耗量與100 mmol/L反應(yīng)4 h相比并沒有大幅的增加,且之后反應(yīng)都趨于平衡,綜合考慮反應(yīng)G1P的消耗量可知反應(yīng)的最適G1P的添加量為100 mmol/L。
在上述最適的酶的添加量和最適的G1P添加量的基礎(chǔ)上優(yōu)化葡萄糖的添加量對β-1,3-葡寡糖合成的影響,結(jié)果如圖6-c所示。當(dāng)葡萄糖添加量為5、10和30 mmol/L時(shí),反應(yīng)4 h,G1P的消耗量都相對較低且4 h之后G1P的消耗量趨于平緩;當(dāng)葡萄糖的添加量為50 mmol/L時(shí),反應(yīng)4 h,G1P的消耗量達(dá)到最大,且和75、100 mmol/L葡萄糖添加量反應(yīng)4 h相比,G1P的消耗量相差很小。通過葡萄糖添加量優(yōu)化的結(jié)果可知,當(dāng)G1P的添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葡萄糖的添加量時(shí)并沒有實(shí)現(xiàn)G1P的消耗量的大量增加。結(jié)合2.1中產(chǎn)物聚合度隨時(shí)間變化情況和上述的體系的優(yōu)化結(jié)果,昆布二糖磷酸化酶催化葡萄糖和G1P生成β-1,3-葡寡糖最適的反應(yīng)條件為0.1 U/mL的酶量、100 mmol/L的G1P、50 mmol/L的葡萄糖、pH 7.2、37 ℃反應(yīng)4 h,此時(shí)G1P的消耗量可達(dá)到42.7 mmol/L。
耦合催化反應(yīng)的溫度和緩沖液的pH既影響蔗糖磷酸化酶磷酸解蔗糖生成G1P,又影響昆布二糖磷酸化酶催化葡萄糖和G1P生成β-1,3-葡寡糖,因此選擇合適的反應(yīng)溫度和反應(yīng)pH是合成β-1,3-葡寡糖的關(guān)鍵。通過2.3中對昆布二糖催化葡萄糖和G1P生成β-1,3-葡寡糖反應(yīng)體系的優(yōu)化,得知在0.1 U/L的昆布二糖磷酸化酶添加條件下,最適的葡萄糖添加量為50 mmol/L,因此在進(jìn)行耦合催化的pH和溫度優(yōu)化時(shí)依舊考慮選擇昆布二糖磷酸化酶添加量為0.1 U/L及葡萄糖添加量為50mmol/L,再結(jié)合李恬[22]等對蔗糖磷酸化酶催化蔗糖產(chǎn)G1P的最適條件的研究,選擇100 mmol/L的蔗糖、50 mmol/L葡萄糖、0.1 U/mL昆布二糖磷酸化酶和0.2 U/mL 蔗糖磷酸化酶為基本反應(yīng)條件,反應(yīng)4 h來優(yōu)化耦合催化反應(yīng)的溫度和pH,結(jié)果如圖7所示。
a-pH優(yōu)化;b-溫度優(yōu)化圖7 pH和溫度對耦合催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.7 The influence of different pH and temperature on coupling catalysis
由圖7-a可知,隨著pH值的增大,轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且在pH 6.5~7.0之間保持較高的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)pH小于6.5時(shí),耦合催化的化率呈直線增加的趨勢;當(dāng)pH為6.5時(shí),耦合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高;繼續(xù)增大pH時(shí),耦合催化的轉(zhuǎn)化率明顯下降。因?yàn)檫^高的pH影響蔗糖磷酸化酶和昆布二糖磷酸化酶的酶活,從而影響耦合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。
本文由此可以確定耦合反應(yīng)的最適pH為6.5,在此pH條件下葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為35.8%。溫度對耦合催化反應(yīng)同樣具有較大的影響,不同的溫度條件下耦合催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率也不同,選擇溫度梯度為25、33、37、40、43、45、50、60 ℃進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果如圖7-b所示。
在35~45 ℃溫度范圍內(nèi),耦合催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率保持在較高的水平,當(dāng)溫度低于37 ℃時(shí),隨著溫度的升高,耦合催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率呈線性增加;當(dāng)溫度為40 ℃時(shí),耦合催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大(39.4%);當(dāng)溫度大于45 ℃時(shí),耦合催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率迅速下降,這是由于高溫條件破壞了酶的結(jié)構(gòu),使得酶失活。由此可知耦合催化反應(yīng)的最適溫度為40 ℃。結(jié)合2.2中耦合催化產(chǎn)物聚合度隨時(shí)間的變化情況及耦合催化反應(yīng)體系的優(yōu)化,生成β-1,3-葡寡糖最適的條件為100 mmol/L的磷酸緩沖液(pH 6.5)、100 mmol/L的蔗糖、50 mmol/L的葡萄糖、5 mmol/L的MgCl2、0.1 U/mL昆布二糖磷酸化酶、0.2 U/mL蔗糖磷酸化酶、40 ℃條件下反應(yīng)4 h,此時(shí)葡萄糖的轉(zhuǎn)化率可達(dá)39.4%。
綜上所述,E.gracilis中含有昆布二糖磷酸化酶且其細(xì)胞破碎液作為昆布二糖磷酸化酶的粗酶液可催化G1P和葡萄糖生成寡糖。在以上基礎(chǔ)上,可通過蔗糖磷酸化酶催化蔗糖生成G1P來供昆布二糖磷酸化酶催化反應(yīng),生成寡糖。在本實(shí)驗(yàn)的條件下,我們發(fā)現(xiàn)耦合催化反應(yīng)0.5 h時(shí)合成寡糖聚合度在4~6之間;反應(yīng)4 h時(shí),有7~11糖生成;4 h之后反應(yīng)趨于平衡,并無更高聚合度的寡糖生成,聚合度穩(wěn)定在4~11之間。對所生成的寡糖進(jìn)行ESI-MS/MS和1H-NMR分析,可證明產(chǎn)物為β-1,3-葡寡糖,且經(jīng)過對耦合催化條件的優(yōu)化,得出在100 mmol/L的磷酸緩沖液(pH 6.5)、100 mmol/L的蔗糖、50 mmol/L的葡萄糖、5 mmol/L的MgCl2、0.1 U/mL昆布二糖磷酸化酶、0.2 U/mL蔗糖磷酸化酶、40 ℃條件下反應(yīng)4 h,葡萄糖的轉(zhuǎn)化率可達(dá)39.4%。以往的酶法合成需要昂貴的UDPG作為前體物質(zhì),而傳統(tǒng)的化學(xué)法合成寡糖時(shí),不僅需要加有保護(hù)基團(tuán)的昂貴前體物質(zhì),并且由于需要多步迭代合成反應(yīng),造成目的寡糖的得率極低。本文的方法摒棄了兩者的缺陷,僅需要價(jià)格低廉的葡萄糖和蔗糖為底物即可以實(shí)現(xiàn)β-1,3-葡萄糖的廉價(jià)合成,因而具有極大的產(chǎn)業(yè)化和市場化潛力。
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