鄭亞倫,夏瑛,李良,董孝元,方尚玲,陳茂彬,李琴*
1(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院,湖北 武漢,430070)2(黃鶴樓酒業(yè)有限公司,湖北 武漢,430050) 3(武漢雅仕博科技有限公司,湖北 武漢,430061)4(湖北省釀造工藝與裝備工程技術(shù)中心,湖北 武漢,430070)
半纖維素是自然界第二大豐富的多糖,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物中含有大量的半纖維素,合理高效的利用半纖維素除了能夠解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的問題,還能在一定程度上緩解能源危機問題。木聚糖是植物半纖維素的主要組成成分,快速高效的降解木聚糖是利用植物半纖維素的一個關(guān)鍵點。近年來多采用生物轉(zhuǎn)換法來降解木聚糖,如利用木聚糖酶。木聚糖酶是一類能降解植物半纖維素中的木聚糖的糖苷鍵骨架的水解酶,并通過其中各種組分的協(xié)同作用降解木聚糖[1]。50多年前,從曲霉當(dāng)中部分純化了木聚糖酶之后,陸續(xù)分離純化了許多其他屬的木聚糖酶[2-3]。木聚糖酶不僅僅用在植物能源方面,在食品和飲料、動物飼料、提取植物油和提高動物的營養(yǎng)價值等方面都有廣泛的應(yīng)用[4-5]。相關(guān)研究表明,在pH<4或5的酸性條件下,有較高酶活力的木聚糖酶都可以被稱為酸性木聚糖酶[6-7]。大多數(shù)的木聚糖酶為堿性木聚糖酶,國外以及國內(nèi)對于堿性木聚糖酶早有研究,并已經(jīng)應(yīng)用于造紙工業(yè)以及生物工程領(lǐng)域[8-9]。酸性木聚糖酶能夠在酸性條件下保持相對較高的酶活性,這類木聚糖酶在較低的pH值下能夠穩(wěn)定的發(fā)揮作用,在飼料,釀酒以及果汁澄清等需要低pH值的行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景[10]。
木聚糖酶的產(chǎn)生受培養(yǎng)基、pH值、接種量和溫度等因素的影響,不同的生產(chǎn)條件對木聚糖酶的產(chǎn)量和水解效率有很大的影響。降低酶的生產(chǎn)成本是提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟性和可行性的重要途徑[11]。隨著木聚糖酶在各個領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛,市場需求對木聚糖酶的生產(chǎn)和活性提出了更高的要求。本文旨在探索其酶學(xué)性質(zhì),獲得最佳發(fā)酵條件,以更好地滿足市場需求。
響應(yīng)面分析法(response surface methodology,RSM)是一種統(tǒng)計方法,它使用合理的實驗設(shè)計來尋找最佳工藝參數(shù)并解決多變量問題[12]。本文以解淀粉芽孢桿菌的基因為研究對象,并結(jié)合響應(yīng)面分析對表達條件進行了優(yōu)化,嘗試找到木聚糖酶的最佳表達條件。本實驗對其酶學(xué)性質(zhì)進行了研究,為大規(guī)模生物合成生產(chǎn)高質(zhì)量的木糖提供了理論依據(jù)。
1.1.1 菌種與試劑
實驗室從土壤樣品中篩選出1株解淀粉芽孢桿菌。Taq聚合酶、質(zhì)粒pMD18-T,Takara公司;凝膠提取試劑盒、細(xì)菌DNA提取試劑盒,Omega;質(zhì)粒提取試劑盒,Biomiga公司;樺木木聚糖和燕麥木聚糖,Sigma公司;山毛櫸木聚糖,Megazyme公司。
1.1.2 培養(yǎng)基
LB(Luria-Bertani)培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨10,酵母浸膏5,NaCl 5。
SOC(super optimal broth with catabolic repression)培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨20,酵母提取物5,NaCl 0.5,KCl 0.186,MgCl20.952,葡萄糖3.603。
2×YT(yeast peptone broth)培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨16,酵母提取物5,NaCl 5。
M-TB(modified-terrific broth)培養(yǎng)基(g/L):甘油10,酵母提取物24,蛋白胨12,KH2PO42.314,KH2PO4·3H2O 16.432。
SB(super broth)培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨30,酵母提取物20,葡萄糖20。
利用細(xì)菌DNA提取試劑盒,從解淀粉芽孢桿菌中提取總基因序列,根據(jù)NCBI(登錄碼:KY849859.1)上記錄的木聚糖酶基因序列設(shè)計特異性引物,獲得目的基因。將聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reation,PCR)得到的目的片段與克隆載體pMD18-T連接,轉(zhuǎn)染到大腸桿菌DH5α?;谳d體上攜帶的抗性基因,每100 mL培養(yǎng)基中添加100 μL的100 mg/mL氨芐抗生素,在LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)并測序驗證,測序正確的基因在NheI和XhoI酶切位點與pET28a(+)連接,然后轉(zhuǎn)移到大腸桿菌BL21(DE3)中,重組菌株編號為BA-TB-1。
將含有重組質(zhì)粒的細(xì)胞BA-TB-1轉(zhuǎn)移到LB培養(yǎng)基中,在200 r/min、37 ℃條件下培養(yǎng),然后用500 mmol/L異丙基β-D-1-硫代半乳吡喃糖苷(ispropyl-β-D-thinogalactoside,IPTG)溶液誘導(dǎo)表達。將誘導(dǎo)表達后的細(xì)胞溶液在4 ℃,5 000 r/min狀態(tài)下離心5 min,去掉上清液后加入10 mL 50 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.0)。粗酶液超聲處理15 min,離心獲得上清液,上清液在10 000 r/min下離心10 min,粗酶液經(jīng)Ni-Sepharose-HP柱純化[13]。采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)測定蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量,用聚氧基丙烯酸正丁酯(butyleyanoacrylate,BCA)蛋白質(zhì)濃度試劑盒測定蛋白質(zhì)濃度。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法,木聚糖酶的1個單位被定義為1 min 釋放1 μmol木聚糖酶的量。通過將0.9 mL的1 mg/mL 山毛櫸木聚糖與0.1 mL適當(dāng)稀釋的木聚糖酶(50 mmol/L乙酸緩沖液,pH 5.5)在55 ℃、反應(yīng)5 min 來測定[14],并用3,5-二硝基水楊酸法(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)計算釋放的還原糖量[15]。
將純化后的酶放置在不同pH的緩沖溶液(甘氨酸-HCl緩沖液pH 2.0~3.5;檸檬酸緩沖液pH 3.0~6.5;NaH2PO4-Na2HPO4緩沖液pH 6.0~8.0;Tris-HCl緩沖液pH 7.5~8.5)中進行處理,得到最佳的pH(以最佳pH條件下的酶活力為100%)。純化后的酶在37 ℃條件下,置于不同的pH(4.0~10.0)溶液中處理60 min,研究酶的pH穩(wěn)定性(以未處理的酶活力為100%)。
將純化后的酶在不同溫度(10~90 ℃)下反應(yīng),確定最佳反應(yīng)溫度(以最佳溫度條件下的酶活力為100%)。在適宜的pH和溫度(20~90 ℃)下反應(yīng)30 min后測定酶活性,研究酶的熱穩(wěn)定性(以未處理的酶活力為100%)。
1.7.1 單因素設(shè)計
通過控制培養(yǎng)基、誘導(dǎo)溫度、接種量、500 mmol/L IPTG用量、誘導(dǎo)時間和誘導(dǎo)點(加入IPTG前預(yù)培養(yǎng)時間)等變量,對木聚糖酶的表達條件進行了優(yōu)化。將低溫保存的菌株接種到LB培養(yǎng)基,在37 ℃恒溫下培養(yǎng)14 h成為母液。
誘導(dǎo)溫度對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響:在LB培養(yǎng)基中,接種量1.0%,500 mmol/L IPTG 200 μL,誘導(dǎo)時間18 h,誘導(dǎo)時機3.5 h的條件下,研究誘導(dǎo)溫度為15、18、21、24、27、30 ℃對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
培養(yǎng)基對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響:實驗選擇5種培養(yǎng)基進行優(yōu)化。在誘導(dǎo)溫度27 ℃,接種量1.0%,500 mmol/L IPTG 200 μL,誘導(dǎo)時間18 h的條件下,研究LB、2 × YT、SB、SOC、MTB培養(yǎng)基對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
誘導(dǎo)點對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響:在LB培養(yǎng)基中,誘導(dǎo)溫度27 ℃,接種量1.0%,500 mmol/L IPTG 200 μL,誘導(dǎo)時間18 h的條件下,研究誘導(dǎo)點2.5、3、 3.5、 4、 4.5 h對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
誘導(dǎo)時間對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響:在LB培養(yǎng)基中,接種量1.0%,500 mmol/L IPTG 200 μL,誘導(dǎo)溫度27 ℃,誘導(dǎo)時機3.5 h的條件下,研究誘導(dǎo)時間為12、15、18、21、24、27 h對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
IPTG濃度對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響:在LB培養(yǎng)基中,誘導(dǎo)時機3.5 h,誘導(dǎo)溫度27 ℃,接種量1.0%,誘導(dǎo)時間18 h的條件下,研究500 mmol/L IPTG用量為100、150、200、250、300 μL對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
接種量對木聚糖酶表達的影響:在500 mmol/L IPTG量200 μL,誘導(dǎo)點3.5 h,誘導(dǎo)時間18 h,誘導(dǎo)溫度27 ℃,LB培養(yǎng)基的條件下,研究接種量為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%對木聚糖酶誘導(dǎo)表達的影響。
1.7.2 響應(yīng)面設(shè)計
根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選擇單因素中對木聚糖酶活力最大的3個因素,采用中心組合的設(shè)計原理,以誘導(dǎo)點,500 mmol/L IPTG用量,接種量為自變量,木聚糖酶的酶活力為響應(yīng)值進行響應(yīng)面設(shè)計。實驗設(shè)計如表1所示。
表1 Central Composit試驗因素與水平Table 1 Central Composit test factors and levels
以解淀粉芽孢桿菌總基因組為模板,NCBI上記錄的木聚糖酶基因序列設(shè)計引物,進行PCR實驗。將PCR 的擴增產(chǎn)物用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))瓊脂糖凝膠電泳法進行檢測。檢測結(jié)果如圖1所示,通過PCR擴增獲得642 bp的條帶,與木聚糖酶目的基因相吻合,說明具有很高的產(chǎn)物特異性。
M-2 000 bp DNA Maker;條帶1-目標(biāo)DNA圖1 DNA瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果Fig.1 Agarose gel electrophoresis of DNA
細(xì)胞置于超聲波中進行破壁處理,將收集到的酶進行粉碎、離心和透析處理,粗酶經(jīng)Ni-Sepharose-HP柱純化。圖2是酶的純化結(jié)果,前2個條帶分別是標(biāo)記條帶和空白對照。第3條帶是破壞后的上清液。由圖2可知,目標(biāo)蛋白的表達量較高。第4條是純化的酶,在23.28 kDa處有1條清晰的蛋白帶。這與木聚糖酶的理論分子質(zhì)量一致,表明得到了純化的木聚糖酶。
M-蛋白質(zhì)Maker;1-空白對照;2-粗酶;3-純化酶圖2 木聚糖酶的SDS-PAGE分析Fig.2 Analysis of xylanase by SDS-PAGE
以山毛櫸木聚糖為底物,在緩沖溶液中測定木聚糖酶的最佳pH值。酶活性在4種不同的緩沖液中變化趨勢相同,如圖3-A所示。酶活性隨著酸度的降低而增加,在pH值為5.0~6.0時有較高的酶活性。37 ℃條件下,將木聚糖酶在不同pH緩沖液中培養(yǎng)1 h,測定酶活力。在pH 5.0和pH 5.0~7.0條件下,殘余酶活性分別保持在68%和50%以上(圖3-B),表明木聚糖酶具有良好的耐酸性[16]。研究表明,來自于包括丙酮丁酸梭桿菌在內(nèi)的不同生物體的木聚糖酶的最適pH值均在6.0[17]。
A-最佳pH;B-pH穩(wěn)定性圖3 pH對木聚糖酶的影響Fig.3 Effect of pH on xylanase注:以未處理的木聚糖酶活性為100%
以山毛櫸木聚糖為底物,純化的木聚糖酶在不同溫度下與底物進行反應(yīng)。酶活性在30 ℃時較低,并且隨著溫度的升高而升高(圖4-A)。該酶在60 ℃下表現(xiàn)出最大活性,高于其他菌株[18]。據(jù)相關(guān)研究報道,來源于AspergillussulphureusCGMCC0608菌株的木聚糖酶的最適溫度僅為50 ℃[19],相比而言,菌株BA-TB-1的產(chǎn)生的木聚糖酶具有較好的熱穩(wěn)定性。在酶的生物催化過程中,溫度對其催化效率有顯著的影響,在較高溫度下進行生物催化,酶可能失活[20-21]。如圖4-A所示,實驗中的木聚糖酶在溫度超過90 ℃時,酶活性基本喪失。將酶置于不同溫度下反應(yīng)30 min,測定其熱穩(wěn)定性,圖4-B顯示殘余酶活性隨溫度的升高而顯著降低。60 ℃是食品工業(yè)應(yīng)用木聚糖酶的理想溫度,在此溫度下,木聚糖酶可以增加面團的比體積和流變特性[18],在此溫度下,酶的殘余活性在30%左右。
A-最佳溫度;B-熱穩(wěn)定性圖4 溫度對木聚糖酶的影響Fig.4 Effect of temperature on xylanase注:以未處理的酶活性為100%
以山毛櫸木聚糖為底物時的酶活力為100%。木聚糖酶對山毛櫸木聚糖、樺木木聚糖、燕麥木聚糖的比活力分別為100%、65.53%、172.55%。山毛櫸木聚糖的動力學(xué)常數(shù)Km和Vmax分別為(4.195±0.68) mg/mL和(1 757±6.31) mg/(min·μmol),低于大多數(shù)重組木聚糖酶的Km[22-23]。木聚糖酶對樺木木聚糖的比活力(65.53%)最低,對燕麥木聚糖的比活力(172.55%)最高,這與相關(guān)研究中的青霉菌木聚糖酶的結(jié)果相反[22]。當(dāng)木聚糖酶和燕麥中的木聚糖相互作用時,活性位點的特征可能會改變[24]。Trichoderma inhamatum木聚糖酶對可溶性樺木木聚糖的催化專一性較高,這與本實驗所研究的木聚糖酶相反[24]。
2.6.1 單因素實驗
2.6.1.1 培養(yǎng)基優(yōu)化
不同組成成分的培養(yǎng)基對促進細(xì)胞的生長,提升細(xì)胞生長數(shù)量有不同的效果,從而影響細(xì)胞的生長和調(diào)節(jié)[25]。添加不同碳源和氮源的培養(yǎng)基可促進重組纖維素酶的產(chǎn)量[26]。當(dāng)選擇2×YT培養(yǎng)基(含5 g/L酵母抽提物和16 g/L蛋白胨)時,其表達水平達到501.34 U/mL,略高于MTB培養(yǎng)基(含2.4 g/L酵母抽提物和12 g/L蛋白胨)(圖5-A)。SUBRAMANIYAN等[27]用2.5 g/L蛋白胨和2.5 g/L酵母抽提物從芽孢桿菌SSP34中獲得了最高的木聚糖酶產(chǎn)量。同時,一些報告表明,酵母提取物對芽孢桿菌產(chǎn)酶的影響最為重要[28]。這可能是因為以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基(SOC和SB)產(chǎn)生的細(xì)胞密度較低,而富集培養(yǎng)基(LB和MTB)提供的細(xì)胞密度較高,但不支持最佳的表達[25]。
2.6.1.2 誘導(dǎo)溫度優(yōu)化
誘導(dǎo)后培養(yǎng)溫度的優(yōu)化對于提高可溶性重組蛋白的產(chǎn)量具有重要意義[24]。當(dāng)誘導(dǎo)溫度過低時,酶活性沒有實質(zhì)性變化(圖5-B)。當(dāng)溫度為24 ℃時,酶活性最高達到488.215 U/mL,與本實驗的最佳誘導(dǎo)表達溫度相同[25]。溫度不僅對宿主細(xì)胞的生長有重要的影響,同時也影響異源性蛋白的合成。當(dāng)誘導(dǎo)溫度較高時,宿主生長加快,蛋白質(zhì)合成速率過快,可能產(chǎn)生包涵體,導(dǎo)致細(xì)菌死亡[29]。
2.6.1.3 誘導(dǎo)時機優(yōu)化
如圖5-C所示,當(dāng)誘導(dǎo)點為4 h時,木聚糖酶的酶活性達到最大值450.022 U/mL。重組酶在培養(yǎng)過程中主要依賴于細(xì)胞比生產(chǎn)力和細(xì)胞密度[30]。當(dāng)培養(yǎng)時間過短時,細(xì)菌的代謝能力不強,細(xì)胞密度低,細(xì)菌的表達量低。然而,細(xì)菌相對較老時,培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)用于細(xì)胞的生長和繁殖,誘導(dǎo)點太晚時會導(dǎo)致酶的表達減少[31]。在低細(xì)胞密度的早期進行誘導(dǎo)會導(dǎo)致細(xì)胞代謝負(fù)擔(dān)和生理負(fù)擔(dān),進而影響誘導(dǎo)后的蛋白質(zhì)表達和細(xì)胞生長[32]。因此,有必要選擇在適當(dāng)?shù)臅r間加入IPTG。
2.6.1.4 誘導(dǎo)時間優(yōu)化
誘導(dǎo)時間影響大腸桿菌中表達蛋白的折疊、積累和產(chǎn)量[33]。當(dāng)誘導(dǎo)時間太短時,菌群沒有完全生長并繁殖到最佳狀態(tài),導(dǎo)致酶活性降低(圖5-D),最適誘導(dǎo)時間為24 h,酶活性達到488.215 U/mL,誘導(dǎo)時間越長,會導(dǎo)致細(xì)胞衰老、自溶和活力下降,木聚糖酶活性越低。周質(zhì)蛋白分泌隨著誘導(dǎo)時間的延長而增加,這增加了其滲透性,削弱了外膜,這種延長培養(yǎng)時間的方法先前由DIZ-RINCN[34]和DONOVAN[35]報道。
2.6.1.5 IPTG用量優(yōu)化
IPTG是一種誘導(dǎo)分子,通常用于在lac操縱子下生產(chǎn)重組蛋白。目前研究表明,隨著IPTG溶液用量的增加,重組蛋白的產(chǎn)量增加[25]。當(dāng)500 mmol/L IPTG溶液用量為200 μL時,木聚糖酶顯示出最大活性(圖5-E)。但隨著IPTG用量的增加,酶活性下降更為嚴(yán)重。選擇最佳的誘導(dǎo)濃度時,可以確保膜的定位和高效運輸,這也可以減少細(xì)胞的運轉(zhuǎn)負(fù)荷[36]。然而,較高濃度的IPTG導(dǎo)致包涵體的形成[37],導(dǎo)致細(xì)菌死亡。
2.6.1.6 接種量優(yōu)化
酶的生物合成受菌株年齡和接種量的影響[38]。圖5-F表明,酶活性隨著接種量的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的情況,當(dāng)接種量為3%時,酶活性最高,達到488 U/mL。過量接種時酶產(chǎn)量的下降可能是由于培養(yǎng)物生長速度加快和養(yǎng)分缺乏導(dǎo)致[39]。因此,最大的酶產(chǎn)量需要在有效養(yǎng)分和高產(chǎn)之間平衡[40]。
2.6.2 Central Composite試驗設(shè)計與結(jié)果
依據(jù)單因素實驗結(jié)果,運用Design-expert 8.0.6中Central Composite試驗方法,采用響應(yīng)面分析法對木聚糖酶的誘導(dǎo)表達條件中的影響因素500 mmol/L IPTG的用量、誘導(dǎo)時機、接種量進行優(yōu)化,確定最佳的誘導(dǎo)表達條件。如表5所示,根據(jù)各個因素的F值,影響結(jié)果的次序為B>A>C,即影響因素IPTG用量>誘導(dǎo)點>接種量。模型的P值<0.000 1,差異顯著,失擬項為0.125 8>0.05,表示結(jié)果差異不顯著,說明模型是有效的。模型決定系數(shù)R2=0.997 5,表明木聚糖酶的實際酶活與預(yù)測值擬合度,校正決定系數(shù) AdjR2=0.995 2。綜上所述,該實驗?zāi)P涂蛇M行真實值的分析,回歸方程擬合度好,可用于木聚糖酶的表達優(yōu)化。
A-培養(yǎng)基;B-誘導(dǎo)溫度;C-誘導(dǎo)點;D-誘導(dǎo)時間;E-500 mmol/L IPTG用量;F-接種量圖5 木聚糖酶的表達優(yōu)化條件Fig.5 Optimization of expression conditions for xylanases
表2 Central Composite試驗方案與結(jié)果Table 2 Central Composite test plan and results
2.6.3 響應(yīng)面分析
根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件分析得到的回歸方程可知,預(yù)測的最佳表達優(yōu)化條件為誘導(dǎo)點3.63 h、500 mmol/L IPTG 224.76 μL、接種量3.18%,此條件下的預(yù)測值為550.139 U/mL。為了實驗的可操作性,取誘導(dǎo)點3.6 h、500 mmol/L IPTG 225 μL、接種量3.8%,在此實驗條件下進行3次平行實驗,平均木聚糖酶的活力為548.87 U/mL。實際值與預(yù)測值十分接近,說明響應(yīng)面優(yōu)化木聚糖酶的表達是可行的。
表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression models
本文從解淀粉芽孢桿菌中克隆得到一個木聚糖酶基因,并在大腸桿菌DH5α中克隆保留,之后轉(zhuǎn)入到BL21(DE3)中進行了異源表達。通過研究木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)該木聚糖酶具有較好的耐酸性,這能為木聚糖酶在食品和動物飼料添加劑中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。同時本實驗采用響應(yīng)面分析法來優(yōu)化木聚糖酶的誘導(dǎo)表達條件,在最佳的誘導(dǎo)表達條件,獲得更加穩(wěn)定、高質(zhì)量的木聚糖酶。木聚糖酶在中溫條件下具有較高的耐熱性,在較寬pH范圍內(nèi)的穩(wěn)定性,可用于多種生物技術(shù)應(yīng)用,且具有較高的耐熱性和耐酸性,可以很好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
圖6 誘導(dǎo)點、500 mmol/L IPTG的用量和接種量交互作用圖Fig.6 Interaction plot of inducing point, 500 mmol/L IPTG, and inoculation amount