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由于近年来石油价格不断攀升,各个国家和实验室都在寻找高效的可再生能源来取代石油这一高耗费的能源,比如利用木薯、马铃薯淀粉等来生产燃料乙醇。工业上,淀粉转变为葡萄糖需要经过液化和糖化两个步骤,这就要求对淀粉原料进行高温蒸煮。基于减少能源消耗和有效利用天然资源的原则,广大科研人员特别关注生淀粉的生物能转化过程,并对能降解生淀粉的酶类进行研究。
本研究通过多次连续富集培养,从广西武鸣县某淀粉厂附近筛选分离到一株具有较强水解生淀粉能力的细菌,该菌株革兰氏染色阳性,细胞呈杆状,芽孢为椭圆形。经过16SrDNA序列分析,初步鉴定该菌株为类芽孢杆菌属Paenibacillussp.,命名为Paenibacillussp.WN61。该菌株液体摇瓶发酵70h后,生淀粉酶活力达到108.5U/mL,RDA值为57.8%,对木薯生淀粉的吸附率为70.26%,表现出对生淀粉具有较强的降解能力。
通过饱和(NH4)2S04沉淀、SephacrylS-300层析的方法对Paenibacillussp.WN61所产的生淀粉酶进行分离纯化,得到纯化的酶蛋白比活力为5112.04U/mg,纯化倍数为14.1,相对分子质量约为100kDa。该酶以木薯生淀粉为底物时,最适pH值为5.6,最适温度为50℃。金属离子Ca2+、Mg2+对该酶具有激活作用,Zn2+、Cu2+、Fe2+、Ni2+、Mnz+、C02+和EDTA对该酶均具有抑制作用。以可溶性淀粉为底物时,该酶的Km值为0.9059mg/mL,Vmax为259.0umol/mL·min。利用高效液相色谱分析其水解产物,包括麦芽糖、葡萄糖和麦芽三糖,推测该生淀粉酶是一种a-淀粉酶。
在各种淀粉酶中,大约只有10%的淀粉酶能结合并降解生淀粉,它们通常具有一个明显的序列结构模块,即淀粉结合域(SBD)。CBM25是淀粉结合域中的一类。从土壤富集宏基因组DNA中扩增到不包含和包含淀粉结合域CBM25的B.polymyxaβ-淀粉酶基因,并成功表达至pSE380载体上,获得重组质粒pSE380-B-amy1和pSE380-B-amy2,以大肠杆菌BL21(DE3)为宿主细胞大量表达融合的蛋白。利用镍离子亲和层析柱对BL21(DE3)/pSE380-B-amy1和BL21(DE3)/pSE380-B-amy2表达的重组蛋白进行纯化,SDS-PAGE凝胶电泳表明获得的纯化蛋白相对分子质量分别为46kDa和68kDa。酶学性质研究表明,它们的最适温度均为50℃,最适pH值均为7.0。B-AMY1的Km、Vmax和比活力分别为4.231mg/mL、23.03utmol/mL·min和67.51U/mg,B-AMY2的Km、Vmax和比活力分别为1.136mg/mL、41.97umol/mL·min和78.75U/mg。β-AMY1和β-AMY2对木薯生淀粉的作用存在着差别,吸附率分别为20.57%、50.92%,而只有β-AMY2有生淀粉酶活力,酶活力为11.8U/mL。这些结果表明,淀粉结合域对淀粉的水解起到了关键作用,尤其是对生淀粉。