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卡拉胶是一类重要的红藻多糖,由1,3-β-D-吡喃半乳糖和1,4-a-D-吡喃半乳糖作为基本骨架,交替连接而成的硫酸线性多糖,主要存在于红藻纲中的麒麟菜属、角叉菜属、杉藻属和沙菜属等生物的细胞壁中。卡拉胶不仅具有良好的增稠和稳定性能,而且具有抗病毒、抗肿瘤、抑菌和促进植物生长等生物活性。近年来大量研究表明,低分子量卡拉胶及其寡糖在抗病毒等生物活性方面具有更多的优越性,显示出广阔的市场前景。
低分子量卡拉胶及其寡糖的制备通常采用降解卡拉胶得到,降解方法有物理法、化学法和酶法降解三种方法,其中酶法降解具有条件温和、专一性强等特点,成为其主要发展趋势。卡拉胶酶对于低分子量活性卡拉胶与海藻原生质体的制备、阐明卡拉胶的精细结构等方面具有十分重要的作用。本研究针对目前国内外产卡拉胶酶菌株及卡拉胶酶制剂缺乏现状,对产卡拉胶酶菌株的筛选、鉴定、产酶条件以及卡拉胶酶的纯化与动力学进行了较为系统的研究。
以卡拉胶为唯一碳源的选择性培养基,从腐烂异枝麒麟菜、红树林海水与泥土样品中筛选到产卡拉胶酶细菌60株,其中菌株HT-16同其它菌株相比,具有遗传稳定性好、产酶活性高等特点,培养3d发酵液酶活力为16.6 U/mL。
通过形态学观察、生理生化特性测定、BIOLOG全自动细菌鉴定系统鉴定和PCR扩增测序等方法对菌株HT-16进行了鉴定。结果表明:HT-16为革兰氏阴性菌,短杆状,菌落黄色,边缘规则的圆形,表面光滑;氧化酶、接触酶、硝酸盐还原、明胶液化、脲酶和水解淀粉均为阳性,七叶灵水解和精氨酸为阴性;对于BIOLOG GN2平板上的95种碳源除甘露醇外均不能利用。采用PCR扩增的方法测定16S rRNA基因序列,电泳测定片段长度为1.5 kbp,与施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)相近。将所测得的序列与Genbank中的16S rRNA基因序列进行Blastn相似性分析比较,结果显示,菌株HT-16与Pseudomonas stutzeri的16S rRNA基因序列的同源性达到了99%。并构建了系统发育数,最后确定HT-16为Pseudomonas stutzeri。
采用单因素与正交实验设计对该菌株产卡拉胶酶的培养基组成与培养条件进行了优化。最适培养基组成为(w/v):卡拉胶0.3%,酵母浸粉0.1%,NaNO<,3>0.3%,乳糖0.04%。最佳培养条件为:起始pH 6.0,培养温度32℃,摇床转速160r/min。在最佳条件下,发酵液的酶活力为26.5U/mL,比优化前的活力提高了80%。
采用离心、超滤、(NH<,4>)<,2>SO<,4>分级沉淀、SephadexG-75凝胶过滤柱层析等方法对卡拉胶酶进行纯化。通过该方法卡拉胶酶回收率为1.66%,纯化倍数为14.29倍,比活力为3706.69U/mg。SDS-PAGE凝胶电泳检测层析后蛋白纯度为单一组分,分子量为60kD。采用(NH<,4>)<,2>SO<,4>沉淀所得的粗酶液为原料,对卡拉胶酶动力学进行了初步研究,结果表明:该酶动力学方程为v=65.79[S]/(4.34%+[S]),米氏常数(K<,m>)为4.34%,最大反应速度为65.79U/mL,适宜pH为6.0-7.2,适宜温度为40-60℃,Fe<2+>、Co<2+>、Ag<+>、Sn<2+>对酶活性有促进作用。