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从酿酒酵母中分离纯化谷胱甘肽

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维普资讯 http://www.cqvip.com NOV.2007 ・ 生物加工过程 60・ Chinese Journal of Bioprocess Engineering 第5卷第4期 2007年11月 从酿酒酵母中分离纯化谷胱甘肽 林志兴,吕永琴,丁 轲,周 鑫,谭天伟 (北京化工大学 生命科学与技术学院生物加工过程重点实验室,北京100029) 摘要:为了提高酵母发酵生产谷胱甘肽的提取率,采用热水直接抽提的方法,并通过正交实验优化及单因素实验 优化,得到优化条件:鲜酵母的质量与去离子水体积的比例为1:12;抽提温度90oC;搅拌转速350 r/min;"3抽提液 -温度达到90℃就停止抽提,并进行了热水抽提的放大实验。同时在抽提时加氮气保护。防止GSH部分氧化。抽提 液离心除菌泥,经截流相对分子质量为10 的超滤膜超滤后,除去大量杂蛋白,便于后续GSH的精制分离。通过对 饱和操作吸附容量及解吸得率的研究,确定强酸型阳离子交换树脂D061为分离介质。 关键词:谷胱甘肽;正交实验;优化;超滤:离子交换树脂 中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 文章编号:1672—3678(2007)04—0060—05 Separation and purification of glutathione from Saccharomyces cerevisiae LIN Zhi—xing,LV Yong—qin,DING Ke,ZHOU Xin,TAN Tian—wei (Beijing Bioprocess Key Laboratory,College of Life Science and Technology Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China) Abstract:Glutathione(GSH)is produced by yeast fermentation.In order to get higher yield of GSH.Af- ter centrifugating the broth,the flesh yeast.A new method for extracting glutathione with hot water was studied.Conditions gained with orthogonal experiment were 90℃,12 mL/g,350 r/min,and stopping extraction as the extraction temperature reached 90 oC,and a larger scale was proceeded.At the same time it was necessary to protect glutathione with N2 from oxidation in the process.The extraction solution was centiffugated,then ultra—ifltrated with membrane of 10 K MWCO(molecular weight cut—off)to re— move the impurities of proteins.After this step,the extraction was suitable for the following purification of glutathione.Through the study of total operation exchange capacity and the ratio of desorption,D601 was determined as the separating resin. Key words:glutathione:o ̄hogonal—experiment;optimize;Ultra—filtration;ion—exchange;resin 谷胱甘肽(Glutathione,GSH)是谷氨酸、甘氨酸 中。经研究发现还原型的谷胱甘肽在生物体内有 和半胱氨酸组成的具有重要生理功能的天然活性 三肽,在自然界中以氧化型(GSSG)和还原型 (GSH)的形式广泛存在于动物、植物和微生物细胞 着重要的生理功能 ,谷胱甘肽在临床应用上作 为重要的解毒药物,在肿瘤,眼角膜病治疗,抑制艾 滋病病毒等方面应用广泛 I4 ,同时在食品添加剂、 收稿日期:2006—12—18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20325622,20576013,50373003);博士点基金资助项目(20030010004);国家“十五”攻关资助项 目(2004BA411B05) 作者简介:林志兴(1981一),男,山东蓬莱人,硕士研究生,研究方向:生物分离。 联系人:谭天伟,教授,博士生导师,教育部长江学者,E—mail:tantw@mail.buct.edu.CH. 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年1 1月 林志兴等:从酿酒酵母中分离纯化谷胱甘肽 ・ 61 ・ 化妆品和运动营养学中的应用也成为研究热点。 离心(4800 r/min,8 min)——上清液超滤(截流相 对分子质量10 )——谷胱甘肽澄清液——离子交 GSH的生产方法主要有直接溶剂萃取法 、发酵 法 ]、酶法 及化学合成等4种方法,目前主要以 酵母发酵法制取,也最具发展潜力,口本和欧洲一 些国家已实现了工业化生产,但国内一直末实现工 业化,主要难题是谷胱甘肽的分离纯化。在日本有 沸水提取的相关报道 -9],国内周楠迪等¨叫对热水 抽提进行了研究,发现热水提取在95~100 cIC之问, 抽提10 min,收率达到90%;安贤惠等“一 也使用 多种抽提方法进行了研究,都认为热水提取在不超 过95cIC时,提取率高,耗时短,经济且无污染,但只 是研究初步提取GSH,尚未建立一条工艺路线。目 前在工业生产中仍采用混合有机溶剂的方法来提 取,该方法时间长,溶剂用量大,成本较高¨ 。本文 对热水抽提条件进行了正交优化及单因素优化,得 到了最佳的热水抽提条件,并进行了热水抽提放大 实验,放大实验结果显示本实验所采用的热水抽提 无放大效应,可应用于工业化生产。 1材料与方法 1.1材料与仪器 1.1.1材料 酿酒酵母菌体,本实验室发酵组提供。 1.1.2仪器 Alltech高效液相色谱(美国Alhech公司);超 滤杯(中科膜技术公司);台式离心机(上海安亭科 学仪器厂);WFZ UV-2000紫外可见分光光度计(尤 尼柯(上海)仪器有限公司)。 1.2方法 1.2.1谷胱甘肽分析方法 采用高压液相色谱法 ,并经本实验室改进。色 谱柱:C, 250mm×4.6 mm加保护柱;流动相:缓冲液 A:0.1%TFA,H2O;缓冲液B:0.1%TFA,CH3CN;缓 冲液C:V(A):V(B)=96.25:3.75;柱温:29.8 cIC;流 速:0.8 mL/min;紫外检测器检测波长:214 nm。 1.2.2蛋白质含量测定 Bradford检测法 。 蛋白质含量测定采用分光光度法检测595 nm 的光吸收值大小计算蛋白质含量,用牛血清白蛋白 作为标准蛋白。 1.2.3工艺流程 酵母菌体——热水抽提——调pH至3.0—— 换法分离谷胱甘肽。 1.2.4热水抽提 称取一定质量的新鲜酵母菌与定量的去离子 水混合,在一定的条件下进行抽提,迅速冷却至室 温,测定上清液中GSH的含量。 (a)去离子水体积倍数的单因素优化 实验采取了6个不同的水平,即取1g鲜酵母分 别加入3 mL、5 mL、8 mL、10 mL、12 mL、15 mL的煮 沸的去离子水,其他条件固定为:抽提温度90 cCI,搅 拌转速350 r/min,抽提液刚达到抽提温度即停止继 续抽提,离心取上清液测定其GSH含量。 (b)抽提温度的单因素优化实验 抽捉温度取85、90、94、96、98 cIC 5个不同的水 平,其他条件固定为:1 g新鲜酵母菌,12 mL煮沸的 去离子水,搅拌转速350 r/min,抽提液刚达到抽提 温度即停止继续抽提,离心取上清液测定其GSH 含量。 1.2.5正交实验方法 实验采用了如表l所示的以每克新鲜酵母中的 GSH抽提量为评价指标的4因素4水平的正交实 验,详细考察了抽提温度、抽提时间、去离子水体积 倍数以及搅拌转速对抽提效率的影响。 表1 热水抽提GSH的4因素4水平正交设计表 Table 1 The design chart of four factors and four levels of extraction of GSH by hot water 注:此处抽提时间是从抽提液温度达到设定的抽提温度 起计算的时间,故0 rain指抽提液刚达到抽提温度即停止继 续抽提 1.2.6抽提过程的N 保护措施 实验过程中为了防止抽提过程中GSH的氧化, 对有无N 保护的抽提条件进行对照研究。 1.2.7热水抽提的放大实验 取2 kg菌体按照最佳抽提条件进行抽提,计算 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ 62 ・ 生物加工过程 第5卷第4期 GSH回收率。 酵母细胞内的GSH就会停止释放,因而在一定范围 内增加水体积可以不断提高GSH从酵母内释放的 总量,但当水体积增大到足够大时,GSH的释放总 量将不再增加,此时GSH抽提的得率达到最大,对 应的水体积与酵母质量之比为12。所以在菌体破 碎抽提时去离子水体积与酵母质量之比为12。 2.1.2抽提温度的单因素优化 图2中可以看出随着抽提温度的升高,从单位 1.2.8超滤实验方法 采用截留相对分子质量为3×10 ,6×10 ,10 , 3×10 ,6×10 的聚砜纤维膜过滤离心得到的上清 液,记录超滤所用的时间、测定过滤液中GSH浓度 和杂蛋白浓度,从中选择一个合适的截留相对分子 质量的膜。 1.2.9谷胱甘肽稳定性实验 用GSH纯品配制浓度为5 mmol/L的溶液,各 取30 mL分别用浓HC1调pH值至1.93,2.90, 4.03,5.01,5.97,6.95,8.98,11.00;在20~25℃室 温下,敞口放入水浴振荡器中以50 r/min轻微晃 动,开始计时;在0,1,3,6,10,15,21,28,36,46 h分 别取样测定不同pH值的GSH溶液中的GSH浓度。 1.2.10分离介质的选择与确定 在pH 4.0下吸附谷胱甘肽,5%的NaOH溶液 解吸谷胱甘肽。比较各种树脂的操作吸附容量和 解吸得率,确定合适的分离介质。 2结果与讨论 2.1 热水抽提正交实验及单因素实验结果与讨论 实验采用了以每克新鲜酵母中的GSH抽提量 为评价指标,通过单因素实验详细考察了抽提温 度、抽提时间对抽提效率的影响,并通过4因素4水 平的正交实验,考察了抽提温度、抽提时间、去离子 水体积倍数以及搅拌转速对抽提效率的协同影响。 2.1.1 去离子水体积的单因素优化 由图1可以看出随着水体积倍数的提高,酵母 细胞释放出来的GSH越多,因而抽提效果也就越 好。推断其原因是抽提过程中酵母细胞内外的 GSH浓度存在某种平衡。当GSH浓度达到平衡时, 金 (力 图1去离子水体积优化 Fig.1 Optimization of volume of deionized water 质量酵母中提取到的GSH量先增大后减小,在90 ℃下达到最大值。这说明温度在一定范围内升高 由于增加了细胞壁的通透性,有利于GSH从胞内向 外释放。由于GSH对温度敏感,在温度继续增加的 情况下,GSH易氧化或分解,故抽提的GSH的总量 会下降,所以抽提温度不应过高。通过优化得出, 最佳的抽提温度为90℃。 ^\士  (力 0 图2抽提温度优化 Fig.2 Optimization of extraction temperature 2.1.3正交优化的结果进行极差分析 由表2极差 可以看出,4个因素对抽提浓度 指标影响的主次顺序为因素C的影响最大,以因素 A与D的影响相当,因素B的影响最小,故根据极 差分析确定最佳的热水抽提条件:鲜酵母的质量与 去离子水体积的比例为1:12;搅拌转速为350 r/min 时接近D因素的最佳状态;抽提温度取90℃;至于 抽提时间,由于极差值相对最小,其趋势不太明显, 仍然只选择抽提液刚达到90℃即停止继续抽提。 2.2热水抽提放大实验 热水抽提具有操作简便,提取率高,成本低,无 污染等优点,为了将该方法应用于工业生产,取2 kg 的鲜酵母菌体,应用已得到的热水抽提条件进行放 大实验,实验结果如表3所示,GSH的收率为 90.7%。实验结果表明热水抽提的放大效应不明 显,适宜工业化放大生产。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年11月 林志兴等:从酿酒酵母中分离纯化谷胱甘肽 ・ 63 ・ 表2正交实验结果 Table 2 Results of orthogonal—experiment /(墨∽0 0 0 5 0 表3 热水抽提试验放大结果 Table 3 The result of extraction with hot water in a lager scale 2.3抽提过程氮气保护措施 结果如图3所示,有N 保护的抽提较没有N 保 护的抽提的效果好,表明在抽提过程中的确会有少 量GSH发生氧化,所以抽提过程中加以氮气保护可 以防止部分GSH被氧化,从而提高抽提得率。 肌 0.455 0.450 2 2 2 2 0 8 6 5 7 2 1 9 8 8 7 3 8 3 3 5 2 2 2 2 0 7 6 6 7 0 3 7 9 2 5 7 8 3 3 9 0.435 2 2 2 2 0 6 4 4 7 1 8 1 8 5 3 0.430 0 5 5 0 5 protecting by N2 without protecting by N2 方式 2 2 2 2 0 图3有无氮气保护的抽提效果比较 7 4 8 9 5 2 6 5 2 0 5 5 0 0 Fig.3 Comparison of extraction results with and without protecting by N2 2.4超滤实验结果 菌体破碎经离心除菌泥后,上清液中有少量残存 的菌泥以及大量的水溶性蛋白,为了后续的精制分 离,需将上清液进行超滤以除去这些杂质。从图4可 以看出随着截流相对分子质量的增加,滤过液中GSH 的含量呈现递增趋势,但当膜截留相对分子质量为 10 时,再增加膜截留相对分子质量,对GSH的透过 无明显改善,这表明当截留相对分子质量为10 时, GSH已经可以自由透过了;而在截流相对分子质量大 于10 的超滤膜滤过液中杂蛋白的含量突然猛增,这 是由于膜的截流相对分子质量逐渐增大,能通过膜的 杂蛋白迅速增多所引起的。考虑到应尽可能多地去 除杂蛋白,并且能保持很高的GSH透过率,超滤时应 选择截流相对分子质量为10 的膜。 , ● ^、 图4不同截留相对分子质量的超滤膜超滤 GSH抽提液对比 Fig.4 Comparison of GSH extraction solution 2.5谷胱甘肽稳定性实验 GSH容易氧化,当它与树脂发生吸附作用时需 维普资讯 http://www.cqvip.com ・64・ 5 5 生物加工过程 r1._10gg一,(}王∽0 4 5 第5卷第4期 要选择一个最佳的pH值。考查GSH稳定条件,以 5 5 3 2 1 5 O 5 态,可与树脂发生交换吸附。离子交换树脂中强酸 便于选择GSH与树脂发生吸附作用时的最佳pH 值,使得GSH在此pH下较为稳定而不易被氧化,从 而保证GSH充分与树脂发生作用。实验结果如图 5,当pH值>5时,GSH含量随时问的增加而减小, pH值越大,趋势越明显。在pH2.0—4.0范围内, GSH在室温下于46 h后其检测量仍可稳定在90% 左右,因此选择在这个范围内的pH值下进行GSH 性阳离子交换树脂D061的解吸得率最高,为 75.2%,所以在GSH精制纯化时采用强酸性阳离子 交换树脂D061。 3结论 通过正交优化及单因素优化得到最佳的热水 吸附实验。 t/h 一*-pH1.93一pH2.90…pH4.03一pH5.O1 一pH5.97一pH6.95一pH8.98一pH11.00 图5溶液pH值对GSH氧化速度的影响 Fig.5 Effect of pH of the solution on the oxidation of GSH 2.6离子交换树脂的选择 各种树脂操作吸附容量的测定实验结果如表4 所示,由表可以看出在pH 4.0时,不同树脂对GSH 的饱和操作吸附容量差异很大,但饱和操作吸附容 量均大于每克干树脂15 mgGSH。当进一步做解吸 研究时,各种树脂的解吸得率如表4所示,离子交换 树脂的解吸得率要比大孔吸附树脂的解吸得率高, 这可能是在pH4。0时谷胱甘肽带正电,呈阳离子状 表4各种树脂的饱和操作吸附容量及解吸得率 Table 4 Total operation exchange capacity and ratio of desorpfion of resins 抽提条件:鲜酵母的质量与去离子水体积的比例为 1:12;抽提温度9O℃;搅拌转速:350 r/min;当抽提 液温度达到9O℃就停止抽提,同时在抽提时加以氮 气保护防止GSH的部分氧化,热水抽提放大实验 GSH的平均收率为90.7%。抽提液经过离心除去 菌泥,再经截流相对分子质量为1O 的超滤膜过滤, 除去大量杂蛋白,便于后续GSH的精制分离。通过 对分离介质的饱和操作吸附容量及解吸得率研究, 确定选用强酸性阳离子交换树脂D061作为介质来 分离谷胱甘肽。 参考文献: [1]Meister A,Anderson M E 1983.52:711-760. 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