大孔载体“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶聚体及方法

摘要

本发明涉及一种大孔载体“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶聚体及方法；木瓜蛋白酶聚体是在孔径大于0.5μm的载体的孔道中填埋有木瓜蛋白酶。以表面具有羟基的无机或有机大孔材料为固定化酶载体，经载体表面氨基改性、酶吸附、酶沉淀、同步交联最终实现交联木瓜蛋白酶聚体的形成和与大孔载体共价连接的同步完成。制得的固载化酶载酶量高于普通载体固定化酶；采用共价固定方法避免了应用大孔载体造成的酶泄漏，载体形状可依据实际需要调整，最适催化温度和pH，溶剂及热稳定性均有显著改善。本发明还可应用于其他蛋白酶及脂肪酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、果胶酶、氧化酶、L-天冬酰胺酶、天冬氨酸酶、过氧化物酶等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型固定化酶生物催化剂的制备方法，特别是一种使用大孔材料为载体“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶聚体及方法，属于酶的固定化技术领域。

背景技术

交联酶聚体(cross-linked enzyme aggregates，CLEAs)是一种新型的固定化酶方法，在制备过程中首先利用沉淀剂使溶解态的酶聚集沉淀，随后对酶沉淀聚体进行共价交联。该方法制得的固定化酶具有较宽的最适催化pH范围和较宽的最适催化温度范围，对高温、有机溶剂、强酸强碱等具有较高的稳定性，是一种高效、稳定的固定化酶方法。然而，CLEAs的机械强度相对较低，粒径较小(通常为微米级)，采用普通的过滤方法难以回收，限制了其在工业上的利用。因此，利用载体固定CLEAs以提高CLEAs机械稳定性和操作回用性的方法近几年来备受关注。2007年Kim等人自制了一种内孔径37nm，通道直径13nm的分子筛载体HMMS(Hierarchically-ordered Mesocellular Mesoporous Silica)，并采用先吸附后交联两步的方法令酶物理填埋在37nm的内孔形成CLEAs，而不会从13nm的孔道泄露出来，形成类似“瓶中船”式结构(Biotechnol.Bioeng.2007，96：210-218)；郭军等也公开了一种通过先沉淀后交联两步将CLEAs物理填埋于孔径为10～300nm，最适孔径为30nm的多孔微球载体上的方法(中国发明专利，申请号：200810056594)。李红公开了一种以壳聚糖为原料制备壳聚糖微球，将壳聚糖微球加入木瓜蛋白酶溶液中，再经吸附-交联得到壳聚糖微球固定的木瓜蛋白酶(申请号：00117351.0)，此方法中所选用的壳聚糖载体在酸性溶液中不稳定，容易造成木瓜蛋白酶从载体上脱落。

通常的载体固定化酶方法由于载体多为纳米孔径材料，载酶量往往较低(10～30mg/g)，底物与产物的传质也受到一定限制；同时，以非共价方法固定于载体中的酶易于从载体内泄漏造成酶活损失，不利于工业上的重复回收利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶聚体(或称固载化木瓜蛋白酶CLEAs)的制备方法，即利用孔径大于0.5μm的大孔载体，以化学共价法固定木瓜蛋白酶的交联酶聚体，而非物理填埋，从而改善CLEAs操作粒径，增加固定化酶载酶量，提高木瓜蛋白酶的稳定性的方法。为防止孔径增大造成的酶泄漏，采用“同步法”交联，即在制得CLEAs的同时将其以共价键的形式结合在载体孔道表面。

本发明提供的是一种以大孔材料为酶的固定化载体，经载体表面氨基改性、酶吸附、木瓜蛋白酶沉淀、同步交联共四步将木瓜蛋白酶以交联酶聚体的形式共价固定于载体上的方法。制备过程中CLEAs的形成和与载体的共价结合在同步完成，如图1所示。

本发明系一种固定化酶生物催化剂的制备方法的具有以下的制备过程和步骤：

(1)载体表面氨基改性

所选载体为表面具有羟基基团的无机或有机材料，将载体洗净，于90～120℃烘干至质量不再改变；将10～30mL硅烷偶联剂与无水乙醇以1∶1～1∶3比例均匀混合5～30min，然后加入2～10g载体材料，令载体质量与硅烷偶联剂体积比为1∶3～1∶5(g∶mL)，于50～70℃水浴中减压旋蒸至液体不再减少；用乙醇洗涤载体3～4次，放于90～120℃烘箱中干燥过夜至质量不再改变，载体表面氨基含量达到5～15μmol/g；

(2)木瓜蛋白酶的吸附

用pH为4～10的磷酸缓冲液溶解木瓜蛋白酶，配成浓度为0.05～0.25g/mL的木瓜蛋白酶溶液；取1～5mL此酶溶液，加入氨基改性后的大孔载体颗粒1～5g，于4～25℃下振摇吸附2～6h；

(3)木瓜蛋白酶沉淀

吸附结束后，用磷酸缓冲液洗涤载体颗粒一次；随后将吸附有木瓜蛋白酶的载体颗粒1～5g加入到1～10mL沉淀剂中，继续振摇10～30min；

(4)“同步法”共价交联

向步骤(3)中所得的沉淀体系中加入交联剂至最终浓度为1～5％；混合均匀，于4～25℃下交联2～24h，使沉淀酶聚体在生成CLEAs的同时也与载体孔道表面氨基共价交联，最终实现大孔载体“同步法”共价交联-固载CLEAs；所得固定化酶用蒸馏水洗涤3～4次，冻干即得大孔载体固载化CLEAs颗粒。

本发明所制备的木瓜蛋白酶聚体，是木瓜蛋白酶聚体是在孔径大于0.5μm的载体的孔道中填埋有木瓜蛋白酶。

具体说明如下：

载体表面氨基改性

首先对大孔载体表面进行氨基改性，所选载体为表面具有羟基基团的无机或有机材料，如硅胶，或三氧化二铝，或纤维素中的一种；所选的氨基改性剂为硅烷偶联剂，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷，或N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，或N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种。首先将载体洗净，于90～120℃烘干至质量不再改变；将10～30mL硅烷偶联剂与无水乙醇以1∶1～1∶3比例均匀混合5～30min，然后加入2～10g载体材料，于50～70℃水浴中减压旋蒸至液体不再减少；用乙醇洗涤载体3～4次，放于90～120℃烘箱中干燥过夜至质量不再改变。测定载体表面氨基含量为5～15μmol/g。

木瓜蛋白酶沉淀

吸附结束后，用磷酸缓冲液洗涤载体颗粒一次；随后将吸附有木瓜蛋白酶的载体颗粒1～5g加入到1～10mL沉淀剂中，所选沉淀剂为乙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、异丙醇、叔丁醇、乙腈、饱和硫酸铵、聚乙二醇中的一种；继续振摇10～30min。

“同步法”共价交联

向步骤(3)中所得的沉淀体系中加入交联剂至最终戊二醛浓度为1～5％。所选交联剂为戊二醛、碳化二亚胺、羟甲基磷化氢或琥珀酰亚胺的一种。混合均匀，于4～25℃下交联2～24h，使沉淀酶聚体在生成CLEAs的同时也与载体孔道表面氨基共价交联，最终实现大孔载体“同步法”共价交联-固载CLEAs；所得固定化酶用蒸馏水洗涤3～4次，冻干即得大孔载体固载化CLEAs颗粒。

大孔载体材料具有较大的内部孔径，较高的孔隙率及良好的化学稳定性和机械强度。本发明合理利用大孔载体的孔隙特征，使木瓜蛋白酶CLEAs在形成的同时共价固定于载体的孔隙中，改善了CLEAs自身的工业化缺陷，达到了固定化酶的目的。本发明具有以下优点：

(1)借助载体孔径大，孔隙率高的优势实现了木瓜蛋白酶的高负载率；

(2)载体颗粒粒径和形状可根据装置需要调节，克服了CLEAs不利于工业应用的缺点；

(3)利用“同步法”共价交联-固载酶聚体，避免了大孔径造成的酶泄漏；

(4)固定化酶的制备方法简单，无需特殊设备，得到的固定化酶稳定性高，可重复利用，适于间歇和连续化生产。

本发明所述方法亦适用于其他蛋白酶及脂肪酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、果胶酶、氧化酶、L-天冬酰胺酶、天冬氨酸酶、过氧化物酶等。

附图说明

图1大孔载体“同步法”共价交联-固载酶聚体制备流程；

图2(a)为未固载酶之前载体内部孔道形貌；

图2(b)为经固载酶后载体内部孔道形貌；

图3固载化木瓜蛋白酶CLEAs、CLEAs及游离态酶的最适催化温度比较；

图4固载化木瓜蛋白酶CLEAs、CLEAs及游离态酶的最适催化pH比较；

图5固载化木瓜蛋白酶CLEAs、CLEAs及游离态酶的溶剂稳定性比较；

图6固载化木瓜蛋白酶CLEAs、CLEAs及游离态酶的热稳定性比较。

具体实施方式

实施例1：

取2g大孔硅胶(平均孔径1μm，载体颗粒平均粒径5mm，平均孔隙率为0.6)洗净，于100℃下干燥12h至质量不再改变。按照大孔硅胶质量与硅烷偶联剂体积比为1∶5(g∶mL)取10mL的γ-氨丙基三乙氧基硅烷与20mL无水乙醇混合10min后加入2g干燥好的大孔硅胶载体。在50℃下减压旋蒸至液体不再减少，用无水乙醇洗涤载体三次，于100℃下干燥得到氨基改性的大孔硅胶载体，测得表面氨基含量为8.5μmol/g。将木瓜蛋白酶溶解于0.2mol/L磷酸缓冲液中(pH7.0)，配制成0.15g/mL的酶溶液4mL，加入2g氨基改性后的大孔硅胶载体，于25℃下振摇3.5h。取出吸附有木瓜蛋白酶的载体，用0.2mol/L磷酸缓冲液(pH7.0)洗涤一次，加入到4mL无水乙醇中，沉淀10min令木瓜蛋白酶在孔道中形成酶聚体。随后向此沉淀体系中加入0.32mL的25％戊二醛，此时总体系中戊二醛浓度达到2％，并于4℃下振荡交联4h。交联结束后用蒸馏水洗涤固定化酶3次，冷冻干燥后称量得2g固定化酶颗粒，酶活为960U/g，载酶量60mg/g，内部结构如图2所示。所得的固载化木瓜蛋白酶CLEAs于4℃密封保存。

实施例2：

取6g大孔三氧化二铝(平均孔径0.8μm，载体颗粒平均粒径5mm，平均孔隙率为0.5)洗净，于120℃下干燥12h至质量不再改变。按照大孔硅胶质量与硅烷偶联剂体积比为1∶3.3(g∶mL)取20mL的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷与60mL无水乙醇混合20min后加入6g干燥好的大孔三氧化二铝载体。在60℃下减压旋蒸至液体不再减少，用无水乙醇洗涤载体四次，于120℃下干燥得到氨基改性的大孔三氧化二铝载体，测得表面氨基含量为10μmol/g。将木瓜蛋白酶溶解于0.1mol/L磷酸缓冲液中(pH4.0)，配制成0.25g/mL的酶溶液3mL，加入3g氨基改性后的大孔三氧化二铝载体，于4℃下振摇6h。取出吸附有木瓜蛋白酶的载体，用0.1mol/L磷酸缓冲液(pH4.0)洗涤一次，加入到10mL饱和硫酸铵中，沉淀20min令木瓜蛋白酶在孔道中形成酶聚体。随后向此沉淀体系中加入0.96mL的25％碳化二亚胺，此时总体系中碳化二亚胺浓度达到3％，并于15℃下振荡交联13h。交联结束后用蒸馏水洗涤固定化酶4次，冷冻干燥后称量得3g固定化酶颗粒，酶活为700U/g，载酶量45mg/g。所得的固载化木瓜蛋白酶CLEAs于4℃密封保存。

实施例3：

取10g大孔纤维素颗粒(平均孔径1μm，载体颗粒平均粒径5mm，平均孔隙率为0.6)洗净，于90℃下干燥24h至质量不再改变。按照大孔硅胶质量与硅烷偶联剂体积比为1∶3(g∶mL)取30mLN-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷与30mL无水乙醇混合30min后加入10g干燥好的大孔纤维素载体。在70℃下减压旋蒸至液体不再减少，用无水乙醇洗涤载体三次，于90℃下干燥得到氨基改性的大孔纤维素载体，测得表面氨基含量为8.7μmol/g。将木瓜蛋白酶溶解于0.2mol/L磷酸缓冲液中(pH10.0)，配制成0.05g/mL的酶溶液5mL，加入5g氨基改性后的大孔纤维素载体，于15℃下振摇5h。取出吸附有木瓜蛋白酶的载体，用0.2mol/L磷酸缓冲液(pH10.0)洗涤一次，加入到5mL聚乙二醇，沉淀30min令木瓜蛋白酶在孔道中形成酶聚体。随后向此沉淀体系中加入0.1g的琥珀酰亚胺，此时总体系中琥珀酰亚胺浓度达到1％，并于10℃下振荡交联24h。交联结束后用蒸馏水洗涤固定化酶4次，冷冻干燥后称量得5g固定化酶颗粒，酶活为1190U/g，载酶量73mg/g。所得的固载化木瓜蛋白酶CLEAs于4℃密封保存。

测试例及测试结果：

以实施例1制备得到的固定化酶为测定样品为详细叙述过程

(1)载体表面氨基含量测定：

采用水杨醛法测定改性前后载体表面氨基含量。准确称取0.02g左右改性载体，加入2mL水杨醛溶液(含2％水杨醛、6％吡啶、92％乙醇)，密封，于60℃恒温下反应30min。反应结束后用2mL乙醇洗涤载体材料10次。洗净后，取载体材料加入3mL苄胺溶液(含5％苄胺、95％乙醇)，密封，再次于60℃恒温下反应30min。反应结束后收集滤液，测定滤液在315nm下的吸光度值。按照下式计算氨基含量：

$C=\frac{V\times D_{315\mathrm{nm}}}{4.21\times W}$

其中，C为氨基含量(μmol氨基/g载体材料)，V为苄胺溶液体积(mL)，D_315nm为315nm的吸光度值，4.21为水杨醛紫外吸光度标准曲线的线性常数(mL/μmol)，W为载体质量(g)。

(2)酶活测定：

定义在规定条件下，每分钟水解酪蛋白释放出的与1μmol酪氨酸吸光度相等的肽的吸光度值为一个蛋白酶单位。取一定量酶样品加入1mL激活剂(0.1mol/L的pH7.0磷酸缓冲液内含0.02mol/L Cys、0.001mol/L EDTA)，于35℃水浴中保温10min，加入1％(w/v)酪蛋白溶液1mL，于35℃下搅拌反应10min后，立即加入10％三氯乙酸溶液2mL终止反应。过滤，取滤液测定在275nm下的吸光度值。(以先加三氯乙酸溶液，后加酪蛋白同样处理的滤液作为对照)。酶活性可由下式计算：

$A=\frac{D_{275\mathrm{nm}}}{W_E\times 0.116\times 10}$

其中A酶活值(U/g)，D_275nm为275nm下的吸光度值，W_E为酶样品质量(g)，0.116为1μmol酪氨酸在275nm下的吸光度值(μmol^-1)，10为反应时间(min)。

依此酶活测定方法分别测定了实施例中所制备得到的固载化木瓜蛋白酶CLEAs、CLEAs及游离态木瓜蛋白酶的酶活。测定结果为：固载化木瓜蛋白酶CLEAs酶活960U/g，未经固载的木瓜蛋白酶CLEAs酶活为14000U/g，游离酶活为16000U/g。因此，按照实施例中大孔硅胶载体“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶CLEAs所得到的固载化木瓜蛋白酶CLEAs的活性酶载酶量为60mg/g，高于普通载体载酶量(10～30mg/g)。

(3)最适催化温度测试

分别在40、50、60、70、80、90℃下测定实施例中固载化木瓜蛋白酶CLEAs样品、交联木瓜蛋白酶样品及游离酶活性。测定结果表明，实施例中所制的固载化木瓜蛋白酶CLEAs最适催化温度范围为40～90℃，其范围宽于交联酶聚体(50～80℃)及游离酶(80℃)如图3所示。

(4)最适催化pH测试

分别在pH3、pH4、pH5、pH6、pH7、pH8、pH9、pH10下测定实施例中固载化木瓜蛋白酶CLEAs样品、木瓜蛋白酶CLEAs样品及游离酶活性。测定结果表明，实施例中所制的固载化木瓜蛋白酶CLEAs最适pH7.0，与游离酶一致，高于CLEAs的最适催化pH值(pH6.0)，且固载化木瓜蛋白酶CLEAs在强酸强碱条件下也表现出高于CLEAs及游离酶的活性，如图4所示。

(5)溶剂稳定性测试

将实施例中固载化木瓜蛋白酶CLEAs样品、木瓜蛋白酶CLEAs样品及游离酶分别于4℃的pH7.0磷酸缓冲液中保存，每隔数日测定酶活。测定结果表明，在溶剂中固载化木瓜蛋白酶CLEAs较游离酶更加稳定，而与CLEAs相当，如图5所示。

(6)热稳定性测试

将实施例中固载化木瓜蛋白酶CLEAs样品、木瓜蛋白酶CLEAs样品及游离酶分别于40、50、60、70、80℃的pH7.0磷酸缓冲液中保存10min，随后立即取出于35℃条件下测定酶活。测定结果表明固载化木瓜蛋白酶CLEAs的热稳定性显著优于CLEAs及游离酶，如图6所示。

实施例2和3及按照本发明内容制备的固定化酶都具有相同的测试结果，不再一一例举。本发明提出的大孔载体“同步法”共价交联-固载木瓜蛋白酶聚体及方法，已通过现场较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的工艺方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。