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壳聚糖酶的研究进展与应用

来源:欧得旅游网
201 3.4(总第1 71期) 山东食品发酵 壳聚糖酶的研究进展与应用 李龙飞 苏 敏石晓蕾 王亚娜 王玟玟何金兴 (齐鲁工业大学食品与生物工程学院济南250353) 摘要:壳寡糖作为壳聚糖的降解产物,以其独特的功能性质,近年来受到人们越来越多的关注。壳寡糖具有改善肠道茵 性酶,国内外对于壳聚糖酶的研究从未间断过。本文对壳聚糖酶进行了简介,并综述了壳聚糖酶的获取、分离纯化、固定 群、调节植物生长、抑制肿瘤等作用,在食品、农业和医药等领域都有广阔的应用前景,而壳聚糖酶是酶法制备壳寡糖的专 一化以及应用等研究概况。 关键词:壳寡糖 壳聚糖 壳聚糖酶 应用 Development and Application in Study on Chitosanase LiLong--fei SuMin ShiXiao・-lei WangYa・-na WangMin・-min He Jin--xing (College of Food and Biological Engineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China) Abstract:In recent years,chitooligosaccharides,degradation product of chitosan,have got much more attention from people because of its special functional properties.Chitooligosaccharides shows extensive potential application prospect in food,agriculture and medical field due to its effect of improving the itesntinal flora, regulating plant growth and tumor inhibition,et a1.Chitosanases are specific enzyme for hydrolyzing chitosan ito chintooligosaccharides.In this paper,chitosanases is speciifcally introduced,and its acquisition,puriifcation, immobilization nd aapplications re areviewed. Key WOrds:chitooligosaccharides;chitosan;chitosanase;application 壳聚糖(chitosan)最早发现于1 92纪,是由 (虾、蟹等)的骨骼为主要原料,经过脱乙酰 自然界中广泛存在的甲壳素经过脱乙酰作用得到 基、脱钙、脱蛋白等处理得到壳聚糖,再进一步 4】。制备壳寡糖的方法主要有化 的,这种天然高分子具有良好的安全性、生物相 水解得到壳寡糖『容性、血液相容性和微生物降解性,大量研究表 学降解法、物理降解法和酶降解法等。化学降解 法产生的衍生物较多,低聚糖得率低且环境污染 化;酶法因条件温和、选择性高,对环境污染 小,产物安全性好,受到了越来越多的重视与关 明壳聚糖在食品、化工、医药及农业等领域都 题,严重阻碍了其资源的有效利用与高值化f2】。 壳寡糖又名壳聚寡糖或几丁寡糖,作为壳聚糖 有广泛的应用前景【l】。但由于壳聚糖的溶解性问 严重;物理降解法生产成本较高,难以实现工业 的下一级产物,具有壳聚糖无法比拟的特性,它 具有较高的溶解度和较低的分子量,更容易被生 物体吸收,近年来的研究发现,低分子量壳寡糖 (如五糖、六糖)还具有抗肿瘤、抗菌、免疫激 活及保湿吸湿等特性【3】。 注[51。如今,酶法水解壳聚糖制备壳寡糖已成为 甲壳素领域的一个研究热点。 1壳聚糖酶的简介 1.1壳聚糖酶的来源 目前壳寡糖的制备大多数是以甲壳动物 壳聚糖酶(chitosanase)是一种能分解壳聚糖的 Shandong Food Fermentation——33—— 山东食品发酵 2013.4(总第171期) 专一性酶,它是由Monaghan于1973年在研究细 酸溶去钙质,再用氢氧化钠溶液浸泡,煮沸除去 菌和真菌过程中首先提出来的,并于l992年在 虾、蟹壳中的蛋白质;然后生产壳聚糖:用40% 国际酶学命名会议上被系统命名。壳聚糖酶不 聚糖,生成壳寡糖[6】。壳聚糖酶在细菌、真菌和 生物产壳聚糖酶的活性较低,分离和提纯技术 的氢氧化钠溶液对甲壳素进行脱乙酰基处理,生 酸,但难溶于水;最后酶解制取壳寡糖:将脱乙 制取壳寡糖。 同于几丁质酶,它能够降解完全脱乙酰化的壳 产出的壳聚糖,由于分子量较高,虽能溶于稀 病毒等类群的微生物中均有存在,但大多数微 酰基的壳聚糖在合适的条件下用壳聚糖酶降解, 比较复杂,使生产成本相对较高,从而影响壳 寡糖的酶法生产【7】。 2壳聚糖酶的研究进展 1.2壳聚糖酶的理化JI生质 微生物产壳聚糖酶的分子质量一般为 2.1壳聚糖酶的获取 近几十年来,科学家已从微生物中开发出了 l0~50ku,同时也存在少数分子量较高的壳聚 糖酶,如曲霉Aspergillussp CJ一22.326所产的两 1 09ku【8】;另一种由Trichoderma reesei PC一3.7产生 许多种壳聚糖酶,但这些酶的生产成本普遍比较 昂贵,且难以实现商业化应用。大多数微生物来 物赝导物系统控制,其中多以壳聚糖为诱导物, 降解产物为阻遏物[3】。天然菌株产壳聚糖酶的能 力一般较低,因此现在大多使用诱变育种以获取 较为理想的产壳聚糖酶菌株。 孙金凤[1 等利用以壳聚糖为唯一碳源的选择 种壳聚糖酶,其中外切酶的相对分子质量高达 源的壳聚糖酶属于诱导酶,基因表达大多受阻遏 的外切壳聚糖酶的相对分子质量也有93ku[9]。壳 聚糖酶大部分为碱性蛋白,等电点(pI)变化范围 比较大,多在4.0~10.12.间。大多数微生物产的 壳聚糖酶具有较好的热稳定性,其最适反应温度 一般为30 ̄70℃, ̄1]Thermococcu skodakaraensis 性培养基从自然界中筛选出一株初始酶活为0.59 KOD1所产壳聚糖酶的耐热性很强,其最适反应 温度高达80 ̄C【l…。 U/mL的产壳聚糖酶菌株。该菌株经硫酸二乙酯 (DES)诱变处理50 min后,筛选得到壳聚糖酶活 明显提高的突变株DES一4,其壳聚糖酶活为1.60 1-3壳聚糖酶的分类 壳聚糖最适合的水解酶是壳聚糖酶,根据壳 聚糖酶的作用模型可分为内切型和外切型两种。 内切型壳聚糖酶可随机切断壳聚糖链,释放小分 U/mL,是出发菌株的2.7倍。进一步研究显示, 突变株DES一4遗传稳定性良好,其壳聚糖酶的产 生与芽孢形成之间关系密切,当芽孢充分形成 后发酵液的壳聚糖酶活力不再增大。王艳[I 等曾 以假单胞菌Y8.0为出发菌株,分别通过亚硝基胍 (NTG)、Co60、UV诱变,结果表明,UV诱变 子量低聚糖,其中以二聚体和三聚体为主;外切 型则从壳聚糖的非还原末端逐个切下单糖残基, 产生单糖残基.氨基葡萄糖[1”。至今发现的壳聚糖 酶一般多为内切型,从食品工业生产应用的角度 效果最好,所获得的突变株Y8.0,其酶活力达到 来说,内切型壳聚糖酶所产生的功能性低聚糖也 3.0 U/mL,比原来提高了近6倍,并具有较好的 正是人们所需要的。 1.4酶法制备壳寡糖的生产工艺 酶法制备壳寡糖常见的生产工艺流程如下: 基一酶解一精制一产品 遗传稳定性。研究还通过对假单胞菌Y8.0培养条 件进行优化,发现了不同金属离子对壳聚糖酶的 合成有不同影响,如Fe2+,Mg 对酶的合成有激 静等¨ 利用紫外线诱变不同稀释度的黑曲霉菌液 后,筛选得到一株酶活力较强的菌株A ,其酶活 行Sephadex G一200凝胶柱层析纯化及主要产酶条 虾、蟹壳一洗净一脱钙一脱蛋白质一脱乙酰 活作用,而Zn抖,Mn 则有一定的抑制作用。王 具体生产过程大致可分为三个阶段。首先制 外,还含有钙和蛋白质等成分,所以先要用稀盐 ——备甲壳素:由于虾、蟹壳中除了含有甲壳素成分 为3.14 U/mL,是出发菌株的1.42倍。通过对其进 34——Shandong Food Fermentation 2013.4(总第1 71期) 山东食品发酵 件优化,发现菌株A1不仅酶活较高,而且具有良 好的遗传稳定性。 用SDS—PAGE检测,纯化后的壳聚糖酶显示为 一条带,壳聚糖酶纯化倍数为28.9,回收率为 Wee等 对产胞外壳聚糖酶的枯草芽孢杆菌 Tu等[1 5]对实验室分离的产壳聚糖酶烟曲霉 菌进行紫外诱变处理,得到具有高活性的CX0 1— 7,CX01.8,CX0l一18与CXO1—22四个诱变株, 47.6%。 RKY3进行分离纯化,纯化过程分为两步,依次 其酶活分别为0.9557 U/mL,0.8624 U/mL, 0.8628 U/mL和0.8901 U/mL,相比出发菌株分 采用硫酸铵沉淀法和离子交换色谱法,纯化后的 壳聚糖酶经SDS—PAGE检测显示为一条带,分子 量约为24KDa,该酶对水解可溶性壳聚糖和乙二 醇壳聚糖表现出高度的活性,具有很强的工业应 别提高了5O.25%,36.30%,35.65%和9.95%。 经五次连续传代后,产酶活性依然稳定。su等 为了获取壳聚糖酶产率更高的工业菌株,采 用~种新型诱变方式一氮离子束对野生芽孢杆 菌¥65进行诱变,其中氮离子束能量为1 5KeV, 剂量范围从2.6 X 10H到5.2 X 10 离子/cm 。所获 得的高产壳聚糖酶突变菌株¥65F5被分离,经测 用价值。 2_3壳聚糖酶的固定化 对于壳聚糖酶的研究应用来说,固定化是一 个重要的研究方向。固定化技术可以弥补游离壳 聚糖酶的一些不足,如提高酶的热稳定性、增加 酶的使用批次、产物易于分离、便于实现连续操 作,降低生产成本等。郑连英等 叫以DEAE纤维 试,¥65F5的壳聚糖酶活由原来的4.1 U/mL显著 增长 ̄i]25 U/mL,与此同时发酵时间也由原来的 低了工业生产成本。 2.2壳聚糖酶的分离纯化 72 h缩短 ̄i]56 h,从而极大提高了生产效率,降 素为载体,戊二醛为交联剂,对固定壳聚糖酶进 行研究。将0.1 g精制的载体与5 mL 5%戊二醛交 联后加入30 mg壳聚糖酶固定化,然后分别测定 固定化前溶液的总酶活、固定化后溶液的总酶活 以及固定化酶的总酶活,再将固定化酶在4℃下 至今已发现的酶有上千种,但尚无有效的 手段对其实现快速分离纯化,这也使得酶制剂成 本较高,应用受到限制。酶是生物活性物质, 活损失,壳聚糖酶一般采用常规的蛋白质分离 提纯方法进行纯化,如分级盐析、凝胶过滤层 储存一周查看其储存稳定性。结果表明DEAE纤 好(一周后酶活还高达原来的93%)。其它几种载 体不仅酶活低而且储存稳定性差,故选用DEAE 纯化时必须考虑环境因素对它的影响,减少酶 维素固定化壳聚糖酶的酶活最高,储存稳定性最  析、离子交换层析、等点聚焦等。我国在壳聚糖 纤维素为壳聚糖酶的固定化载体。酶分离纯化方面已经做了许多研究,如任京等[1 Sinha等[2u采用静电纺丝技术制备聚丙烯腈 通过硫酸铵分级盐析、Sephadex G一25凝胶过滤 纳米纤维薄膜(PANNFM),该膜表面通过脒化 层析、DEAE Cellulose 52离子交换层析,对曲霉 反应进行改性,一种来源于曲霉的新型壳聚糖降 TCCC450 1 7产的壳聚糖酶进行分离纯化与性质研 解酶被共价固定在PANNFM上,经活化的薄膜对 究,纯化后的壳聚糖酶经十二烷基硫酸钠一聚丙 烯酰胺凝胶电泳(SDS.PAGE)检测显示为一条 壳聚糖酶的固定化效率可达到80%以上。在合适 的条件下,被固定化的酶经十批次重复反应,酶 带,表明处理后的酶纯化程度极高,经计算该方 法的纯化倍数为57.21,回收率为26.55%,比活 力提高至587.55 U/mg。 活仍能保留70%以上。用固定化的壳聚糖酶对不 同基质的壳聚糖进行水解,通过改变温度可使经 PANNFM固定化的壳聚糖酶产出不同类型的壳寡 韩宝芹等n踟以已有的产壳聚糖酶YJ02为出发 菌株,制备壳聚糖酶发酵液,经离心、(NH ) SO 分级盐析、Q—Sephamse Fast Flow阴离子交换、 SephacryS 1 00凝胶过滤等分离纯化步骤,采 糖(二聚体到六聚体)。 3壳聚糖酶的应用 壳聚糖酶具有多种生理功能,其中最大的 Shandong Food Fermentation——35—— 山东食品发酵E 加作物的抗病性。 4展望 201 3.4(总第1 71期) 当属用它降解壳聚糖以获得拥有独特生理功能的 壳寡糖。壳寡糖作为二十一世纪的绿色功能性健 康品,是世界上现存的唯一带正电荷的动物纤维 素,极具开发价值口 。世界壳聚糖产品的工业化 生产始于上世纪50年代,20世纪90年代初,世界 目前来看,壳聚糖原料来源广泛,其降解 产物壳寡糖有着极其广阔的应用前景。采用特异 性的壳聚糖酶进行酶法降解壳聚糖制备壳寡糖, 降低传统化学合成工艺给环境带来的污染。原始 糖酶的价格始终居高不下,另外商品壳聚糖酶在 热稳定性等方面还不足以满足大规模工业化生产 壳聚糖年产量接近1O00t,与此同时壳聚糖在日 品。到了1995年,美国食品药物管理局和欧洲共 起步较晚,但发展迅速,而且现阶段不只停留在 本成为唯一被政府允许可以宣传疗效的机能性食 不仅有高效、产物质量好等特点,同时可以大大 同体也批准了壳聚糖的生产。相比之下我国虽然 菌株产壳聚糖酶的能力普遍偏低,导致商品壳聚 对壳聚糖的生产,研究开发也已延伸至壳寡糖。 在食品方面,壳寡糖具有良好的溶解性,且 无毒、无味,可作为食品防腐剂广泛应用于食品 糖还可促进钙及矿物质的吸收,增殖双歧杆菌、 良的功能性保健食品[2 。在药品方面,壳寡糖具 的要求,因此为了向食品、医药工业提供更为廉 价、高效的壳聚糖酶,许多国家都开展了相应的 国外对壳聚糖酶的研究相对较早,如今已深 晶体结构与催化作用机理,意在揭示壳聚糖酶的 结构与其功能之间的关系,同时通过基因工程技 内对壳聚糖酶的研究也日益增多,但主要是从自 然界中筛选产酶活性较高的微生物菌种口 七引,进 行诱变选育,优化发酵工艺与酶解条件,以期获 得产酶量较大的菌种和活性较高的壳聚糖酶,而 在酶的氨基酸序列测定、重组壳聚糖酶基因的异 包装,延长货架期,保持食品原有的风味,壳寡 研究。 乳酸菌等人体有益菌群,增强蛋白质吸收,是优 入到分子水平,侧重于研究不同来源壳聚糖酶的 有提高人体免疫,抑制癌细胞生长,促进肝脾抗 以及预防成人疾病等功能,因此壳寡糖在医药领 域也有广泛用途『2们。在农业方面,壳寡糖在植物 生长、分化及抗逆等方面具有信息传达活性,可 调节植物生长,增强植物对病虫害的抗性,由于 体形成,降血脂、降血压、降血糖、调节胆固醇 术,对现有的产壳聚糖酶菌株进行定向改造;国 化学农药的大量使用会给环境造成严重污染,因 此采用天然生物活性物质抑菌是减轻农业污染的 有效途径[2 ;在化妆品方面,由于壳寡糖具有保 湿吸湿,且纯天然、无毒性的特点,如今已被越 来越多的应用于高档化妆品中。 此外,壳聚糖酶在农业方面也有应用价值。 源表达等方面研究则相对较少。因此,我国应一 方面根据传统思路,继续寻找不同微生物来源且 具有工业化应用潜力的新型壳聚糖酶;另一方面 要紧跟国际前沿脚步,深入分子水平研究壳聚糖 酶的结构与功能之间的关系,对酶分子进行定向 研究发现,壳聚糖酶是一种抗病毒相关蛋白,可 以提高植物的抗病能力,同时利用壳聚糖酶可以 修饰,从本质上提高壳聚糖酶的活性与稳定性。 相信在不久的将来,随着研究的深入,人们对壳 聚糖酶的作用方式与特点会了解得更加透彻,从 降解一些真菌细胞壁,用于鉴定细胞壁的精细结 构,从而更有效地防治病原菌,提高农作物产 量,因此壳聚糖酶可以作为农业应用中的生物控 制剂【3】。壳聚糖酶广泛存在于单子叶和双子叶植 物的不同组织中,近期研究表明,植物产生的壳 聚糖酶与其抵抗病原性真菌有密切联系,故现在 有人试图通过基因工程技术,将编码壳聚糖酶的 而为生产带来更大的经济效益,并最终使广大人 民受益。 参考文献 f1]高维,丁文平.低分子量壳聚糖的制备及其应用研究[J】. 武汉工业学院学报,2007,26(3):28—31. [2】邹耀邦,王璐,刘孝波.生物质材料:甲壳素/壳聚糖的溶 解性与应用研究进展U].材料导报,2003,17(5):51—55. 基因克隆到优良作物中,从而改良作物品质、增 36——Shandong Food Fermentation 2013.4(总第1 71期) 山东食品发酵 【3】单晓雪,郑人源,张涛,等.壳聚糖酶的研究进展[11.成都 医学院学报,2007,2(3):192—198. Chitosanase,a novel enzyme[J].Nature New Biol,1973, 245(142):78—80. 【4]刘幸海,李正名,王宝雷壳寡糖的制备工艺最新研究进 展U].天津4 ̄_r-,2006,20(1):1—6. [5]叶淑红,孙浩,陈丽,等.产壳聚糖酶菌株的筛选及壳寡糖 性质的研究U].食品研究与开发,2007,28(1):23—27. 【6】Monaghan R L,Eveleigh D E,Tewari F P,et a1. [7】任京,赵华,王虹,等.壳聚糖酶的分离纯化及其特性研 究U].天津科技大学学报,2010,25(6):10—13. [8]Chen X,Xia w,Yu X.Puriifcation and characterization of two types of chitosanase from Aspergillus sp.CJ22— 326[J1.Food research international,2005,38(3):315—322. 砷污粢饮用水危害堪比吸烟几十年 包括美国在内,许多国家的地下水中含有高 水平的天然砷。 一关的化学物质为数不多,但砷是其中之一,而且 可能跟肺癌有关。 在这项新研究中,来自美国和孟加拉国的 项新研究发现,如果饮用水中砷含量达到 不安全的水平,就会伤害肺部,相当于吸烟几十 年的危害。 公共健康研究人员为20000名参与研究的志愿者 采集了饮用水的样品,志愿者居住的孟加拉国地 砷是一种著名的毒素,在岩石、水和土壤中 都存在。在某些地区,工业生产活动会使砷的水 平升高。为了研究砷对肺部的影响,研究人员审 查了饮用水砷含量高于美国环保局准许含量两倍 区,水井中砷含量有所不同。研究人员还提取了 志愿者们的尿样,以确定人体中的砷含量,并测 试了志愿者的肺活量。研究人员发现,志愿者体 内的砷含量越高,他们的肺活量就越小。芝加哥 的研究表明,志愿者的肺活量下降水平堪比长期 吸烟所带来的肺活量下降。 在20世纪70年代,人道主义组织首先在孟加 拉国挖了深水井,因为当时每年有成千上万的孟 加拉儿童死于霍乱之类的水传疾病。援助组织寻 找更加“干净”的水源,避开了比较接近地表的 时所发生的情况,这么高水平的砷含量存在于孟 大学的几位研究人员是该研究小组的成员,他们 加拉国的饮用水中。 然而,孟加拉国并不是唯一饮用水砷含量过高 的国度。在阿根廷、智利、中国、印度、墨西哥和美 国,这些国家部分地区的天然砷含量也很高。 2000年,一项研究发现,在数以千万计的美国 人饮用的自来水中,砷含量达不到安全水平。此后, 达到安全标准。但是调查发现,在私人水井和公共 美国环保局_直声明:所有美国人的饮用水都必须 水源。在20世纪90年代,研究人员发现那些深水 井中含有高水平的砷,但是人们仍然在饮用其中 的水。 水井中仍然存在问题。就在去年,又有美国著名媒 体调查发现,在许多美国食品中,特别是在大米产 壤和用以浇灌的水而进入作物之中。 医生们已经了解到,如果饮用水中的砷含量 美国环保局确认了几种有效的方法,可以去除 拉国的水井中。在世界卫生组织的一份声明中,美 国流行病学专家阿伦・史密斯将孟加拉国的情况称 品中,含有高水平的砷。砷可以通过赖以生长的土 饮用水中的砷,但是这些方法显然没有运用到孟加 达到危险的水平,人们饮用后罹患全身性疾病的 风险就会更高,对神经系统、肠胃系统、肾脏、 为“历史上最大规模的群体中毒事件”。 日前,研究小组已将这项有关肺活量的研究 上。 (科技日报) 肝脏和免疫系统造成破坏,增加糖尿病和心脏病 成果发表在了《美国呼吸与急救护理医学杂志》 的患病风险。存在于水中而且已经确定跟癌症有 Shandong Food Fermentation——37 

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