Vibrio vulnificus和Rhodothemus obamensis分支酶的重组表达及其在制备改性淀粉中的应用研究

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天然淀粉中抗性淀粉(RS)含量较低,大量摄入可引发代谢综合相关疾病,通过酶法改性得到的改性淀粉中RS含量有所提高,对人类生理健康具有极大益处。分支酶(branching enzyme)包括淀粉分支酶和糖原分支酶两大类,它能催化α-1,4键的断裂,形成α-1,6分支点,在改性淀粉制备中具有巨大应用潜能。本文对直链淀粉亲和性高且来源于Rhodothemus obamensis的淀粉分支酶(RoBE)和对支链淀粉亲和性高且来源于Vibrio vulnificus的糖原分支酶(VvGBE)在Escherichia coli BL21(DE3)中表达,研究它们的酶学性质及底物特异性,探究了制备改性淀粉的工艺条件,对改性淀粉产物的理化性质进行了分析。此外,将VvGBE在Bacillus subtilis WS11中进行表达,探索了启动子对其表达量的影响。主要研究结果如下:(1)将Vibrio vulnificus和Rhodothemus obamensis来源的分支酶基因在E.coli BL21(DE3)中表达,经摇瓶发酵,它们对支链淀粉的胞内酶活分别为2.06 U·mL-1、0.76U·m L-1;对直链淀粉的胞内酶活分别为0.53 U·mL-1、2.76 U·m L-1。考察了它们的的酶学性质:VvGBE的最适温度为35℃,最适pH为7.5,35℃半衰期为10 h,pH 9.5时最稳定;RoBE的最适温度为70℃,最适pH为7.0,70℃半衰期为84 h,pH 8.0时最稳定。(2)将重组酶应用于浓度为2.5%的玉米淀粉进行淀粉改性,探究淀粉改性应用的最佳条件:VvGBE在pH 7.5,温度35℃,加酶量500 U·g-1,反应时间10 h时,改性淀粉中RS含量从25.87%增加到51.40%;RoBE在pH 7.0,温度60℃,加酶量60 U·g-1,反应时间12 h时,改性淀粉中RS含量最高达到41.00%。(3)从链长分布、分子量分布、核磁共振三个方面分析酶反应产物,VvGBE和RoBE均以转移DP3-8的短链为主,但VvGBE改性淀粉的短链所占的峰面积(最高17.00%)明显多于RoBE改性淀粉(最高6.00%);VvGBE改性淀粉中小分子量物质增加了12.91%,RoBE改性淀粉则增加了2.29%;VvGBE改性淀粉中α-1,6键比例增加了8.45%,RoBE改性淀粉则增加了4.37%。(4)探究双酶复配制备改性淀粉的工艺,将颗粒状玉米淀粉配制成15%的浓度,在温度60℃,pH 7.0,加入60 U·g-1的RoBE,反应12 h后糊化30 min(90℃),再加入500 U·g-1的VvGBE,在温度35℃,pH 7.5条件下反应10 h,经过两步法策略,改性淀粉中RS含量达到了74.33%。对Ro BE和VvGBE复配前后产物进行鉴定:复配后产物中DP3-6的短链明显增多;小分子量物质由6.91%增加到7.49%;α-1,6键比例从5.52%增加到13.02%。通过两步法制备改性淀粉,使其工业化生产成为了可能。(5)将Vibrio vulnificus来源的分支酶基因在B.subtilis表达系统中表达,经摇瓶发酵,其主要分泌到胞外,胞外上清酶活为0.65 U·mL-1。为了提高表达量,考察了7种启动子PaprE、PgsiB、PhpaII、PnprE、Psrf、Pxyl、Pxyl’对酶活的影响,得到最优启动子PnprE,其酶活为0.73 U·mL-1。将获得的含最优启动子的质粒在B.subtilis WS11?hrcA中表达,其酶活为0.92 U·mL-1,是对照酶活的1.42倍。
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