低温等离子体对苎麻脱胶生物酶活性及其结构影响

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生物酶苎麻脱胶法是一种效能高、质量好和污染少的脱胶方法,其基本原理是利用脱胶生物酶的专一性和高效性来降解苎麻中的胶质,使得纤维分离出来。相较于传统化学脱胶法,生物酶苎麻脱胶法具有提高精干麻质量、减少环境污染等显著优点,会是未来苎麻脱胶的主要发展方向之一。
  生物酶苎麻脱胶法虽然工艺流程较简单、无需专用的设备、化学药品的用量也较少,但是单一的酶法脱胶还无法应用于工业生产。其中的主要原因之一就是产酶菌或酶制剂的催化活性较低,使得苎麻脱胶的效率不高,脱胶质量不能满足工业生产的要求。本课题主要的研究目的就是提高苎麻脱胶生物酶的催化活性,以便改善生物酶的脱胶效率。利用低温等离子体对生物酶(漆酶、纤维素酶和半纤维素酶)进行预处理,探讨了各低温等离子体对脱胶生物酶活性的影响,优选了低温等离子体处理脱胶生物酶的工艺。通过紫外-可见分光光谱、荧光光谱、傅里叶红外光谱、圆二色光谱和核磁共振波谱等测试手段,对脱胶生物酶的蛋白质结构进行了测试分析,进而探讨了低温等离子体对脱胶生物酶结构的影响。
  研究结果表明,低温等离子体处理技术可提高漆酶、纤维素酶和半纤维素酶的催化活性。其处理漆酶的推荐工艺为:以氧气作为实验气氛,处理压强为35Pa,放电功率为200W,曝光时间为4min,处理后漆酶的活性可达206%。处理纤维素酶的推荐工艺为:以氮气作为实验气氛,处理压强为65Pa、放电功率为150W、曝光时间为6min,处理后纤维素酶的活性可达142%。处理半纤维素酶的推荐工艺为:以氮气作为实验气氛,处理压强为50Pa、放电功率为150W、曝光时间为4min,处理后半纤维素酶的活性可达188%。
  结构分析显示,低温等离子体处理对苎麻脱胶生物酶的结构产生了影响。傅里叶红外光谱显示,经低温等离子体处理过的脱胶生物酶,其大分子链及侧链基团的氢键和微化学环境发生了变化。若O-H伸缩振动引起的特征吸收峰向低波数移动,则生物酶大分子链内的-OH、-NH和-NH2基团之间形成了较强的氢键,进而生物酶的催化活性得到了提高。圆二色光谱显示的是脱胶生物酶的二级结构,经低温等离子体处理后,生物酶β-折叠与β-转角的含量增加,α-螺旋和无规卷曲的含量降低,则Loop(β-转角+无规卷曲)降低,α/β的比率也变小,这使得活性中心与底物结合的能力得到加强,脱胶生物酶的催化活性提高。紫外-可见分光光谱显示,脱胶生物酶的催化活性随反应溶液吸光度的变化而变化,若反应溶液吸光度提高,则某些处于蛋白质疏水性内核中的氨基酸残基暴露于亲水环境中,生物酶的催化活性增加。荧光光谱显示的是芳香族氨基酸侧链基团的变化,若蛋白质荧光发射峰发生红移,则部分不稳定的次级键被破坏而调整形成更为稳定的结构,脱胶生物酶的催化活性提高。核磁共振波谱显示,经低温等离子体处理的脱胶生物酶,其肽链之间形成了氢键,使得核外电子云密度降低,发生了去屏蔽效应,最终脱胶生物酶的催化活性得到了提高。
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