綠色添加劑溶菌酶及其應(yīng)用 | | | 摘 要 溶菌酶廣泛分布于動物、植物和微生物中,在雞蛋清中含量較高。具有抗菌消炎、抗病毒、增強免疫力、促進雙歧桿菌增殖等作用。溶菌酶能有效地水解細菌細胞壁的肽聚糖,使細胞壁變得松弛,細胞溶解死亡。溶菌酶在酸性條件較穩(wěn)定,可與一些物質(zhì)形成絡(luò)合物導(dǎo)致其活性喪失。溶菌酶在食品防腐、在醫(yī)學(xué)、畜牧和生物工程等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 溶菌酶;作用;機理;影響因素;應(yīng)用
溶菌酶(Lysozyme,EC3.2.1.17)又稱細胞壁質(zhì)酶(Murami dase)或N-乙酰胞壁質(zhì)聚糖水解酶(N-Acetyl muramide Glycanohydralase)。1922年英國細菌學(xué)家A. Fleming發(fā)現(xiàn)人的唾液、眼淚中存在有溶解細菌細胞壁的酶,因其具有溶菌作用,故命名為溶菌酶。此后在人和動物的多種組織、分泌液及某些植物、微生物中也發(fā)現(xiàn)了溶菌酶的存在。隨著研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)不僅有溶解細菌細胞壁的溶菌酶,還有作用于真菌細胞壁的種類,同時對其作用機制也有了更進一步的了解。近幾年,人們根據(jù)溶菌酶的溶菌特性,將其應(yīng)用于醫(yī)療、食品防腐、畜牧及生物工程中,具有一定的應(yīng)用價值。
1 溶菌酶的種類
溶菌酶按其所作用的微生物不同分兩大類,即細菌細胞壁溶菌酶和真菌細胞壁溶菌酶。細菌細胞壁溶菌酶有兩種,一種是作用于β-1,4糖苷鍵的細胞壁溶解酶,另一種是作用于肽“尾”和酰胺部分的細胞壁溶解酶。真菌細胞壁溶菌酶包括酵母菌細胞壁溶解酶和霉菌細胞壁溶解酶。
溶菌酶廣泛地分布于自然界中,在人的組織及分泌物中可以找到,動物組織中也有,以雞蛋清中含量最多。其它植物組織及微生物細胞中也存在。根據(jù)來源不同,其性質(zhì)及作用機制略有差異。
1.1 雞蛋清溶菌酶
雞蛋清溶菌酶占蛋清總蛋白的3.4%~3.5%,作為溶菌酶類的典型代表,是目前重點研究的對象,也是了解最清楚的溶菌酶之一。它由18種129個氨基酸殘基組成,具有4個S-S鍵,分子量為14 000,等電點為11.1,最適溫度為50℃,最適pH值為6~7,其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,在pH1.2~11.3范圍內(nèi)劇烈變化時,結(jié)構(gòu)仍穩(wěn)定不變。遇熱也很穩(wěn)定,在pH4~7、100℃處理1min不失活,是一種穩(wěn)定的堿性蛋白質(zhì),但在堿性條件下對熱穩(wěn)定性較差。
其它鳥類如鵪鶉、珍珠雞、火雞等的蛋清中也分離純化出溶菌酶,與雞蛋清溶菌酶活性非常相似,也由129個氨基酸組成,雖排列順序有所不同,但活性部位的氨基酸排列則大體相同。
1.2 人及哺乳動物溶菌酶
人溶菌酶存在于眼淚、唾液、鼻粘液、乳汁等分泌液以及淋巴腺、白血球、肝、腎、淋巴組織中,1ml眼淚中含7mg溶菌酶,1ml乳汁中含0.1~0.5mg。人溶菌酶由130個氨基酸殘基組成,有4個S-S鍵,分子量為14 600,其溶菌活性比雞蛋清溶菌酶高3倍。
對于哺乳動物溶菌酶,目前已從牛、豬、貓、兔、猴、馬、羊等動物的乳汁中分離出溶菌酶,其化學(xué)性質(zhì)與人溶菌酶相似,但結(jié)構(gòu)尚不清楚,其溶菌活性也遠低于人溶菌酶約3 000倍。曾林(1999)采用瓊脂平板法測定家兔初乳溶菌酶含量。結(jié)果表明:初乳溶菌酶含量為(7.96±2.01)μg/ml,常乳溶菌酶含量(5.01±1.32)μg/ml。人及哺乳動物溶菌酶的作用機制與雞蛋清溶菌酶相同。
1.3 植物溶菌酶
目前已從木瓜、無花果、蕪菁、大麥等植物中分離出溶菌酶,其分子量較大,約為24 000~29 100。植物溶菌酶對溶壁小球菌的溶菌活性不超過雞蛋清溶菌酶的1/3,但對膠體狀甲殼質(zhì)的分解活性則是雞蛋清溶菌酶的10倍。周澤文(1994)從菜心分離溶菌酶表明,酶比活力達3 414. 6U/mg,純化倍數(shù)為197.4。菜心溶菌酶在較寬的溫度和pH植范圍內(nèi)均有活性,最適溫度為60℃,最適pH值為5.8。高向陽(1997)研究了蘿卜溶菌酶對白色葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、枯草桿3種革蘭氏陽性菌和變形菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏桿菌、多殺巴斯德氏桿菌、雛白痢沙門氏菌、產(chǎn)氣桿菌6種革蘭氏陰性菌及釀酒酵母、總狀毛霉、黑根霉、黑曲霉、青霉5種真菌的抑菌效果。同時還研究了蘿卜溶菌酶對白菜軟腐病菌、柑橘潰瘍病菌、番茄青枯病菌、水稻細條病菌、水稻白葉枯病菌及煙草青枯病菌6種植物病原細菌的抑菌效果。試驗證明:蘿卜溶菌酶對上述參試的菌種都有不同程度的抑菌作用。
1.4 微生物產(chǎn)生的溶菌酶
目前微生物產(chǎn)生的溶菌酶分為7類:①內(nèi)N-乙酰已糖胺酶,此酶同于雞蛋清溶菌酶,破壞細菌細胞壁肽聚糖中的β-1,4糖苷鍵;②酰胺酶,切斷細菌細胞壁肽聚糖中NAM與肽“尾”之間的N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸鍵;③內(nèi)肽酶,使肽“尾”及肽“橋”內(nèi)的肽鍵斷裂;④β-1,3、β-1,6葡聚糖酶和甘露聚糖酶,此酶分解酵母細胞的細胞壁;⑤殼多糖酶,與葡聚糖酶共同作用,可分解霉菌和酵母;⑥磷酸甘露糖酶,與葡甘露糖酶共同作用,可分解原生質(zhì);⑦脫乙酰殼多糖酶,主要分解毛霉和根霉。
1.5 噬菌體產(chǎn)生的溶菌酶
該酶是一種特異性的酶,由噬菌體感染、誘導(dǎo)產(chǎn)生,但未被感染的宿主細胞上不存在該酶。
2 溶菌酶的作用
2.1 抗菌消炎
溶菌酶是一種能水解粘多糖的堿性水解酶,此類粘多糖是細菌細胞壁的主要成分之一,該酶能催化水解細胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之間的β-1,4糖苷鍵,使細胞壁不溶性多糖分解成可溶性糖肽,細菌內(nèi)容物逸出而使細胞壁溶解。溶菌酶能直接水解革蘭氏陽性菌,在分泌型免疫球蛋白A、補體的參與下,還能水解革蘭氏陰性菌如大腸桿菌等。此外,它還可與各種誘發(fā)炎癥的酸性物質(zhì)結(jié)合,使其失活,并能增強抗生素和其它藥物的療效,改善組織基質(zhì)的粘多糖代謝,從而達到消炎、修復(fù)組織的目的。
梁愛華(2001)考察在不同溫度下雞蛋清溶菌酶與β-內(nèi)酰胺類抗生素聯(lián)合應(yīng)用對大腸埃希氏菌的生長及內(nèi)毒素釋放的影響。結(jié)果:在不同的培養(yǎng)溫度下,氨芐西林或頭孢噻肟50 μg/ml均可導(dǎo)致細菌溶解,并誘導(dǎo) Escherichia coli釋放大量的內(nèi)毒素到培養(yǎng)上清液中,這些培養(yǎng)上清液在體外培養(yǎng)的巨噬細胞上可誘導(dǎo)大量的腫瘤壞死因子(TNFα)和白細胞介素6(IL-6)產(chǎn)生。而雞蛋清溶菌酶與β-內(nèi)酰胺類抗生素聯(lián)合使用能阻止細菌溶解,降低細菌內(nèi)毒素的釋放,并減少巨噬細胞TNF-和IL-6的產(chǎn)生。
2.2 抗病毒
溶菌酶能與帶負電荷的病毒蛋白直接作用,與DNA、RNA、脫輔基蛋白形成復(fù)鹽,使病毒失活。該酶也可以預(yù)防和治療病毒性肝炎,尤其對輸血后肝炎及急性肝炎的效果較為顯著。在機體內(nèi)它還有抗流感病毒的活性,其與膽酸鹽的復(fù)合物能強烈抑制流感病毒和腺病毒的生長,并能防止皰疹性病毒感染。
2.3 增強免疫力
溶菌酶作為機體非特異免疫因子之一,參與機體多種免疫反應(yīng),在機體正常防御功能和非特異免疫中,具有保持機體生理平衡的重要作用??筛纳坪驮鰪娋奘燃毎淌珊拖δ埽せ畎准毎淌晒δ?,并能改善細胞抑制劑所導(dǎo)致的白細胞減少,從而增強機體的抵抗力。
2.4 其它方面的藥理作用
溶菌酶還具有激活血小板的功能,可以改善組織局部血液循環(huán)障礙,分泌膿液,增強局部防衛(wèi)功能,從而體現(xiàn)其止血、消腫等作用。它還可以作為一種宿主抵抗因子,對組織局部起保護作用。
2.5 促進雙歧乳酸桿菌增殖
溶菌酶在嬰兒體內(nèi)可以直接或間接促進嬰兒腸道細菌雙歧乳酸桿菌的增殖,促進嬰兒消化吸收,可以促進人工喂養(yǎng)嬰兒腸道細菌的正?;荒軌蚣訌娧鍦缇鞍祝≒roperdin),γ-球蛋白(γ-globulin)等體內(nèi)防御因子對感染的抵抗力,特別對早產(chǎn)嬰兒有防御體重減輕、預(yù)防消化器官疾病、增進體重等功效。
3 抗菌機理
細菌的細胞壁由胞壁質(zhì)組成,胞壁質(zhì)是由N-乙酰氨基葡萄糖(N-acetylglucosamine)及N-乙酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid)交替組成的多聚物,胞壁酸殘基上可以連接多肽,稱為肽聚糖(Peptidoglycan)。肽聚糖是細菌細胞壁的主要成分,它是由NAM、NAG和肽“尾”(一般是4個氨基酸)組成,NAM與NAG通過β-1,4糖苷鍵相連,肽“尾”則是通過D-乳酰羧基連在NAM的第3位碳原子上,肽尾之間通過肽“橋”(肽鍵或少數(shù)幾個氨基酸)連接,NAM、NAG、肽“尾”與肽“橋”共同組成了肽聚糖的多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),作為細胞壁的骨架,上述結(jié)構(gòu)中的任何化學(xué)鍵斷裂,皆能導(dǎo)致細菌細胞壁的損傷。溶菌酶能有效地水解細菌細胞壁的肽聚糖,其水解位點是N-乙酰胞壁酸(NAM)的1位碳原子和N-乙酰葡萄糖胺(NAG)的4位碳原子間的β-1,4糖苷鍵,結(jié)果使細菌細胞壁變得松弛,失去對細胞的保護作用,最后細胞溶解死亡。
對于G+細菌與G-細菌,其細胞壁中肽聚糖含量不同,G+細菌細胞壁幾乎全部由肽聚糖組成,而G-細菌只有內(nèi)壁層為肽聚糖,因此,溶菌酶只能破壞G+細菌的細胞壁,而對G-細菌作用不大。
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4 影響溶菌酶活性的因素
4.1 溫度對溶菌酶活性的影響
Weaver等發(fā)現(xiàn)在60℃以上牛乳中的溶菌酶活性下降。Hayase等發(fā)現(xiàn)溶菌酶通過二硫鍵聚合,180℃時聚合和降解同時進行,當(dāng)>200℃時肽鍵的斷裂和重組發(fā)生,聚合和降解變得更為劇烈。Genentech和Genencor兩公司用遺傳工程的方法生產(chǎn)出一種改性T4溶菌酶,此酶中有一個新的二硫鍵,這個鍵通過穩(wěn)定酶的四級結(jié)構(gòu)而增加了溶菌酶的熱力學(xué)穩(wěn)定性,使其在食品防腐方面更為有效。
Frasco等用紅外光譜研究了溶菌酶的熱變性機理,發(fā)現(xiàn)它是和水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。其它外側(cè)非極性氨基酸殘基對變性無重要影響,從外側(cè)極性氨基酸游離出的水在其始變性過程中起重要作用,水進入內(nèi)部肽-肽鍵中,使蛋白質(zhì)膨脹和伸展。研究者們假定變性通過減少蛋白質(zhì)結(jié)晶化、增加整個表面積和可利用的極性水合位促進水變構(gòu),這使肽-肽鍵向肽-水鍵轉(zhuǎn)化,引起進一步的蛋白膨脹和伸展,當(dāng)水加入體系時,其它水形成分子單層直至達到新加入的水不再影響蛋白電荷的層數(shù)為止。
4.2 pH對溶菌酶活性的影響
溶菌酶在酸性pH下是穩(wěn)定的,此時100℃的加熱對溶菌酶僅有很小的活性損失,Matsuoka等報道pH4.5(100℃、3min)、pH5.29(100℃,30min)的加熱溶菌酶是穩(wěn)定的。Beychok等報道溶菌酶在pH5.5最為穩(wěn)定,Cunningham等,Gorini等均發(fā)現(xiàn)溶菌酶在酸性時穩(wěn)定,在堿性時不穩(wěn)定的試驗結(jié)果。
4.3 化學(xué)物質(zhì)對溶菌酶的影響
Back等研究表明糖和聚烯烴類能增加溶菌酶的熱穩(wěn)定牲,Hidaka等發(fā)現(xiàn)NaCl對溶菌酶也有抗熱變性作用,同時Kravchenko等發(fā)現(xiàn)鹽溶液的存在對溶菌酶的活性是十分必要的, Chang的研究也發(fā)現(xiàn)溶菌酶的活性在低鹽濃度時和離子強度密切相關(guān)的, 在高鹽濃度時溶菌酶的活性受到抑制, 陽離子的價態(tài)愈高則其抑制作用愈強。Yashitake等發(fā)現(xiàn)具有-COOH和-SH3OH基的多糖對溶菌酶活性有抑制作用。
4.4 加工過程對溶菌酶活性的影響
Schaich發(fā)現(xiàn)溶菌酶和過氧化甲基亞油酸鹽一起培養(yǎng),導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度的下降和增加了溶解部分的分子量,Schaich等后來發(fā)現(xiàn)是由于在溶菌酶中產(chǎn)生了游離基,而導(dǎo)致其和過氧化的甲基亞油酸作用,研究表明溶菌酶中游離基濃度隨水活性的上升而下降,其原因可能是因為基團的重構(gòu)和交換。Funes等繼續(xù)進行溶菌酶和過氧化甲基亞油酸的作用研究,發(fā)現(xiàn)鐵在一個冷凍干燥的模擬體系中溶菌酶在空氣中和過氧化甲基亞油酸作用,有聚合、生物活性損失和其它化學(xué)變化。Kanner等發(fā)現(xiàn)溶菌酶和過氧亞油酸的反應(yīng)生成了二聚和高聚體;多聚是因為隨水活性增加共價鍵交聯(lián)度、蛋白質(zhì)不溶性和酶活性損失增加引起的。
Fujimaki等研究了在150~300℃焙烤對溶菌酶和酪蛋白的作用,溶菌酶被作為一個純蛋白質(zhì)樣品在250℃幾乎所有溶菌酶的氨基酸被分解,色氨酸、含硫氨基酸,堿性氨基酸和β-OH氨基酸較酸性氨基酸,脯氨酸,芳香族氨基酸(除色氣酸外)、有烷側(cè)鏈的氨基酸容易分解。
4.5 絡(luò)合作用對溶菌酶活性的影響
溶菌酶可和許多物質(zhì)形成絡(luò)合物導(dǎo)致其活性喪失。Fleming等(1924)報道了等量蛋清和蛋黃的混合物其溶菌酶無活性,Hartsell報道脫水整蛋僅保留部分溶菌酶活性,Cunningoham等研究表明蛋黃在pH6.2磷酸鹽緩沖液中使純?nèi)芫甘Щ?,他們觀察發(fā)現(xiàn)蛋黃污染蛋清僅有兩個離子交換色譜峰,而不是無污染的3個峰。Parkinson報道了整蛋的色譜分離時無溶菌酶。研究者認為抑制機理是在溶菌酶和蛋黃化合物間形成靜電相互作用的絡(luò)合物所致。N-乙酰葡萄糖胺的β(1-4)鍵多聚物是溶菌酶的底物,它們間形成一聚、二聚、三聚、四聚體,是溶菌酶的抑制劑。Imoto分析了SDS和溶菌酶的相互作用,NMR、熒光和UV譜表明在沒有引起酶分子整個構(gòu)象變化的情況下它們之間形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。XRD分析表明SDS結(jié)合到活性位上強烈抑制了溶菌酶活性,除此之外其它和溶菌酶形成絡(luò)合物的物質(zhì)有:胸腺泡核、酵母泡核、甲狀腺素、甲狀腺球蛋白、α-La、咪唑核吲哚衍生物。陽離子如Co2+、Mg2+、Hg2+、Cu2+等均可抑制溶菌酶的活性(10-3~10-2mol/l)。
5 溶菌酶的應(yīng)用
5.1 溶菌酶在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
溶菌酶作為一種存在于人體正常體液及組織中的非特異性免疫因素,具有多種藥理作用,它具有抗菌、抗病毒、抗腫瘤的功效。溶菌酶首先適用于五官科各種炎癥。研究表明它對眼、耳、喉、口腔等的急、慢性炎癥均有一定療效。溶菌酶也可用于扁平疣、傳染性軟疣、尖銳濕疣、帶狀皰疹等多種皮膚病。另外,人體溶菌酶濃度還可以作為多種疾病的診斷指標(biāo)。目前日本已生產(chǎn)出醫(yī)用溶菌酶,其適應(yīng)癥為出血、血尿、血痰和鼻炎等。
5.2 溶菌酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用
溶菌酶是一種無毒、無副作用的蛋白質(zhì),又具有一定的溶菌作用,因此可用作食品防腐劑。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品、肉食品、蛋糕、清酒、料酒及飲料中的防腐;日本用15mg/kg溶菌酶用于低度酒的防腐,還可以添入乳粉中,使牛乳人乳化,以抑制腸道中腐敗微生物的生存,同時直接或間接地促進腸道中雙歧桿菌的增殖。溶菌酶殺菌防腐,由于不經(jīng)過加熱,屬于冷殺菌,因而避免了高溫殺菌對食品風(fēng)味的破壞作用,尤其對熱敏感的物質(zhì)更具有重要意義。此外,溶菌酶對人體安全、無毒、無害,且具有一定的保健作用。
5.3 溶菌酶在畜牧上的應(yīng)用
邵春榮(1996)在肉仔雞中添加4mg/kg、8mg/kg、16mg/kg和100mg/kg溶菌酶,結(jié)果表明在肉仔雞飼料中添加10mg/kg溶菌酶(相當(dāng)于15 000單位),可降低飼料消耗,提高日增重。在仔豬(7~60日齡)中添加15mg/kg溶菌酶,日增重提高4.96%,腹瀉率降低22%。
5.4 溶菌酶在酵母法生產(chǎn)蛋白的作用
酵母法生產(chǎn)蛋白的一個主要問題是蛋白處于酵母細胞壁的包圍之中,故蛋白質(zhì)的自身利用率低,Knorr等研究了溶菌酶處理酵母菌后在培養(yǎng)過程中的氮和蛋白質(zhì)的釋放量增加,提高了酵母蛋白質(zhì)的利用率。
5.5 溶菌酶在生物工程的應(yīng)用
溶菌酶具有破壞細菌細胞壁結(jié)構(gòu)的功能,以此酶處理G+細菌得到原生質(zhì)體,因此,溶菌酶是基因工程、細胞工程中細胞融合操作必不可少的工具酶。
6 前景
目前實際應(yīng)用的也已商品化的是雞蛋清溶菌酶。采用蛋廠雞蛋殼中殘留的蛋清為原料生產(chǎn)溶菌酶為白色、無臭結(jié)晶粉末,味甜。近年來,人們正研究用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)溶菌酶,同時還采用酶修飾法先后合成了溶菌酶-環(huán)糊精和溶菌酶-半乳甘露聚糖,經(jīng)過修飾后的溶菌酶不僅抗菌活性穩(wěn)定,而且具有良好的乳化性能。此外,由于溶菌酶抗菌譜較窄,只對G+細菌起作用,為了加強其溶菌作用,人們常與甘氨酸、植酸、聚合磷酸鹽等物質(zhì)配合使用,以增強對G-細菌的溶菌作用。
溶菌酶的研究和應(yīng)用尚處于起步階段,開發(fā)新的溶菌酶資源,降低生產(chǎn)成本,才能促使溶菌酶在實踐中的應(yīng)用。可喜的是,酶工程的發(fā)展進步,使人類可以合成酶,開發(fā)合成殺菌譜廣、成本低、安全性高的溶菌酶??梢灶A(yù)見,溶菌酶在21世紀將發(fā)揮越來越大的作用。 |
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