芽孢杆菌35家族β-半乳糖苷酶的性质及其在合成低聚半乳糖中的应用

王建宇, 李婷, 李敬, 江正强, 闫巧娟

【作者机构】 中国农业大学工学院/中国轻工业食品生物工程重点实验室; 中国农业大学食品科学与营养工程学院
【分 类 号】 TS201.2
【基    金】 国家自然科学基金资助项目(32172159)。
全文 文内图表 参考文献 出版信息
芽孢杆菌35家族β-半乳糖苷酶的性质及其在合成低聚半乳糖中的应用

芽孢杆菌35家族β-半乳糖苷酶的性质及其在合成低聚半乳糖中的应用

王建宇1, 李 婷1, 李 敬2, 江正强2, 闫巧娟1,*

(1.中国农业大学 工学院/中国轻工业食品生物工程重点实验室, 北京 100083;2.中国农业大学 食品科学与营养工程学院, 北京 100083)

摘 要:低聚半乳糖是一种重要的益生元,芽孢杆菌(Bacillales sp.)来源的β-半乳糖苷酶具有转半乳糖苷活性,能合成低聚半乳糖。研究了一个新的芽孢杆菌来源的β-半乳糖苷酶的表达、酶学性质及其在合成低聚半乳糖中的应用。从芽孢杆菌中克隆了一个糖苷水解酶35家族的β-半乳糖苷酶基因(BABgal35A),并在大肠杆菌BL21(DE3)中表达。多重序列比对结果表明:BABgal35A与环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)来源的β-半乳糖苷酶同源性最高,为79.9%,是一个新型的β-半乳糖苷酶(命名为BABgal35A)。粗酶液经Ni-IDA亲和层析纯化得到电泳级纯酶,蛋白电泳分析表明其分子质量为60 kDa左右,最适pH值和温度分别为5.0和55 ℃,并且该酶在pH 值为4.5~8.0,温度为20~45 ℃时稳定性好。BABgal35A对oNP-β-galactopyranoside具有较高的催化活性。该酶以乳糖为底物合成低聚半乳糖的产率达34%。研究结果表明,芽孢杆菌35家族β-半乳糖苷酶在低聚半乳糖的制备中具有潜在的应用价值。

关键词:芽孢杆菌; β-半乳糖苷酶; 功能性低聚糖; 酶学性质; 低聚半乳糖

低聚半乳糖(galactooligosaccharides,GOS)为乳糖的非还原端半乳糖上连接不同数量(2~8个)的半乳糖,是一种功能性低聚糖,常作为健康食品原料广泛应用于食品等行业,多年来备受关注[1-2]。GOS除具有益生活性外,还有预防蛀牙和调节脂质代谢等功效[1,3]。GOS的安全性已得到广泛认可,如美国已将其作为公认安全的食品原料,我国也批准其为营养增强剂和新食品原料。GOS与人乳中的人乳寡糖在结构与功能上具有一定的相似性,可被人体内的肠道微生物特异性利用,已批准用于婴幼儿配方奶粉中[4]

酶法合成GOS是目前研究最多的GOS合成方法,也是工业化生产GOS的方法[4]。β-半乳糖苷酶(EC3.2.1.23)是一种糖苷水解酶,既可以催化糖类化合物中非还原端β-半乳糖残基的水解,也能够以高浓度乳糖作为底物,通过转糖苷作用合成GOS。β-半乳糖苷酶合成GOS的过程为,β-半乳糖苷酶首先水解乳糖,然后利用其转糖基活性将半乳糖转移至不同的糖基受体上,从而形成GOS[1,5]。β-半乳糖苷酶广泛存在于动物、植物以及微生物中。微生物具有来源广、繁殖速度快以及生长周期短等优点,是β-半乳糖苷酶的主要来源[6]。工业化生产GOS所用的β-半乳糖苷酶多数来源于乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)、米曲霉(Aspergillus oryzae)以及环状芽孢杆菌等[1],但是大多数仍存在GOS产率低的问题[7]。因此,发掘酶学性质优良且转糖苷活性高的β-半乳糖苷酶至关重要。

芽孢杆菌来源的β-半乳糖苷酶性质优良,但是多数研究集中于β-半乳糖苷酶的水解活性[8-12]。另外,芽孢杆菌β-半乳糖苷酶也具有较好的GOS合成能力,如已有报道,芽孢杆菌[13]和巴伦葛兹类芽孢杆菌(Paenibacillus barengoltzii)[14]β-半乳糖苷酶均能够合成GOS,产率分别为36%和47.9%,其中,多数GH35家族β-半乳糖苷酶合成GOS的产率较高,可达40%[15-17]。然而,迄今利用芽孢杆菌β-半乳糖苷酶合成GOS的报道仍旧较少,不足以满足工业化大量和高效生产GOS的需求。因此,从芽孢杆菌中发掘高效合成GOS的新型β-半乳糖苷酶可以为工业化生产GOS提供更多的选择。

本研究拟从芽孢杆菌基因组中发掘新的糖苷水解酶35家族β-半乳糖苷酶基因。将该基因在大肠杆菌中表达,研究重组酶的酶学性质,并利用该酶制备GOS,以期为GOS的酶法合成提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大肠杆菌DH5α和大肠杆菌 BL21 (DE3),北京博迈德生物技术公司;限制性内切酶和T4 DNA连接酶,美国NEB公司;TransStart Fastpfu DNA 聚合酶和ExTaq DNA聚合酶,北京全式金生物技术有限公司;人工合成糖苷[oNP-β-galactopyranoside(β-oNPGal)、pNP-β-galactopyranoside(β-pNPGal)、pNP-β-fucopyranoside(pNP-Fuc)、pNP-β-glucopyranoside(β-pNPGlu)、pNP-β-mannopyranoside(β-pNPMan)、pNP-β-xylopyranoside(β-pNPXyl)、pNP-β-N-acetylglucosaminide(β-pNPGlcNAc)、pNP-α-galactopyranoside(α-pNPGal)和pNP-α-glucopyranoside(α-pNPGlu)],美国Sigma公司;标准品(乳糖、葡萄糖和半乳糖),上海源叶生物科技有限公司。其他试剂如无特殊说明均为分析纯。

1.2 仪器与设备

MyCycler型PCR自动扩增仪和Power Pac BasicTM型电泳仪,美国Bio-Rad公司;TU-1800PC型紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;JY92-Ⅱ型超声波细胞粉碎机,宁波新芝科技股份有限公司;KTA型蛋白纯化系统,美国GE公司;1260 Infinity型高效液相色谱仪,美国Agilent公司。

1.3 实验方法

1.3.1 β-半乳糖苷酶基因的克隆与表达

芽孢杆菌来源的β-半乳糖苷酶基因(BABgal35A)序列从NCBI (https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/)上获得,由上海擎科生物科技有限公司合成。根据序列信息设计BABgal35A上游引物(5′-GAATTCATGTTAACGTTTAATGAAAAAT CATTTTT-3′)和下游引物(5′-GCGGCCGCTTATCCTAAAACGGGCGTATCAA-3′)。上下游引物分别包含Nde Ⅰ和BamH Ⅰ酶切位点(下划线表示),以合成的BABgal35A基因为模板进行PCR扩增。PCR反应条件为:94 ℃,5 min;94 ℃,30 s;54 ℃,30 s;72 ℃,1 min;34个循环;72 ℃,5 min。凝胶回收的PCR产物和pET-28a(+)载体(Invitrogen公司)用Nde Ⅰ和BamH Ⅰ双酶切,构建重组质粒并转入大肠杆菌DH5α中,筛选阳性克隆转化子和提取重组质粒pET-28a-BABgal35A。将重组质粒转化至大肠杆菌BL21 (DE3)中,于37 ℃培养 12 h。 挑取单菌落接种至15 mL含50 μg/mL卡那霉素的LB培养基中,37 ℃、200 r/min培养12 h作为种子液。种子液按体积分数为1%的接种量接种至300 mL含50 μg/mL卡那霉素的LB培养基中,培养菌体密度OD600达0.6~0.8后,加入终浓度为1 mmol/L的IPTG,在20 ℃、200 r/min条件下诱导培养12 h。

1.3.2 β-半乳糖甘酶的纯化

发酵液经10 000 r/min离心3 min,收集菌体细胞并用缓冲液A(20 mmol/L Tris-HCl,500 mmol/L NaCl,20 mmol/L咪唑,pH值为8.0)悬浮细胞。悬浮液超声破壁后,10 000 r/min离心10 min,收集上清液即为粗酶液。粗酶液上样到预先用缓冲液A平衡的Ni-IDA(1 cm×10 cm)上,在蛋白纯化系统上用缓冲液A和缓冲液B(20 mmol/L Tris-HCl,500 mmol/L NaCl,200 mmol/L咪唑,pH值为8.0)以-1 mL/min的流速对目标蛋白进行 20~200 mmol/L梯度咪唑的线性洗脱。收集具有β-半乳糖苷酶活性的洗脱液,在磷酸盐缓冲液(20 mmol/L,pH值为8.0)中透析过夜,采用 SDS-PAGE 法分析蛋白纯度。将该蛋白重组酶命名为BABgal35A。

1.3.3 BABgal35A酶活力和蛋白含量的测定

β-半乳糖苷酶的酶活力测定以225 μL 50 mmol/L 乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)配制的5 mmol/L β-oNPGal为底物,加入25 μL稀释的酶液,55 ℃反应10 min。反应结束后,加入750 μL Na2CO3(2 mol/L)终止反应,测定OD410值。酶活力单位定义:在pH值为5.0和温度为55 ℃条件下,每分钟水解β-oNPGal产生1 μmol oNP所需酶量,为1个酶活力单位(U)。

蛋白含量参照Lowry法测定[18],以牛血清蛋白作为标准蛋白。

1.3.4 BABgal35A的酶学性质的测定

1.3.4.1 最适pH值和酸碱稳定性的测定

利用不同pH值(3.0~9.0)的缓冲液(50 mmol/L)配制5 mmol/L的β-oNPGal,所用缓冲液包括柠檬酸盐缓冲液(pH值为3.0~6.0)、乙酸盐缓冲液(pH值为4.0~6.0)、MES 缓冲液(pH值为5.5~6.5)、磷酸盐缓冲液(pH值为6.0~8.0)和Tris-HCl 缓冲液(pH值为7.0~9.0)。按照标准方法测定不同pH值下的酶活力。以最高酶活力为100%,计算各pH值下的相对酶活。酸碱稳定性的测定:用不同pH值的缓冲液将酶液稀释,在40 ℃保温30 min,立即冰水浴30 min,按照标准方法测定残余酶活,以未处理的酶液酶活力为100%,分别计算各pH值下的相对酶活。

1.3.4.2 最适温度、热稳定性以及半衰期的测定

用50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)配制5 mmol/L的β-oNPGal,测定不同温度(20~75 ℃)下的酶活力。以最高酶活为100%,分别计算各温度下的相对酶活。热稳定性的测定:用50 mmol/L 乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)稀释酶液并置于不同温度(20~55 ℃)下保温30 min,立即冰水浴30 min,按照标准方法测定残余酶活;以未处理的酶液酶活力为100%,分别计算不同温度下的相对酶活力。半衰期的测定:用50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)稀释酶液,分别在40、45、50 ℃下保温,在不同时间点取样后立即冰水浴30 min,在最适条件(55 ℃,pH值为5.0)下测定残余酶活;以未处理酶液的酶活力为100%,分别计算各温度处理后的相对酶活,酶活降低至50%所需的时间即为半衰期。

1.3.5 BABgal35A的底物特异性与动力学参数的测定

1.3.5.1 底物特异性的测定

分别以人工合成糖苷(β-oNPGal、β-pNPGal、pNP-Fuc、β-pNPGlu、β-pNPMan、β-pNPXyl、β-pNPGlcNAc、α-pNPGal和α-pNPGlu)和乳糖为底物测定BABgal35A的底物特异性。人工合成糖苷的酶活按照标准方法测定。乳糖的测定参照葡萄糖氧化酶法,即用50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)配制质量浓度为50 g/L的乳糖并加入稀释的酶液,55 ℃反应10 min,葡萄糖的含量利用葡萄糖氧化酶试剂盒测定。酶活力单位定义:每分钟水解人工合成糖苷或乳糖产生1 μmol oNP/pNP或葡萄糖所需酶量为1个酶活力单位(U)。以β-oNPGal为底物时的酶活力为100%,计算不同底物下酶活力的相对值。

1.3.5.2 动力学参数的测定

用50 mmol/L pH值5.0 的乙酸盐缓冲液配制底物浓度为 0.4~4.0 mmol/L 的β-oNPGal,按照标准方法于55 ℃ 反应5 min后测定其酶活力,通过GraFit软件计算出米氏常数Km和最大反应速度Vmax

1.3.6 BABgal35A合成低聚半乳糖条件的优化

在50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)体系下,以乳糖为底物,研究底物浓度、加酶量、反应温度和时间4个因素对BABgal35A合成GOS能力的影响。选择质量浓度为300~500 g/L的乳糖,加入 2 U/mL 的酶液,35 ℃反应12 h后,沸水浴5 min。确定最适乳糖浓度后,其他条件不变,优化BABgal35A合成GOS的加酶量(1~10 U/mL)。反应温度的优化是在最优乳糖浓度和最适加酶量的条件下进行的,在不同温度(25~45 ℃)下反应12 h。利用 50 mmol/L 乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)配制质量浓度为400 g/L的乳糖溶液,加入5 U/mL的BABgal35A,40 ℃反应24 h,分别在不同时间点取样,根据式(1)计算GOS产率。采用高效液相色谱法分析样品,检测条件参照文献[14]。

GOS产率 =(M-m)/M×100%。

(1)

式(1)中,M,初始乳糖质量浓度,g/L;m,不同时间点样品的乳糖、葡萄糖以及半乳糖的质量浓度之和,g/L。

1.4 数据处理

采用Origin 8.5进行数据统计和图片处理,所有实验均重复3次。

2 结果与讨论

2.1 BABgal35A的克隆与序列分析

芽孢杆菌来源的BABgal35A全长为1 740 bp,编码579个氨基酸。利用ExPASy ProtParam tool预测其分子质量和等电点,分别为66.6 kDa和4.99。NCBI-BLAST分析表明(图1),BABgal35A与环状芽孢杆菌来源的GH35家族β-半乳糖苷酶(Genbank no. 4MAD_A)[19]同源性最高,为 79.9%。其次,与候选菌门BRC1细菌HGW-BRC1-1(candidate division BRC1 bacterium HGW-BRC1-1, Genbank no. PKO20086.1)[20]、厚壁菌门细菌(Firmicutes bacterium, Genbank no. HHV43508.1)[21]以及梭菌目细菌(Clostridiales bacterium, Genbank no. HBG75975.1)[22]来源的β-半乳糖苷酶的同源性分别为56.3%、56.0%和55.4%。因此,BABgal35A可能是一个新型的GH35家族β-半乳糖苷酶。

多重序列比对的序列分别为BABgal35A及环状芽孢杆菌(4MAD_A)、候选菌门BRC1细菌HGW-BRC1-1(PKO20086.1)、厚壁菌门细菌(HHV43508.1)和梭菌目细菌(HBG75975.1)来源的β-半乳糖苷酶的氨基酸序列。相同的残基在红色背景上显示为白色,保守残基在白色背景上显示为红色。
图1 BABgal35A与其他β-半乳糖苷酶氨基酸序列的多重序列比对
Fig.1 Multiple alignment of amino acid sequences of BABgal35A and other β-galactosidases

2.2 BABgal35A的表达和纯化分析

BABgal35A在大肠杆菌中可溶表达。粗酶液和经过Ni-IDA纯化后的酶液组成的SDS-PAGE电泳分析结果如图2。由图2可知,纯酶的分子质量约为60 kDa,与预测的分子质量接近。BABgal35A的纯化实验结果见表1。表1显示,酶活力的回收率为88.3%,纯化倍数为5.0。

表1 BABgal35A纯化结果

Tab.1 Purification result of recombinant BABgal35A

纯化步骤总酶活力a/Um(总蛋白)b/mg比酶活/(U·mg-1)纯化倍数回收率/%粗酶液94.8207.80.51.0100.0Ni-IDA83.733.42.55.088.3

a表示酶活力的测定是在50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)中,以5 mmol/L β-oNPGal为底物,55 ℃反应10 min;b表示蛋白质含量用Lowry法测定,以牛血清蛋白(BSA)为标准。

泳道M为高分子质量标准蛋白,泳道1为粗酶液,泳道2为纯酶。
图2 BABgal35A的纯化电泳分析结果
Fig.2 SDS-PAGE analysis of purified BABgal35A

目前已报道的β-半乳糖苷酶分子质量一般在50~180 kDa,BABgal35A的分子质量约为60 kDa,与蜜源芽孢杆菌来源的β-半乳糖苷酶(57 kDa)[23]同属于低分子质量的β-半乳糖苷酶。BABgal35A的分子质量低于大多数GH 35家族的β-半乳糖苷酶,如土壤宏基因组的Bgal_144-3(65.6 kDa)和Bgal_375(112 kDa)[24],以及产黄青霉菌(Penicillium chrysogenum)31B来源的3个β-半乳糖苷酶[25](115、110、120 kDa)。

2.3 BABgal35A的酶学性质分析

BABgal35A的酶学性质研究结果见图3。BABgal35A的最适pH值为5.0[图3(a)],用不同缓冲液处理30 min后,该酶在pH值为4.5~8.0的缓冲液中仍能保持80%以上的酶活力[图3(b)]。该酶的最适温度为55 ℃[图3(c)],在20~45 ℃处理30 min,残余酶活力仍高于80%[图3(d)]。在不同温度下处理酶,测得该酶在40、45、50 ℃的半衰期分别为605、85、15 min[图3(e)]。

图3 BABgal35A的酶学性质
Fig.3 Enzymatic properties of BABgal35A

大多数微生物来源的β-半乳糖苷酶最适pH值为3.0~8.5[6],其中,芽孢杆菌来源的β-半乳糖苷酶最适pH值多数在中性范围内(6.0~8.0)[8-13]。GH 35家族的β-半乳糖苷酶最适pH值大多在酸性范围内,本研究中,BABgal35A的最适pH值为5.0[图3(a)],与土壤宏基因组[24]和产黄青霉菌31B [25] 来源GH35家族的Bgal_137和PcBGAL35B最适pH值相同,低于Bgal_144-3(pH值为6.0)和PcBGAL35C(pH值为5.5)的最适pH值。BABgal35A在pH值为4.5~8.0时,40 ℃处理30 min仍保持80%以上的酶活力[图3(b)],具有较宽的酸碱稳定范围,优于巴伦葛兹类芽孢杆菌(pH值为6.0~8.0)[14]、阿耶波多氏芽孢杆菌(pH值为5.0~7.0)[10]和米曲霉(pH值为5.0~7.5)[26]等来源的β-半乳糖苷酶。该酶最适温度为55 ℃[图3(c)],在20~45 ℃保持稳定[图3(d)]。已报道的β-半乳糖苷酶最适温度在20~105 ℃,BABgal35A的最适温度处于中等水平,比巴伦葛兹类芽孢杆菌(45 ℃)[14]来源的β-半乳糖苷酶要高,低于芽孢杆菌(60 ℃)[13]来源的β-半乳糖苷酶。不同来源的β-半乳糖苷酶的热稳定性差异较大,BABgal35A的热稳定性范围比米曲霉(<40 ℃)[26]和乳酸克鲁维酵母(<40 ℃)[27]来源的β-半乳糖苷酶宽,与巴伦葛兹类芽孢杆菌(<45 ℃)[14]来源的β-半乳糖苷酶相近。而蜜源芽孢杆菌[23]来源的β-半乳糖苷酶热稳定性更好,在70 ℃以下保持稳定。

BABgal35A的底物特异性分析结果见表2。在最适条件下,该酶对β-oNPGal的水解活性最高(100%),其余依次为β-pNPGal、pNP-Fuc和乳糖,对其他底物没有水解活性。BABgal35A对β-oNPGal的KmVmax值分别为1.14 mmol/L和21.53 μmol/(min·mg)。BABgal35A对3种人工底物具有水解活性,同时具有β-半乳糖苷酶和岩藻糖苷酶活性,相较于多数β-半乳糖苷酶具有优势。如巴伦葛兹类芽孢杆菌[18]和深海交替单胞菌ML52(deep-sea Bacterium Alteromonas sp. ML52)[28]来源的β-半乳糖苷酶都只具有β-半乳糖苷酶活性而不具有岩藻糖苷酶活性。因此,BABgal35A具有广泛的底物特异性,应用前景广阔。

表2 BABgal35A的底物特异性

Tab.2 Substrate specificity of BABgal35A

底物比酶活力a/(U·mg-1)相对酶活力b/%β-oNPGal2.50±0.05100.0β-pNPGal1.17±0.0145.4pNP-Fuc0.92±0.0535.6β-pNPXylNDNDβ-pNPManNDND底物比酶活力a/(U·mg-1)相对酶活力b/%β-pNPGlcNAcNDNDα-pNPGalNDNDα-pNPGluNDND乳糖0.18±0.017.1β-pNPGluNDND

a表示酶活力的测定是在50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)中,以5 mmol/L β-oNPGal等为底物,55 ℃反应10 min;b表示以β-oNPGal为底物的BABgal35A酶活力为对照(100%);ND表示未检测到酶活力。

2.4 BABgal35A合成低聚半乳糖的优化结果

乳糖浓度、加酶量、反应温度以及时间对BABgal35A合成GOS产率的影响,实验结果如图4。当乳糖质量浓度为400 g/L时,GOS产率(26%)达到最高[图4(a)]。当底物质量浓度为400 g/L的乳糖时,GOS的产率随着加酶量的增加先快速增加而后出现明显下降,5 U/mL是BABgal35A合成GOS的最适加酶量[图4(b)]。温度显著影响GOS的产率,当温度从25 ℃提高到40 ℃时,GOS的产率呈上升趋势,而进一步提高温度,GOS的产率下降,因此,GOS的产率在40 ℃时达到最高,为34%[图4(c)]。在优化条件下,随着反应时间的增加,GOS产率明显增加,反应进行到12 h时达到最高,产率为34%,随着反应继续进行,GOS含量下降[图4(d)]。

图(e)表示利用50 mmol/L乙酸盐缓冲液(pH值为5.0)配制质量浓度为400 g/L的乳糖溶液,加入5 U/mL的BABgal35A,40 ℃反应12 h后,产物的HPLC。
图4 BABgal35A合成GOS的最适条件和HPLC分析结果
Fig.4 Optimal conditions for synthesis of GOS by BABgal35A and results of HPLC

目前,已有多种β-半乳糖苷酶用于GOS的合成,产率通常在12%~50%[13-14,27,29-31]。Hsu等[30]对长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)BCRC15708来源的β-半乳糖苷酶进行表达,以质量浓度为400 g/L的乳糖为底物,反应10 h后GOS产率达32.5%。Arreola等[31]利用短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)DSM 20213来源的β-半乳糖苷酶合成GOS,产率最高为33%。本研究中,β-半乳糖苷酶(BABgal35A)利用乳糖为底物合成GOS的产率达34%[图4(d)],与长短两种双歧杆菌来源的β-半乳糖苷酶合成GOS的产率相近,处于较高水平。其产率高于乳酸克鲁维酵母(12.2%)和米曲霉(26.7%)来源的β-半乳糖苷酶[27,29],而低于巴伦葛兹类芽孢杆菌(47.9%)来源的β-半乳糖苷酶[14]。因此,芽孢杆菌来源的BABgal35A是一种高效合成GOS的β-半乳糖苷酶,可以作为GOS工业化生产的选择。

3 结 论

实现了一种芽孢杆菌来源的新型β-半乳糖苷酶基因(BABgal35A)在大肠杆菌中的可溶性表达,并对其酶学性质进行了表征。BABgal35A的最适pH值为5.0,温度为55 ℃,在pH值为4.5~8.0时具有良好的酸碱稳定性。BABgal35A具有广泛的底物特异性。在最适条件下,BABgal35A合成GOS的产率达34%,处于较高水平。本研究为酶法合成GOS提供了更多选择。此外,为进一步提高BABgal35A合成GOS的产率,可以对该酶进行分子改造,例如定向进化和理性设计等。

参考文献:

[1] DEPEINT F, TZORTZIS G, VULEVIC J, et al. Prebiotic evaluation of a novel galactooligosaccharide mixture produced by the enzymatic activity of Bifidobacterium bifidum NCIMB 41171, in healthy humans: a randomized, double-blind, crossover, placebo-controlled intervention study[J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 2008, 87(3): 785-791.

[2] 孙宝国, 刘慧琳. 健康食品产业现状与食品工业转型发展[J]. 食品科学技术学报, 2023, 41(2): 1-6.

SUN B G, LIU H L. Current situation of healthy food industry and transformation and development of food industry[J]. Journal of Food Science and Technology, 2023, 41(2): 1-6.

[3] CHEN Q C, LIU M, ZHANG P Y. Fucoidan and galactooligosaccharides ameliorate high-fat diet-induced dyslipidemia in rats by modulating the gut microbiota and bile acid metabolism[J]. Nutrition, 2019, 65: 50-59.

[4] AMBROGI V, BOTTACINI F, CAO L, et al. Galacto-oligosaccharides as infant prebiotics: production, application, bioactive activities and future perspectives[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2021, 63(6): 1-14.

[5] VERA C A, CORDOVA C, ABURTO C, et al. Synthesis and purification of galacto-oligosaccharides: state of the art[J]. World Journal of Microbiology &Biotechnology, 2016, 32(12): 1-20.

[6] MOVAHEDPOUR A, AHMADI N, GHALAMFARSA F, et al. β-Galactosidase: from its source and applications to its recombinant form[J]. Biotechnology and Applied Biochemistry, 2021, 69: 612-628.

[7] VERA C, GUERREROB C, ABURTOB C. Conventional and non-conventional applications of β-galactosidases[J]. Biochimicaet Biophysica Acta (BBA)-proteins and proteomics, 2020, 1868(1): 140-271.

[8] LIU P, WU J W, LIU J, et al. Engineering of a β-galactosidase from Bacillus coagulans to relieve product inhibition and improve hydrolysis performance[J]. Journal of Dairy Science, 2022, 104(10): 10566-10575.

[9] KURIBAYASHI L M, RIBEIRO V P D, DE SANTANA R C, et al. Immobilization of β-galactosidase from Bacillus licheniformis for application in the dairy industry[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2021, 105(9): 3601-3610.

[10] LUAN S Y, DUAN X G. A novel thermal-activated β-galactosidase from Bacillus aryabhattai GEL-09 for lactose hydrolysis in milk[J]. Foods, 2022, 11(3): 372.

[11] LI N, LIU Y, WANG C Y, et al. Overexpression and characterization of a novel GH4 galactosidase with β-galactosidase activity from Bacillus velezensis SW5[J]. Journal of Dairy Science, 2021, 104(9): 9465-9477.

[12] ZHOU Z H, HE N N, HAN Q, et al. Characterization and application of a new β-galactosidase Gal42 from marine bacterium Bacillus sp. BY02[J]. Frontiers in Microbiology, 2021, 12: 742300.

[13] HAN M M, XU C X, GUAN B, et al. Enhanced thermal stability of the β-galactosidase BgaB from Bacillus circulans by cyclization mediated via SpyTag/SpyCatcher interaction and its use in galactooligosaccharides synthesis[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2022, 222: 2341-2352.

[14] LIU Y,CHEN Z, JIANG Z, et al. Biochemical characterization of a novel β-galactosidase from Paenibacillus barengoltzii suitable for lactose hydrolysis and galactooligosaccharides synthesis[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2017, 104: 1055-1063.

[15] GAO X, WU J, WU D. Rational design of the β-galactosidase from Aspergillus oryzae to improve galactooligosaccharide production[J]. Food Chemistry, 2019, 286: 362-367.

[16] 张伟, 张宇宏, 刘波, 等. 一种具有高转糖苷活性的β-半乳糖苷酶组合突变体及其制备方法和应用:CN107267486A[P]. 2017-10-20.

ZHANG W, ZHANG Y H, LIU B, et al. The invention relates to a β-galactosidase combination mutant with high transgalactosylation activity, preparation method and application thereof: CN107267486A[P]. 2017-10-20.

[17] RODRIGUEZCOLINAS B, ABREU M A D, FERNANDEZARROJO L, et al. Production of galacto-oligosaccharides by the β-galactosidase from Kluyveromyces lactis: comparative analysis of permeabilized cells versus soluble enzyme[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 59(19): 10477-10484.

[18] LOWRY O H, ROSEBROUGH N J, FARR A L, et al. Protein measurement with the folin phenol reagent[J]. Journal of Biological Chemistry, 1951, 193(1): 265-275.

[19] HENZE M, YOU D J, KAMERKE C, et al. Rational design of a glycosynthase by the crystal structure of β-galactosidase from Bacillus Crculans (bgac) and its use for the synthesis of N-acetyllactosamine type 1 glycan structures[J]. Journal of Biotechnology, 2014, 191: 78-85.

[20] HERNSDORF A W, AMANO Y, MIYAKAWA K, et al. Potential for microbial H2 and metal transformations associated with novel bacteria and archaea in deep terrestrial subsurface sediments[J]. ISME Journal, 2017, 11(8): 1915-1929.

[21] CAMPANARO S, TREU L, RODRIGUEZ-R L M, et al. New insights from the biogas microbiome by comprehensive genome-resolved metagenomics of nearly 1600 species originating from multiple anaerobic diges-ters[J]. Biotechnology for Biofuels, 2020, 13(1): 1-18.

[22] PARKS D H, CHUVOCHINA M, WAITE D W, et al. A standardized bacterial taxonomy based on genome phylogeny substantially revises the tree of life[J]. Nature Biotechnology, 2018, 36(10): 1-9.

[23] 李云, 朱少华, 管政兵, 等. 产耐热β-半乳糖苷酶蜜源芽孢杆菌的鉴定及酶学性质[J]. 食品与生物技术学报, 2019, 38(7): 49-57.

LI Y, ZHU S H, GUAN Z P, et al. Identification of thermostable β-galactosidase-producing Bacillus strain from honey and enzymatic properties[J]. Journal of Food Science and Biotechnology, 2019, 38(7): 49-57.

[24] LIU P, WANG W, ZHAO J, et al. Screening novel β-galactosidases from a sequence-based metagenome and characterization of an alkaline β-galactosidase for the enzymatic synthesis of galactooligosaccharides[J]. Protein Expression and Purification, 2019, 155: 104-111.

[25] KONDO T, NISHIMURA Y, MATSUYAMA K, et al. Characterization of three GH35 β-galactosidases, enzymes able to shave galactosyl residues linked to rhamnogalacturonan in pectin, from Penicillium chrysogenum 31B[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2020, 104(3): 1135-1148.

[26] 董自星, 贾超, 王君, 等. 米曲霉β-半乳糖苷酶系的克隆表达与酶学特性分析[J]. 食品工业科技, 2016, 37(21): 172-177.

DONG Z X, JIA C, WANG J, et al. Cloning, expression and biochemical characterization of β-galactosidases from Aspergillus oryzae[J]. Science and Technology of Food Industry, 2016, 37(21): 172-177.

[27] GONZALEA-DELGADO I, LOPEZ-MUOZ M J, MORAKES G,et al. Optimization of the synthesis of high galacto-oligosaccharides (GOS) from lactose with β-galactosidase from Kluyveromyces lactis[J]. International Dairy Journal, 2016, 61: 211-219.

[28] SUN J J, YAO C Y, WANG W, et al. Cloning, expression and characterization of a novel cold-adapted β-galactosidase from the deep-sea Bacterium Alteromonas sp. ML52[J]. Marine Drugs, 2018, 16(12): 469.

[29] CINAR K, GUNES G, GULEC H A. Enzymatic synthesis of prebiotic carbohydrates from lactose:kinetics and optimization of transgalactosylation activity of β-galactosidase from Aspergillus oryzae[J]. Journal of Food Process Engineering, 2020, 43(8): 1-12.

[30] HSU C A, LEE S L, CHOU C C. Enzymatic production of galactooligosaccharides by β-galactosidase from Bifidobacterium longum BCRC15708[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(6):2225-2230.

[31] ARREOLA S L, INTANON M, SULJIC J, et al. Two β-galactosidases from the human isolate Bifidobacterium breve DSM 20213: molecular cloning and expression, biochemical characterization and synthesis of galacto-oligosaccharides[J]. PLoS One, 2014, 9(8): e104056.

Characterization of GH Family 35 β-Galactosidase from Bacillales sp. and Its Application in Synthesis of Galactooligosaccharides

WANG Jianyu1, LI Ting1, LI Jing2, JIANG Zhengqiang2, YAN Qiaojuan1,*

(1.College of Engineering/Key Laboratory of Food Bioengineering (China National Light Industry), China Agricultural University, Beijing 100083, China;2.College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

AbstractGalactooligosaccharides are important prebiotics. β-Galactosidases from Bacillales sp. can catalyze the transfer of galactoside, which can be used for the synthesis of galactooligosaccharides. The expression, enzymatic properties and application in the synthesis of galactooligosaccharides of a novel β-galactosidase from Bacillales sp. were investigated. A glycoside hydrolase (GH) family 35 β-galactosidase gene (BABgal35A) from Bacillales sp. was cloned and expressed in E. coli BL21(DE3). The results of multiple sequence alignment showed that BABgal35A shared the highest identity of 79.9% with a β-galactosidase from Bacillus circulans, and was a novel β-galactosidase (named BABgal35A). Crude enzyme was purified through Ni-IDA affinity chromatography to obtain electrophpresis-grade pure enzyme. SDS-PAGE showed that the molecular weight of purified enzyme was about 60 kDa. The optimal pH and temperature of BABgal35A were determined to be 5.0 and 55 ℃, respectively. The enzyme was stable at pH 4.5-8.0 and temperature 20-45 ℃. BABgal35A exhibited the highest specific activity towards oNP-β-galactopyranoside. A maximum yield of 34% for galactooligosaccharides production was obtained by BABgal35A using lactose as substrate. The study showed that a GH family 35 β-galactosidase from Bacillales sp. was potentially suitable for the preparation of galactooligosaccharides.

KeywordsBacillales sp.; β-galactosidase; functional oligosaccharides; enzymatic properties; galactooligosaccharides

doi:10.12301/spxb202300002

文章编号:2095-6002(2023)06-0029-10

引用格式:王建宇, 李婷, 李敬, 等. 芽孢杆菌35家族β-半乳糖苷酶的性质及其在合成低聚半乳糖中的应用[J]. 食品科学技术学报,2023,41(6):29-38.

WANG Jianyu, LI Ting, LI Jing, et al. Characterization of GH family 35β-galactosidase from Bacillales sp. and its application in synthesis of galactooligosaccharides[J]. Journal of Food Science and Technology, 2023,41(6):29-38.

中图分类号TS245.9

文献标志码:A

收稿日期:2023-01-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(32172159)。

Foundation: National Natural Science Foundation of China (32172159).

第一作者:王建宇, 男, 博士研究生, 研究方向为食品生物技术。

*通信作者:闫巧娟, 女, 教授, 博士, 主要从事食品生物技术方面的研究。

(责任编辑:叶红波)

X