优化表达策略提高多铜氧化酶降解生物胺应用特性

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生物胺是存在于发酵食品和酒精饮料中的潜在胺类危害物。如果人体摄入过量的生物胺,则会引起呕吐、发烧等过敏反应。酶法降解食品中的生物胺基本无需改变发酵工艺且对食品营养和风味的影响较小,是目前最具应用前景的食品中生物胺减控措施。某些多铜氧化酶可以氧化生物胺生成对应的醛和水,但是目前用于降解发酵食品中的生物胺还存在:酶在酸性条件下的活性较低,其在催化过程中的稳定性较差、表达水平不高且尚未实现食品级表达等问题。因此提高多铜氧化酶的催化稳定性和在应用条件下的活性、实现酶的食品级高效表达对于多铜氧化酶的工业应用具有重要意义。本研究通过融合表达过氧化氢酶提高了多铜氧化酶的催化稳定性和降解生物胺能力,并在乳酸乳球菌中实现了食品级多铜氧化酶的高效表达,为多铜氧化酶在降解发酵食品中生物胺的应用奠定了基础。主要研究结果如下:(1)融合表达过氧化氢酶提高多铜氧化酶的催化稳定性。通过考察多铜氧化酶对H2O2的耐受性发现,H2O2可使多铜氧化酶活性显著降低。将来源于发酵乳杆菌的多铜氧化酶(MCOF)与来源于枯草芽孢杆菌的过氧化氢酶(CAT)在大肠杆菌BL21中进行融合表达,成功构建的8种融合酶对H2O2的耐受性提高了51%–68%。其中,融合酶CAT&MCOF在降解组胺反应体系中的稳定性比对照MCOF高17.3%。(2)多铜氧化酶融合酶的酶学性质及应用性能评价。融合酶CAT&MCOF的最适反应p H为3.5,最适反应温度为45℃。以ABTS为底物时,CAT&MCOF对底物的亲和力(Km)、催化效率(kcat/Km)和摩尔比活力分别比未融合MCOF提高了1.00倍、1.71倍和1.23倍,并且融合酶在酸性(p H 2.5–4.5)和中高温(35–55℃)条件下的稳定性都有不同程度提高。此外,CAT&MCOF对腐胺、尸胺和组胺的降解率分别为31.7%、36.0%和57.8%,分别比MCOF提高了132.5%、45.7%和38.9%。(3)成功构建了活性表达食品级多铜氧化酶MCOBL0及其三个突变体MCOBL1、MCOBL2和MCOBL3的乳酸乳球菌NZ3900重组菌。通过优化诱导条件(诱导温度、诱导时间等)和Cu2+的添加条件,使得重组MCOBL0的表达水平提高到2325.84 U·L-1,较初始表达水平(231.11 U·L-1)提高了9.06倍;突变体MCOBL1、MCOBL2、MCOBL3的表达水平分别达到了4488.06 U·L-1、4289.78 U·L-1、2254.45 U·L-1,分别较未优化前的表达水平提高了12.35、12.25和6.97倍。(4)食品级多铜氧化酶酶学性质及应用性能评价。通过研究酶学性质发现,MCOBLs(MCOBL0、MCOBL1、MCOBL2、MCOBL3)的最适反应p H和温度为4.5和65℃,与在大肠杆菌中表达多铜氧化酶MCOBEs(p H 3.0,55℃)有显著不同。在p H 2.5–5.5范围内,MCOBLs不仅具有更好的稳定性,在催化效率和降解生物胺能力方面的特性均优于大肠杆菌重组酶MCOBEs。其中MCOBL0对底物的催化效率比MCOBE0提高了59.75%,降解组胺能力比MCOBE0提高了63.41%。
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