萌发藜麦酸性蛋白酶酶学分析和生产条件优化

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藜麦(Chenopodium quinoa Willd)是一种单体植物即可满足人体基本营养需求的食物,被联合国粮农组织推荐藜麦为最适宜人类的营养食品。藜麦不仅仅富含多种人类所需的营养素,而且藜麦是少有的拥有着接近人体氨基酸构成的植物。目前藜麦的被广泛应用在食品、饲料和农业领域。植源性蛋白酶一般拥有天然无害、催化活力高等特点,在保健食品、化妆品、医药、日常生活用品等领域被广泛应用。藜麦拥有着动物才具有的完全蛋白,蛋白组成成分在植物中十分罕见,所以它的蛋白酶具有着巨大的开发潜力和研究价值。本研究以萌发藜麦为研究对象,对萌发藜麦中蛋白酶的酸碱性质、分离纯化方法、酶学性质、提取工艺和培养条件等方面进行了初步研究,论文的主要研究成果如下:(1)为了探讨不同种浸提溶剂对酶活力的影响程度。本实验利用去离子水、Tris-HCl缓冲液、磷酸盐缓冲液提取萌发藜麦蛋白酶,对于萌发藜麦蛋白酶来讲,磷酸盐缓冲液对其浸提效果最为突出,而去离子水对其浸提效果最差,说明适宜的无机盐浓度有利于藜麦蛋白酶的提取。在此基础上,利用不同酸碱性的底物检测萌发藜麦蛋白酶的蛋白酶活力,得出萌发藜麦蛋白酶在pH值为3的反应条件下酶活力最高,是一种酸性蛋白酶。比较了(NH42SO4盐析法和等电点沉淀法对萌发藜麦中所含的蛋白酶的提纯效果,(NH42SO4盐析法和等电点沉淀法提取萌发藜麦蛋白酶的酶活回收率分别为40.36%和45.30%,比活力分别为4.78 U/mg和5.23 U/mg。所以,优选等电点沉淀法从藜麦浸提液种提纯萌发藜麦蛋白酶。(2)在提纯出萌发藜麦蛋白酶粗酶的基础上,将粗酶液通过HiPrep?Q XL 16/10阴离子交换柱纯化,纯化效果较理想,使酶的比活力提升到24.74 U/mg,回收率为15.65%,纯化倍数为12.07倍。对纯化后的蛋白酶进行电泳分析,结果表明经阴离子纯化后的酶液显示单一条带,萌发藜麦蛋白酶的分子量约为55kDa。(3)萌发藜麦蛋白酶酶学性质的结果表明,该酶的最适pH为3,最适温度是60℃,该酶的温度稳定性和pH稳定性不强。在金属离子方面,Cu2+和K+对该蛋白酶有轻微的激活作用,Mn2+激活作用最强,而Zn2+和Fe2+对酶活力有抑制作用。蛋白酶抑制剂方面研究结果表示,天冬氨酸蛋白酶抑制剂基本抑制了萌发藜麦酸性蛋白酶的酶活力,因此,萌发藜麦酸性蛋白酶极有可能是一种天冬氨酸蛋白酶。酶促反应动力学研究表明,在以酪蛋白为底物时,酶对底物的Vmax=0.285 mg/min,Km=3.52 mM。(4)本实验以萌发藜麦为原料,乳酸盐缓冲液为提取溶剂。进一步对提取pH、提取料液比和浸提时间进行单因素实验。为了使实验结果更加科学准确,进行了3因素3水平的正交实验。萌发藜麦蛋白酶活力为指标,优化了萌发藜麦的提取参数,得出提取萌发藜麦蛋白酶的最佳工艺参数是萌发藜麦以料液比为1:6在pH为7.0的缓冲液中充分匀浆,匀浆后4℃浸提30 min。(5)在此基础上,以萌发藜麦蛋白酶活力为指标,本实验还对藜麦的萌发时间、萌发温度、萌发相对湿度进行了单因素实验。为了使实验结果更加科学准确,进行了3因素3水平的正交实验。以萌发藜麦蛋白酶活力为指标,优化了藜麦的萌发条件,即藜麦种子在环境温度为25℃、环境相对湿度为60%萌发18 h时所产生的萌发藜麦酸性蛋白酶活力最高。(6)通过生物信息学手段,预测了藜麦天冬氨酸蛋白酶的分子量大小为54.993 kDa,理论等电点为4.56,脂溶性参数为84.80,总的亲水性平均系数为0.002,糖基化位点分析结果表明,藜麦天冬氨酸蛋白酶不存在N-糖基化位点。并预测了该酶在藜麦中的位置(液泡),预测了藜麦天冬氨酸蛋白酶存在两个酶活性位点Asp94、Asp277,并预测了它的3D结构。成功将携带藜麦天冬氨酸蛋白酶的质粒转入大肠杆菌宿主中,并分析了藜麦蛋白酶未能表达的原因。
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