一株α－淀粉酶抑制剂生产菌及α－淀粉酶抑制剂的制备方法与应用

摘要

一株α－淀粉酶抑制剂生产菌及α－淀粉酶抑制剂的制备方法与应用。该α－淀粉酶抑制剂生产菌保藏号为CGMCC No.2097。该菌经发酵，使其发酵液中积累一定量的α－淀粉酶抑制剂；用一级膜分离系统，去除菌丝体，培养基中的可溶性蛋白和大分子，以及部分色素，得到澄清滤液；再用二级膜分离系统，进一步浓缩，并脱盐脱色，除去部分单糖，大量无机盐等小分子杂质，得到澄清浓缩液；经树脂吸附α－淀粉酶抑制剂后洗脱，用纳滤膜浓缩α－淀粉酶抑制剂溶液，减压干燥等处理后得到α－淀粉酶抑制剂混合物精制品。该α－淀粉酶抑制剂能强烈抑制哺乳动物来源的α－淀粉酶，对餐后高血糖的形成有明显改善作用，可用于制备治疗糖尿病、肥胖症的药物或功能性食品。

说明书

【技术领域】本发明涉及的是一株新的α-淀粉酶抑制剂生产菌株，及其用于产生α-淀粉酶抑制剂的制备方法，以及该α-淀粉酶抑制剂在治疗糖尿病等疾病方面的应用。

【背景技术】糖尿病是由胰岛素分泌不足和/或胰岛素作用受损引起的一组以高血糖为特征的代谢性疾病。其表现为血液及尿液中葡萄糖浓度异常升高，血糖、尿糖过高时可出现典型的“三多一少”症状，即多饮、多尿、多食及体重减轻，且伴有疲乏无力。糖尿病一般分为1型糖尿病、2型糖尿病和妊娠糖尿病等几种类型。2型糖尿病不仅可以引起微血管并发症，如周围神经病变、眼部病变、糖尿病肾病等，而且也可以引起严重的大血管并发症，如心肌梗死、中风、下肢血管阻塞性病变等。这些并发症危害极大，降低了人们的生活质量，给人们带来了沉重的经济负担。因此治疗糖尿病、控制糖尿病并发症的发生和发展已显得越来越重要。

流行病学的研究表明，空腹血糖水平与餐后血糖水平这两大血糖指标中，餐后血糖水平尤为重要，它是葡萄糖耐受受损(IGT)的病人发展为2型糖尿病的重要因素。而且，餐后血糖水平是引起糖尿病人大血管并发症和微血管并发症的重要因素，这些并发症是引起糖尿病死亡率增大的一个主要原因。所以，严格控制餐后血糖对糖尿病的防治具有非常重要的意义，而能够显著降低餐后血糖水平的抗糖尿病药物具有很大的应用价值。

食物中的碳水化合物绝大部分是淀粉。与膳食一起进食后，α-淀粉酶抑制剂可与淀粉竞争而与唾液和胰液中的α-淀粉酶结合，占据酶上淀粉结合位点，使淀粉的消化受阻。未被消化的碳水化合物被运送至小肠中下段及结肠，从而碳水化合物的消化吸收发生在整段小肠中，延缓和延长了餐后单糖(葡萄糖)的吸收，餐后血糖的增高被显著降低。

【发明内容】本发明的目的是提供一株新的α-淀粉酶抑制剂生产菌株，并利用其进行发酵生产α-淀粉酶抑制剂，以及将该α-淀粉酶抑制剂应用于治疗糖尿病，肥胖症等疾病。

本发明提供的一株新的α-淀粉酶抑制剂生产菌株，即天蓝黄链霉菌南开变种ZG0656(Streptomyces coelicoflavus var.nankaiensis ZG0656)，已于2007年6月27日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”(北京市海淀区中关村北一条13号，中国科学院微生物研究所)，其保藏号为CGMCC No.2097。

1)菌株来源：该α-淀粉酶抑制剂产生菌于2005年从采自天津市南开大学校园的土样中分离得到，菌株编号ZG0656。

2)形态特征：菌株ZG0656在高氏1号培养基上基内菌丝发达，培养初期(1周)在以黄色为本底的基础上，呈现红色和/或蓝色斑点，后期(2周)可产生明显蓝黑色，若混合原来的红色，即呈深紫色。不产生可溶性色素。气生菌丝发达，呈灰白色至粉灰色。10000倍电镜下观察，气生菌丝较直，呈分枝状，菌丝体表面光滑，有直径明显小于菌丝的具分枝结构的树枝状突起，菌丝体缠绕聚集膨大可形成质地致密、大小不一的球形或不规则形状的菌核样特化结构，内无孢子(这种结构在链霉菌属中比较罕见)；形成孢子丝，呈螺旋形，菌丝断裂形成孢子，孢子圆柱形，表面光滑(图1)。

3)培养特征：在不同组分固体培养基上，菌株ZG0656均生长旺盛。气生菌丝发达，颜色变化不明显，初期为白色或灰白色，后期均为粉灰色。基内菌丝发达，颜色变化较大，在以黄色为本底的基础上，初期可呈现各种红色和/或蓝色斑点，后期可产生明显蓝色，若混合原来的红色，即呈深紫色。在久置的(超过8周)高氏培养基上，基内菌丝偶见墨绿色。在各种固体培养基中均无可溶性色素产生(表1)。在以葡萄糖为碳源的液体培养基中可产生桔色水溶性色素。在以燕麦片为碳源的液体培养基中偶见西瓜红色色素，该色素在0.01M的HCl中为粉色，在0.01M的NaOH溶液中为黄色，中性时为红色，具有指示剂性质；且该色素溶于乙酸乙酯和乙醇，初始呈黄色，久置呈红色。

表1菌株ZG0656在不同培养基上的培养特征

培养基基内菌丝气生菌丝可溶色素1周2周1周2周高氏合成1号马铃薯浸汁ISP4查氏葡萄糖天冬素燕麦片酪氨酸黄，略红/略蓝玫瑰红，黄亮黄黄黄黄，粉红斑，深蓝斑肉桔色蓝黑/深紫玫瑰红，黄，有蓝色斑点亮黄，有蓝色斑点黄黄蓝绿/蓝紫肉桔色灰白白灰白白白灰白灰白粉灰粉灰粉灰粉灰粉灰粉灰粉灰  无  无  无  无  无  无  无

4)生理生化特性与碳源利用能力：菌株ZG0656的生理生化特性与碳源利用情况如表2所示。

表2菌株ZG0656的生理生化反应与碳源利用情况

测试结果测试结果测试结果测试结果淀粉水解明胶液化牛奶胨化牛奶凝固++++黑色素产生硫化氢产生纤维素水解葡萄糖---+果糖木糖鼠李糖山梨醇++++蔗糖半乳糖肌醇甘露醇++++

5)细胞壁化学组成：菌株ZG0656的纯细胞壁含LL-二氨基庚二酸，属胞壁I型；全细胞糖水解产物不含任何特征性糖。

6)16SrDNA全序列的相似性比较：菌株ZG0656的16SrDNA核酸序列全长为1480bp，见序列表。将所测序列与GenBank数据库中的相关种进行比较，发现其与天蓝黄链霉菌(Streptomyces coelicoflavus)标准株具有99.93％的相似性，即仅一个核苷酸不同。

根据以上形态特征、培养特征、生理生化特征、细胞壁化学组成特征和16SrDNA全序列的相似性比较分析，可将菌株ZG0656定种为天蓝黄链霉菌。但因其与天蓝黄链霉菌标准株在形态和生理生化特性上有一定差异，如形成菌核样特化结构、较强的代谢能力以及缺乏抗菌能力等，故将其定名为天蓝黄链霉菌南开变种(Streptomyces coelicoflavus var.nankaiensis)。

一种用上述生产菌株制备α-淀粉酶抑制剂的方法，该方法包括：

第一、发酵：常规法，培养权利要求1所述的能产生α-淀粉酶抑制剂的生产菌株，使其发酵液中积累一定量的α-淀粉酶抑制剂；

本发明生产菌株ZG0656可以利用多种简单或复杂碳源，如葡萄糖、麦芽糖、糊精、淀粉、燕麦片等；多种无机或有机氮源，如硝酸盐、铵盐、尿素、黄豆饼粉、玉米浆、蛋白胨、鱼骨粉、酵母粉等；同时加入磷酸盐、氯化钠、硫酸镁、硫酸亚铁等无机盐，调整pH为7.5后制成液体培养基进行发酵。培养基121℃灭菌20分钟后冷却，按4～10％接种量接入预先培养好的ZG0656菌丝，于25～32℃(最好是28～30℃)通气搅拌发酵44～56小时，发酵液中能够积累一定量的α-淀粉酶抑制剂。

第二、一级膜分离：采用截留分子量为10000～150000的膜系统，优选为10000～50000的各种超滤膜系统；直接用一级膜分离系统，去除菌丝体，培养基中的可溶性蛋白和大分子，以及部分色素，得到澄清滤液。

第三、二级膜分离：通过一级膜分离系统得到的澄清滤液，再通过二级膜分离，采用截留分子量为5～500的膜系统，最好是截留分子量为150～300的各种超滤膜系统。进一步浓缩，并脱盐脱色，除去部分单糖，大量无机盐等小分子杂质，得到澄清浓缩液；浓缩液电导值应为2000us/cm以下，最好在1000us/cm以下。

第四、树脂吸附与洗脱：通过二级膜分离系统得到的澄清浓缩液，以树脂吸附α-淀粉酶抑制剂，并进行洗脱；树脂可用大孔吸附树脂或阳离子交换吸附树脂，并可以是二者的组合，最好是大孔吸附树脂和阳离子交换吸附树脂二者的组合。

大孔吸附树脂可选择各类吸附非极性物质的系列树脂，最好是X-5型或HP-20型大孔吸附树脂；洗脱时采用体积分数为20～90％的乙醇或丙酮水溶液，最好是40～50％的乙醇水溶液。阳离子交换吸附树脂可选择各类强酸性阳离子交换吸附树脂，最好是001×7型或001×4型强酸性阳离子交换吸附树脂；洗脱时采用0.5～2.5M的氨水溶液，最好是1M的氨水溶液。

第五、浓缩与干燥：从树脂洗脱的α-淀粉酶抑制剂溶液，用纳滤膜浓缩，经冷冻干燥或喷雾干燥等处理后得到α-淀粉酶抑制剂精制品AIB656。纳滤膜是截留分子量为5～500的膜系统。

α-淀粉酶抑制剂AIB656的物理、化学与生物学性质

α-淀粉酶抑制剂AIB656为白色无定形粉末，易溶于水和DMSO，微溶于甲醇、乙醇和丙酮，不溶于其它有机溶剂。

α-淀粉酶抑制剂AIB656的化学本质：与苯酚-硫酸试剂显色，不与茚三酮试剂显色，红外光谱吸收集中在3348.28cm^-1和1039.85cm^-1(图2)，元素分析：C44.73％，H7.33％，O45.21％，N2.66％。以上实验结果说明AIB656为含氮的拟低聚糖类物质。

α-淀粉酶抑制剂AIB656强烈抑制哺乳动物来源的α-淀粉酶，包括人唾液和血液(源于胰脏)α-淀粉酶，猪胰α-淀粉酶等，抑制能力明显强于市售α-淀粉酶抑制剂阿卡波糖。

α-淀粉酶抑制剂AIB656可以降低正常小鼠的餐后血糖水平，对餐后高血糖的形成有明显改善作用，效果和阿卡波糖相当，可以用于糖尿病与肥胖症的预防和治疗。

α-淀粉酶抑制剂AIB656对枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，大肠杆菌(Escherichiacoli)，铜绿色假单胞菌(Psedomonas aeruginosa)，白假丝酵母(Candida albicans)，黄青霉(Penicillium chrysogenum)等微生物均无抗菌活性。

一种α-淀粉酶抑制剂的应用，该α-淀粉酶抑制剂用于制备治疗糖尿病、肥胖症的药物或功能性食品。

本发明的有益效果：本发明应用了一株新的α-淀粉酶抑制剂生产菌进行发酵生产α-淀粉酶抑制剂；采用膜分离系统和树脂吸附洗脱等工艺，从发酵液中分离得到α-淀粉酶抑制剂混合物；该α-淀粉酶抑制剂能强烈抑制哺乳动物来源的α-淀粉酶，其抑制能力明显强于市售α-淀粉酶抑制剂阿卡波糖；体内实验，该α-淀粉酶抑制剂对餐后高血糖的形成有明显改善作用，效果与阿卡波糖相当，可用于制备治疗糖尿病、肥胖症的药物或功能性食品。

【附图说明】

图1是本发明生产菌株ZG0656的扫描电子显微镜照片；(A)孢子丝；(B)菌核样特化结构。

图2是α-淀粉酶抑制剂AIB656的红外光谱。

图3是α-淀粉酶抑制剂AIB656和阿卡波糖对α-淀粉酶的剂量依赖抑制曲线。

【具体实施方式】

实施例1

天蓝黄链霉菌南开变种ZG0656所产α-淀粉酶抑制剂的制备方法

以500mL三角瓶培养发酵种子，每瓶装液体培养基100mL，其中含：燕麦片2％，硝酸钾0.1％，氯化钠0.05％，磷酸氢二钾0.05％，硫酸镁0.05％，硫酸亚铁0.001％。以NaOH调pH至7.2～7.5，121℃高压蒸汽灭菌20分钟，冷却后接种菌株ZG0656斜面孢子，于空气浴摇床200rpm28℃培养48小时后作为发酵种子。在10L不锈钢机械搅拌全自动型发酵罐中投入7.5L相同组分的培养基，121℃高压蒸汽灭菌30分钟后冷却，以5％接种量接入种子，开始发酵，搅拌转速200rpm，通气量3L/min，温度28℃，共发酵50小时。收集发酵液(约5L)，并用于α-淀粉酶抑制剂的分离提取。

将以上所得含α-淀粉酶抑制剂的发酵液通过截留分子量为20000的有机平板超滤膜过滤，平均膜通量可达52LMH，加水量为原料液量的2.5倍，最终浓缩倍数约为3倍。通过大分子量超滤系统过滤，去除了菌丝体，大部分可溶性蛋白，培养基和部分色素，得到澄清滤液。

再经纳滤膜进一步浓缩，并脱盐脱色，系统选用截留分子量为300的卷式纳滤膜，平均膜通量为28LMH，加水量为原超滤液的0.8倍，最终浓缩倍数约为8倍，最终浓缩液电导在1000us/cm以下。通过纳滤膜脱盐脱色，除去部分单糖，大量无机盐等小分子杂质，得到澄清浓缩液。

浓缩液直接过装填有X-5型非极性大孔吸附树脂的玻璃色谱柱(2.5×30cm)吸附α-淀粉酶抑制剂。以大量蒸馏水冲洗后，用40％乙醇溶液洗脱，收集具有α-淀粉酶抑制反应的阳性洗脱部分。取上述洗脱液过装填有001×7型强阳离子交换吸附树脂的玻璃色谱柱(2.0×25cm)吸附α-淀粉酶抑制剂，经去离子水充分冲洗后，用1M氨水溶液洗脱，收集α-淀粉酶抑制反应阳性部分，纳滤膜浓缩，截留分子量为200，冷冻干燥后得到α-淀粉酶抑制剂AIB656，白色粉末1.3g。

实施例2

天蓝黄链霉菌南开变种ZG0656所产α-淀粉酶抑制剂的制备方法(二)

以500mL三角瓶为容器进行发酵，每瓶装液体培养基100mL，其中含：可溶性淀粉2％，硝酸钾0.1％，氯化钠0.05％，磷酸氢二钾0.05％，硫酸镁0.05％，硫酸亚铁0.001％。以NaOH调pH至7.2～7.5，121℃高压蒸汽灭菌20分钟，冷却后接种菌株ZG0656斜面孢子，于空气浴摇床160rpm28℃培养120小时后，合并15个三角瓶的发酵液(约1.2L)，用于α-淀粉酶抑制剂的分离提取。

将以上所得含α-淀粉酶抑制剂的发酵液通过截留分子量为30000的有机平板超滤膜过滤，平均膜通量可达55LMH，加水量为原料液量的2倍，最终浓缩倍数约为2.5倍。通过大分子量超滤系统过滤，去除了菌丝体，大部分可溶性蛋白，培养基和部分色素，得到澄清滤液。

再经纳滤膜进一步浓缩，并脱盐脱色，系统选用截留分子量为200的卷式纳滤膜，平均膜通量为24LMH，加水量为原超滤液的1倍，最终浓缩倍数约为7倍，最终浓缩液电导在1000us/cm以下。通过纳滤膜脱盐脱色，除去部分单糖，大量无机盐等小分子杂质，得到澄清浓缩液。

浓缩液直接过装填有HP-20型非极性大孔吸附树脂的玻璃色谱柱(1.7×22cm)吸附α-淀粉酶抑制剂。以大量蒸馏水冲洗后，用50％丙酮溶液洗脱，收集具有α-淀粉酶抑制反应的阳性洗脱部分。取上述洗脱液过装填有001×4型强阳离子交换吸附树脂的玻璃色谱柱(1.7×22cm)吸附α-淀粉酶抑制剂，经去离子水充分冲洗后，用1.5M氨水溶液洗脱，收集α-淀粉酶抑制反应阳性部分，纳滤膜浓缩，截留分子量为150，冷冻干燥后得到α-淀粉酶抑制剂AIB656，白色粉末0.31g。

实施例3：α-淀粉酶抑制剂对α-淀粉酶的抑制效果

以500μL1％可溶性淀粉为底物，加入100μL系列稀释的α-淀粉酶抑制剂溶液，37℃预孵10分钟后，加入50μL 5U/mL猪胰α-淀粉酶(Sigma公司产品)启动反应。30分钟后取样50μL，加50μL 3M NaOH中止反应后，加75μL 1％3，5-二硝基水杨酸后沸水浴5分钟显色。适当稀释后于490nm测定光吸收值，将含抑制剂体系和对照体系光吸收值相比，得到α-淀粉酶的相对活力。以抑制剂浓度为横坐标，α-淀粉酶的相对活力为纵坐标作图，得到剂量依赖的抑制曲线(图3)。可见，AIB656对α-淀粉酶活力的抑制明显强于同剂量的阿卡波糖。

实施例4：α-淀粉酶抑制剂用于制备治疗糖尿病、肥胖症的药物或功能性食品

α-淀粉酶抑制剂AIB656在体内水平对餐后血糖升高的抑制作用

以阿卡波糖为正对照，生理盐水为空白对照，考察α-淀粉酶抑制剂AIB656对正常小鼠糖耐量的影响。将正常小鼠按体重随机分为正对照组(阿卡波糖组)、空白对照组(生理盐水组)和给药组，每组各9只。试验前16h禁食不禁水，分别取一定浓度的AIB656或阿卡波糖，同一定剂量的淀粉(3g/kg)对小鼠灌胃给药。分别在给药后0，30，60，90min尾静脉采血测定血浆葡萄糖水平。结果如表3所示，α-淀粉酶抑制剂AIB656可以明显降低正常小鼠的餐后血糖水平，给药30min后，给药组与空白对照组相比，血糖值有显著差异(P＜0.05)；与阿卡波糖组相比，效果相当，统计学分析无显著性差异。

表3α-淀粉酶抑制剂AIB656对正常小鼠糖耐量的影响

组别给药剂量(mg/kg)给药后不同时间血浆葡萄糖水平(mmol/L)0min30min60min90min空白对照组阿卡波糖组AIB656组-1.51.56.40±0.815.63±0.635.92±0.6113.33±0.4111.11±1.18^**12.02±1.14^*9.56±0.578.71±1.549.13±1.357.50±0.557.49±1.567.48±0.86

与空白对照组相比：^*，P＜0.05；^**，p＜0.01；(n＝9)

序列表

<110>南开大学

<120>一株α-淀粉酶抑制剂生产菌及α-淀粉酶抑制剂的制备方法与应用

<160>1

<210>1

<211>1480

<212>DNA

<213>链霉菌ZG0656菌株(Streptomyces sp.ZG0656)

<220>

<221>16Sribosomal RNA

<222>

<223>n＝a或g或c或t

<220>

<221>

<222>

<400>1

acgaacgctg gcggcgtgct taacacatgc aagtcgaacg atgaaccacc ttcgggtggg   60

gattagtggc gaacgggtga gtaacacgtg ggcaatctgc ccttcactct gggacaagcc   120

ctggaaacgg ggtctaatac cggatactga cctgccaagg catcttggcg ggtcgaaagc   180

tccggcggtg aaggatgagc ccgcggccta tcagcttgtt ggtgaggtaa tggctcacca   240

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