(廈門醫(yī)學(xué)院,福建廈門361021)
鮑魚是一種海洋貝類,只有半面外殼,屬單殼軟體動(dòng)物,體型扁而寬,以攝食海藻和浮游生物為生[1]。鮑魚的天然產(chǎn)量很少,但隨著技術(shù)的發(fā)展,鮑魚人工繁殖已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。近年來,隨著我國(guó)水產(chǎn)行業(yè)的不斷發(fā)展,鮑魚養(yǎng)殖技術(shù)的應(yīng)用和完善,我國(guó)的鮑魚產(chǎn)量也在不斷增加,而在鮑魚的加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的下腳料,如鮑魚內(nèi)臟、鮑魚殼等,對(duì)于這些下腳料的處理以及高效應(yīng)用問題也引起人們的關(guān)注。鮑魚內(nèi)臟占鮑魚總質(zhì)量的30%左右,其中含有大量的蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等[2],如何合理運(yùn)用這些廉價(jià)而又豐富的天然海洋資源是十分值得研究的。
β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,CE3.2.1.21)又稱β-D-葡萄糖苷水解酶,別名纖維二糖酶、龍膽二糖酶和苦杏仁苷酶。它屬于纖維素酶類,是一種能催化水解芳基和烴基與糖基原子團(tuán)之間的糖苷鍵生成葡萄糖的酶。β-葡萄糖苷酶對(duì)于纖維素的降解作用顯著,對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有十分重要的作用[3]。
雙水相萃取技術(shù)(aqueous two phase extraction,ATPE)作為近幾年發(fā)展較為迅猛的新型液-液萃取技術(shù),與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比具有高含水量(70%~90%)、分相時(shí)間短、條件溫和、易于工藝放大和連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn),在快速的將大量雜志去除的同時(shí)還能較好的保護(hù)生物活性物質(zhì),使其不易變性失活[4-5]。目前雙水相萃取技術(shù)已應(yīng)用于蛋白質(zhì)、生物酶、菌體、細(xì)胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物質(zhì)的分離、純化[6]。
目前已有研究運(yùn)用常規(guī)的冷提取方法分離純化出鮑魚內(nèi)臟中的β-葡萄糖苷酶[7-8],本研究則是在最佳冷提取條件下,加入超聲波破碎輔助常規(guī)方法提取鮑魚內(nèi)臟中β-葡萄糖苷酶,并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)法找到最合適、最高效的超聲輔助條件,在此基礎(chǔ)上,加入雙水相萃取技術(shù),探究萃取效果最佳的雙水相系統(tǒng)組成,以求達(dá)到更高的提取率和回收率,為相關(guān)酶的提取純化、酶學(xué)性質(zhì)的研究提供便利,同時(shí)也為鮑魚內(nèi)臟的開發(fā)利用提供一定的理論依據(jù)。
皺紋盤鮑內(nèi)臟:廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院提供,-20℃下冷凍儲(chǔ)藏待用;對(duì)硝基苯基-β-D-葡萄糖苷(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG):北京索萊寶科技有限公司;對(duì)硝基苯酚、碳酸鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸、乙酸、乙酸鈉、氫氧化鈉(均為分析純):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)600、1 000、1 500、2 000、4 000、6 000:上海麥克林生化科技有限公司。
高速組織搗碎機(jī)(A25乳化機(jī))::上海歐河;Scientz-ⅡD超聲波細(xì)胞破碎機(jī):寧波新芝生物科技有限公司;3-18K高速冷凍離心機(jī):德國(guó)sigma;AF100制冰機(jī):意大利斯科茨曼;Epoch 2酶標(biāo)儀:BioTek Instrum ents,Inc.。
1.3.1 鮑魚內(nèi)臟的預(yù)處理
取一定質(zhì)量的鮑魚內(nèi)臟,以1∶4的質(zhì)量比加入預(yù)冷的乙酸-乙酸鈉緩沖液(0.1 mol/L,pH=4.5),在冰浴中用組織搗碎機(jī)勻漿后待用[5]。
1.3.2 超聲輔助粗酶液的提取
將上述預(yù)處理液等量分裝至小燒杯中,放入超聲波破碎機(jī)中,采用冰浴冷卻法,一次超聲時(shí)間5 s~10 s,間隔時(shí)間5s~10 s,處理一定時(shí)間后取出,放置于冰浴中浸提一段時(shí)間,用高速冷凍離心機(jī)離心(10 000 r/min,4℃,15 min),取上清液。
1.3.3 酶活力的測(cè)定
酶活定義:一定條件下,1 mL酶液在1 min內(nèi)水解p-NPG 產(chǎn)生 1 μmol對(duì)硝基苯酚(p-nitrophenol)定義為一個(gè)酶活力單位(U)。采用p-NPG比色法,在403 nm處的吸光值來測(cè)定β-葡萄糖苷酶的酶活力大小[9]。計(jì)算公式如下:
式中:U為β-葡萄糖苷酶酶活性,U/mL;K為曲線斜率;A為403 nm處的平均吸光度;為對(duì)硝基苯酚的量,μmol;4 為反應(yīng)體系的總體積,mL;10 為反應(yīng)時(shí)間,min;0.1為加入的酶量,mL;N為稀釋倍數(shù)。
1.3.4 超聲輔助鮑魚內(nèi)臟粗酶液提取工藝的單因素試驗(yàn)
以β-葡萄糖苷酶酶活力為指標(biāo),探究超聲波輔助處理鮑魚內(nèi)臟對(duì)β-葡萄糖苷酶提取的影響,分別考察以下4個(gè)因素:超聲的預(yù)處理液體積、超聲波功率、超聲時(shí)間、超聲后浸提時(shí)間。
1.3.5 超聲輔助鮑魚內(nèi)臟β-葡萄糖苷酶提取工藝的正交試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取影響試驗(yàn)的3個(gè)主要因素:超聲波功率、超聲總時(shí)間、超聲后浸提時(shí)間作為考察因素,在各因素選取3個(gè)最佳的水平條件,采用L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行設(shè)計(jì),做三因素三水平正交試驗(yàn),以確定β-葡萄糖苷酶超聲輔助提取的最佳工藝條件。正交表設(shè)計(jì)見表1。
1.4.1 PEG/(NH4)2SO4雙水相體系相圖的制作
在室溫下,將 6 種分子量的 PEG(600、1 000、1 500、2 000、4 000、6 000)分別配置成一定質(zhì)量比的溶液待用。準(zhǔn)確稱取一定量某一分子量的PEG溶液,加入試管中置于天平上,然后逐滴加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(NH4)2SO4溶液,充分混合,直至出現(xiàn)渾濁為止,靜置或離心后能分離成相,記錄加入的(NH4)2SO4溶液的質(zhì)量,從而計(jì)算出PEG、(NH4)2SO4和水在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
表1 超聲輔助提取β-葡萄糖苷酶正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Orthogonal test of the ultrasonic assisted β-glucosidase extraction factors and their levels
1.4.2 β-葡萄糖苷酶雙水相萃取
體系總質(zhì)量固定為10 g,按上述成相條件,準(zhǔn)確稱取一定量的PEG溶液和(NH4)2SO4溶液于干燥的試管中,加入1 mL粗酶液,混勻后3 000 r/min低溫離心3 min,記錄上下兩相的體積比,分別測(cè)定上下兩相的酶活。
1.4.3 雙水相萃取法中各參數(shù)的計(jì)算[10]
相比R=下相體積/上相體積;分配系數(shù)K=下相酶活/上相酶活;萃取率Y/%=(R×K)/(1+R×K)×100
對(duì)硝基苯酚標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。
圖1 對(duì)硝基苯酚標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 p-Nitrophenol standard curve
如圖 1,回歸方程為 y=16.115x+0.0243,R2=0.999 9,斜率K=16.115。
2.2.1 超聲的預(yù)處理液體積對(duì)酶活的影響
在超聲功率為240 W,超聲時(shí)間為15 min,超聲后冰浴浸提1 h的條件下,測(cè)定不同體積的預(yù)處理液進(jìn)行超聲波處理對(duì)其酶活力的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 超聲的預(yù)處理液體積對(duì)酶活的影響Fig.2 The effect of ultrasonic pretreatment liquid volume on enzyme activity
由圖2可知,根據(jù)預(yù)處理液體積的遞增,酶活力呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì),當(dāng)預(yù)處理液量過少時(shí),超聲發(fā)熱過快導(dǎo)致酶活大量損失;而當(dāng)預(yù)處理液量過大時(shí),破碎率下降,導(dǎo)致目標(biāo)酶濃度降低,總酶活降低。因此,選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理液體積進(jìn)行試驗(yàn)才能較客觀明顯的反映出不同的超聲因素和條件下酶活的變化,因此選擇10 mL的預(yù)處理液進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)試驗(yàn)較為合適。
2.2.2 不同超聲波功率對(duì)酶活的影響
在預(yù)處理液體積為10 mL,超聲時(shí)間為20 min,超聲后冰浴浸提1 h的條件下,測(cè)定不同超聲功率對(duì)粗酶液酶活力的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 超聲波功率對(duì)酶活的影響Fig.3 The effect of ultrasonic power on enzyme activity
由圖3可知,當(dāng)超聲功率小于180 W時(shí),隨著功率的增加,細(xì)胞破碎效果越好,目標(biāo)酶的酶活力呈逐漸增大的趨勢(shì);當(dāng)超聲功率大于180 W后,酶活力則隨著功率的增大呈逐漸下降的趨勢(shì)。該結(jié)果產(chǎn)生可能是由于10 mL體積的預(yù)處理液在超聲功率在180 W附近時(shí),細(xì)胞破碎率較高,且能保持較好的酶活性,而隨著功率的不斷增加,破碎率增大的同時(shí),破碎時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致更多的酶變性失活,且變性速度大于破碎釋放目標(biāo)酶的速度。所以處理10 mL預(yù)處理液時(shí),超聲功率在180 W時(shí)是較適宜條件。
2.2.3 不同超聲時(shí)間對(duì)酶活的影響
在預(yù)處理液體積為10 mL,超聲功率為180 W,超聲后冰浴浸提1 h的條件下,測(cè)定不同超聲時(shí)間對(duì)粗酶液酶活力的影響結(jié)果見圖4。
圖4 超聲時(shí)間對(duì)酶活的影響Fig.4 The effect of ultrasonic time on enzyme activity
由圖4可知,當(dāng)超聲時(shí)間少于20 min時(shí),酶活隨著超聲時(shí)間的增加而增大;當(dāng)超過20 min后,酶活隨著時(shí)間的增加而呈下降趨勢(shì)。該結(jié)果產(chǎn)生的原因可能是超聲時(shí)間過短時(shí)(少于20 min)細(xì)胞破碎率較低,目標(biāo)酶釋放量隨著時(shí)間增加而增加;當(dāng)超聲時(shí)間超過20 min后,超聲引起的發(fā)熱導(dǎo)致目標(biāo)酶開始大量變性失活導(dǎo)致酶活不斷喪失。所以選擇超聲處理時(shí)間為20 min為較最適宜條件。
2.2.4 超聲后的浸提時(shí)間對(duì)酶活的影響
在預(yù)處理液為10 mL,超聲功率為180 W,超聲處理時(shí)間為20 min的條件處理后,考察浸提時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)粗酶液酶活的影響結(jié)果見圖5。
圖5 超聲后浸提時(shí)間對(duì)酶活的影響Fig.5 The effect of extraction time on enzyme activity
由圖5可以看出,隨著浸提時(shí)間的增加,目標(biāo)酶活呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在浸提時(shí)間為3 h時(shí),酶活力相對(duì)較高。因此超聲處理后浸提時(shí)間為3 h為較適宜條件。
試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。方差分析見表3。
表2 超聲輔助提取β-葡萄糖苷酶正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The result on the orthogonal test of the ultrasonic assisted β-glucosidase extraction
表3 正交試驗(yàn)方差分析表Table 3 Analysis of variance of orthogonal test
根據(jù)極差R值可見,RA>RB>RC,所以超聲波輔助提取鮑魚內(nèi)臟β-葡萄糖苷酶的影響因素主次順序?yàn)椋撼曨l率>超聲時(shí)間>超聲后浸提時(shí)間。即超聲頻率影響最大,其次是超聲的時(shí)間,超聲后浸提時(shí)間則影響較小。
試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律和趨勢(shì),由圖6所示。
由表2的極差分析結(jié)果可以看出,在超聲輔助鮑魚內(nèi)臟β-葡萄糖苷酶的提取過程中,影響目標(biāo)酶酶活的因素按影響大小排序依次為A>B>C,即超聲功率>超聲時(shí)間>超聲后浸提時(shí)間。由表3的方差分析可以看出,其中,超聲功率對(duì)目標(biāo)酶的提取具有顯著性影響,超聲時(shí)間對(duì)其影響并不顯著,而超聲后浸提時(shí)間可視為誤差所致,可不作為影響因素。
由表2及圖6可以得出最佳的條件水平組合為A2B3C3,即當(dāng)超聲功率為180 W,超聲時(shí)間為20 min,超聲后浸提時(shí)間為3 h時(shí)為最佳工藝條件;但根據(jù)上述極差結(jié)果以及提取過程中各類成本的綜合考慮,可將浸提時(shí)間縮短至1 h作為最佳條件。
圖6 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖Fig.6 Factors and index trend chart
由上述結(jié)果可知,正交試驗(yàn)結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致,但根據(jù)方差分析及綜合成本考慮,縮短浸提時(shí)間至1 h進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),即超聲功率為180 W,超聲時(shí)間為20 min,超聲后浸提時(shí)間為h;與最佳工藝組合(超聲功率為180 W,超聲時(shí)間為20 min,超聲后浸提時(shí)間為3 h)進(jìn)行比較,結(jié)果如表4所示。
表4 最優(yōu)提取工藝驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The optimal extraction process validation test results
表4結(jié)果可見,超聲后浸提1 h的平均酶活基本與浸提3 h的平均酶活沒有顯著區(qū)別,但超聲后浸提1 h能大大縮短時(shí)間和材料成本,故可作為最佳條件。
2.5.1 雙水相體系相圖
圖7是不同分子量的PEG與(NH4)2SO4的雙水相相圖,曲線上的點(diǎn)為臨界點(diǎn),曲線下方不分相,上方為兩相區(qū)。PEG在上相富集,下相則為(NH4)2SO4。
圖7 PEG/(NH4)2SO4雙水相體系相圖Fig.7PEG/(NH4)2SO4aqueous two-phase system phase diagram
從圖7中可以看出,當(dāng)(NH4)2SO4質(zhì)量一定時(shí),PEG分子量越大越容易形成雙水相體系;當(dāng)PEG分子量一定時(shí),(NH4)2SO4過低時(shí)難以成相,過高時(shí)則易飽和難以溶解,所以在選擇PEG分子量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和(NH4)2SO4需考慮三者的相互關(guān)系[11]。
2.5.2 PEG分子量對(duì)萃取的影響
根據(jù)相圖,固定(NH4)2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,選擇不同分子量的 PEG(600、1 000、1 500、2 000、4 000、6 000),并將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)也固定為16%,組成雙水相體系,考察相關(guān)各項(xiàng)參數(shù)的變化情況,結(jié)果如表5所示。
表5 PEG分子量對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取的影響Table 5 The effect of the molecular weight of PEG on βglucosidase extraction
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),β-葡萄糖苷酶的分配系數(shù)足夠大,第一次萃取就能大量富集分配至下相(NH4)2SO4相,而雜蛋白和細(xì)胞碎片都停留在上相PEG相,有較好的分配效果。由表5可知,當(dāng)PEG分子量較小或較大時(shí),分配系數(shù)K和萃取率Y均較??;當(dāng)PEG分子量為1 000時(shí),分配系數(shù)K和萃取率Y均最大。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是隨著PEG分子量增加,疏水性增大,成相時(shí)分配的水分就越少,上相體積減小,下相體積增大;此雙水相體系中,當(dāng)PEG分子量較小時(shí),β-葡萄糖苷酶能較多的富集在下相,即(NH4)2SO4鹽相,且能保持較高酶活力,但隨著PEG分子量增大,β-葡萄糖苷酶會(huì)逐漸向上相富集,但由于上相雜蛋白、細(xì)胞碎片等雜質(zhì)過多,加上PEG疏水性增大,最終可能導(dǎo)致酶活大量損失,且難以與其他雜質(zhì)分離,所以分配系數(shù)和回收率逐漸減??;但當(dāng)PEG分子量過小時(shí)(600),該體系萃取效果不佳,雜質(zhì)與目標(biāo)酶并未有明顯分離,所以PEG分子量為1 000時(shí),分配系數(shù)最大,下相對(duì)目標(biāo)酶的萃取率最高。
2.5.3 PEG1000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)萃取的影響
固定(NH4)2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG1000對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取的影響,結(jié)果如表6所示。
表6 PEG1000質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取的影響Table 6 The effect of the mass fraction of PEG1000 on βglucosidase extraction
根據(jù)表6結(jié)果表明,體系中PEG1000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)萃取效果最好。當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)體系不成相,隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,兩相體積比逐漸減小,分配系數(shù)和萃取率也隨之下降。所以選擇PEG1000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%萃取效果最佳。
2.5.4 (NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)萃取的影響
根據(jù)上述結(jié)果,固定PEG1000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(NH4)2SO4對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取效果的影響。結(jié)果如表7所示。
表7 (NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取的影響Table 7 The effect of the mass fraction of(NH4)2SO4on βglucosidase extraction
根據(jù)表7的結(jié)果可以看出,當(dāng)(NH4)2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于16%時(shí),體系不成相;隨著硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,下相體積增大,分配系數(shù)逐漸減小,萃取率也呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),這是因?yàn)榱蛩徜@屬于強(qiáng)電解質(zhì),濃度過高時(shí)會(huì)中和蛋白質(zhì)表面電荷,破壞表面的水化膜,不利于目標(biāo)酶的提取。所以選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的(NH4)2SO4最為合適。
2.5.5 雙水相體系的pH值對(duì)萃取的影響
根據(jù)上述結(jié)果,確定雙水相體系組成為PEG1000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,考察體系的pH值對(duì)萃取效果的影響,由于(NH4)2SO4在堿性條件下易水解,從而破壞雙水相的穩(wěn)定性,所以pH值選擇的考察范圍為3~7之間。結(jié)果如圖7所示。
圖7 pH值對(duì)β-葡萄糖苷酶萃取的影響Fig.7 The effect of pH on β-glucosidase extraction
該雙水相體系的pH值由(NH4)2SO4決定,其顯弱酸性,使該體系形成的自然pH值為5。由圖7可以看出,隨著pH值逐漸增大,其分配系數(shù)和萃取率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì),當(dāng)pH值為5時(shí),β-葡萄糖苷酶的分配系數(shù)和萃取率最佳。
通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)可以確定出一套較為優(yōu)化的超聲輔助提取鮑魚內(nèi)臟中β-葡萄糖苷酶的工藝條件,同時(shí)可以得出各因素對(duì)酶活的影響大?。撼暪β蕦?duì)酶活有顯著性影響,超聲時(shí)間則影響較小,超聲后浸提時(shí)間基本不作為影響條件。通過最終的驗(yàn)證試驗(yàn)確定超聲輔助鮑魚內(nèi)臟中β-葡萄糖苷酶提取的最佳工藝條件為:10 mL的鮑魚內(nèi)臟預(yù)處理液,在超聲波功率為180 W,超聲時(shí)間為20 min,超聲后浸提時(shí)間為1 h。該工藝條件下,能從鮑魚內(nèi)臟中獲得比常規(guī)冷提取方法獲得的活力更大的β-葡萄糖苷酶,且綜合成本較低。
通過考察鮑魚內(nèi)臟粗酶液中的β-葡萄糖苷酶在PEG/(NH4)2SO4雙水相體系中的分配規(guī)律,可以得出對(duì)目標(biāo)酶具有最佳萃取效果的雙水相體系為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%PEG1000,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 16%的(NH4)2SO4,體系pH值為5(自然)。與傳統(tǒng)方法相比,雙水相萃取不但有較高的提取率,還能進(jìn)一步去除大量的雜質(zhì),達(dá)到分離純化的效果,同時(shí)還能保持目標(biāo)酶較高的活性,是一種高效環(huán)保又節(jié)約的分離提取方法。后續(xù)試驗(yàn)還將對(duì)該方法的鹽種類及其他條件進(jìn)行探究,并通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)組合。該研究能為海洋生物下腳料中有效生物活性物質(zhì)的分離提取提供一種新的方法和思路,對(duì)未來的工業(yè)化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。