酸性果胶裂解酶的基因筛选及其在黑曲霉中高效重组表达研究

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酸性果胶裂解酶可通过β-消除反应有效降解果胶类物质,在食品工业中具有广泛用途,尤其是果蔬汁加工业,有助于果蔬汁澄清和提高出汁率。酸性果胶裂解酶主要由真菌产生,尤其是黑曲霉,但其天然原始菌株普遍存在产酶量低和产物杂质多的问题,远达不到工业需求。本研究旨在以具有低蛋白背景的安全菌株黑曲霉SH-2为表达宿主,将来自黑曲霉全基因组的5个果胶裂解酶基因(pelA、pelB、pelC、pelD、pelF)分别进行过量表达以期实现酸性果胶裂解酶的高效重组表达,并对重组酶的酶学性质和其在果汁澄清方面的实际应用进行探究。主要研究内容如下:(1)将构成黑曲霉果胶裂解酶基因家族的5个果胶裂解酶基因(pelA、pelB、pelC、pelD和pelF)成功克隆,并利用黑曲霉自身强启动子(葡萄糖淀粉酶启动子,PglaA)分别实现5个果胶裂解酶基因在黑曲霉SH-2中进行重组过量表达。通过酶活测定成功筛选得到两个高表达的酸性果胶裂解酶基因pelA和pelD,转化菌株分别为SH2-PelA和SH2-PelD,在摇瓶发酵条件下最高酶活力分别为11069.2 U/mL和8822.6 U/mL,在液体深层发酵条件下最高酶活力分别为65148.8 U/mL和35670.0 U/mL,分别比摇瓶发酵酶活提高5.9倍和4.0倍,表明重组菌株具有工业化大量生产酸性果胶裂解酶的潜力,并且重组菌株SH2-PelA具有较高的表达水平。(2)高产重组酸性果胶裂解酶经镍柱亲和层析纯化后进行western blot检测及酶学性质研究。经一步纯化后,重组酶rePelA和rePelD的比酶活分别为4618.0 U/mg和8522.7 U/mg,回收率分别为88.4%和79.4%,纯化倍数分别为5.7和4.9倍;底物特异性分析表明:重组酶rePelA和rePelD的比活力随果胶底物甲酯化程度增加而增加,对柑橘果胶(≥85%酯化度)酶活分别为22423.3 U/mL和31248.0 U/mL;rePelA和rePelD的最适反应温度均为50℃,并在30-50℃的范围内热稳定性良好;rePelA和rePelD的最适反应pH分别为4.5和5.0,并在酸性pH条件下稳定性良好;加入Na+、Mg2+、Zn2+、Ni2+、Mn2+、Ba2+对rePelA具有不同程度的激活作用,其中Zn2+、Mn2+对rePelA激活作用较为显著,能提高约30%的酶活力,而Ca2+、Cu2+及表面活性剂SDS对rePelA有明显的抑制作用;加入Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Mn2+、Ba2+对重组酶rePelD具有不同程度的激活作用,而SDS表现为抑制作用。(3)将重组酸性果胶裂解酶应用于不同果汁澄清,结果表明:rePelA和rePelD对橙汁、苹果汁以及葡萄汁具有良好的澄清效果。经rePelA和rePelD处理后,橙汁的透光度分别提高了19.2和17.9倍,苹果汁的透光度分别提高了7.3和11.5倍,葡萄汁的透光度分别提高了3.8和5.7倍;此外,相比于添加单一果胶酶,复合添加不同果胶酶可在较短时间获得更好的果汁澄清效果。
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