脂肪酶的概述及應用

2023年12月4日發(作者：關于愛的故事)

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脂肪酶的概述與應用

一 脂肪酶概述、

脂肪酶（Lipa，甘油酯水解酶）隸屬于羧基酯水解酶類，能夠逐步的將甘油三酯水解成甘油和脂肪酸。脂肪酶存在于含有脂肪的動、植物和微生物（如霉菌、細菌等）組織中。包括磷酸酯酶、固醇酶和羧酸酯酶。脂肪酸廣泛的應用于食品、藥品、皮革、日用化工等方面脂肪酶廣泛的存在于動植物和微生物中。植物中含脂肪酶較多的是油料作物的種子，如蓖麻籽、油菜籽，當油料種子發芽時，脂肪酶能與其他的酶協同發揮作用催化分解油脂類物質生成糖類，提供種子生根發芽所必需的養料和能量；動物體內含脂肪酶較多的是高等動物的胰臟和脂肪組織，在腸液中含有少量的脂肪酶，用于補充胰脂肪酶對脂肪消化的不足，在肉食動物的胃液中含有少量的丁酸甘油酯酶。

脂肪酶是一類具有多種催化能力的酶，可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯類的水解、醇解、酯化、轉酯化及酯類的逆向合成反應，除此之外還表現出其他一些酶的活性，如磷脂酶、溶血磷脂酶、膽固醇酯酶、酰肽水解酶活性等（Hara；Schmid）。脂肪酶不同活性的發揮依賴于反應體系的特點，如在油水界面促進酯水解，而在有機相中可以酶促合成和酯交換。

脂肪酶的性質研究主要包括最適溫度與pH、溫度與pH穩定性、底物特異性等幾個方面。迄今，已分離、純化了大量的微生物脂肪酶，并研究了其性質，它們在分子量、最適pH、最適溫度、pH和熱穩定性、等電點和其他生化性質方面存在不同（Veeraragavan等）。總體而言，微生物脂肪酶具有比動植物脂肪酶更廣的作用pH、作用溫度范圍，高穩定性和活性，對底物有特異性（Schmid等；Kazlauskas等）。

脂肪酶的催化特性在于：在油水界面上其催化活力最大，早在1958年Sarda和Desnnelv

就發現了這一現象。溶于水的酶作用于不溶于水的底物，反應是在2個彼此分離的完全不同的相的界面上進行。這是脂肪酶區別于酯酶的一個特征。酯酶（E C3.1.1.1）作用的底物是水溶性的，并且其最適底物是由短鏈脂肪酸（≤C8）形成的酯。

脂肪酶是重要的工業酶制劑品種之一，可以催化解脂、酯交換、酯合成等反應，廣泛應用于油脂加工、食品、醫藥、日化等工業。不同來源的脂肪酶具有不同的催化特點和催化活力。其中用于有機相合成的具有轉酯化或酯化功能的脂肪酶的規?；a對于酶催化合成精細化學品和手性化合物有重要意義。

脂肪酶是一種特殊的酯鍵水解酶，它可作用于甘油三酯的酯鍵，使甘油三酯降解為甘油二酯、單甘油酯、甘油和脂肪酸。

酶是一種活性蛋白質。因此，一切對蛋白質活性有影響的因素都影響酶的活性。酶與底物作用的活性，受溫度、pH值、酶液濃度、底物濃度、酶的激活劑或抑制劑等許多因素的影響。

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脂肪酶在微生物中有廣泛的分布，其產生菌主要是霉菌和細菌。已經公布的適用于甘油三酯加工的不同來源的脂肪酶有33種，其中18種來自霉菌，7種來自細菌。

脂肪酶可將甘油酯（油、脂）水解，在不同階段可釋放出脂肪酸、甘油二酯、甘油單酯及甘油。水解生成的脂肪酸，可以用標準的堿溶液滴定，以滴定值表示酶活力。

二 脂肪酶的結構解析

1、

分子結構

研究表明, 來源不同的脂肪酶 ,其氨基酸組成數目從 270 ～ 641 不等 , 其分子量為29 000～ 100 000。迄今為止 ,人們已經對多種脂肪酶進行克隆和表達 ,

并利用 X-衍射等手段和定向修飾等技術測定了酶的氨基酸組成、晶體結構 、等電點等參數, 確定了組成脂肪酶活性中心的三元組(triad)結構 。表1列出了幾種常見的脂肪酶的結構特征參數。正如下表所示, 多數酶都有變種(如 CCL(A)和CCL(B)、GCL Ⅰ和 GCL Ⅱ等),不過這些不同變種的酶具有絕大多數相同的氨基酸序列, 其氨基酸組成數目完全相同, 不同的只是個別氨基酸的差異 。一般而言, 不僅構成活性中心的三元組氨基酸種類相同 , 而且位置不變;其分子量和等電點略有不同。

2、 脂肪酶催化中心三元組

研究表明，盡管不同來源的脂肪酶有不同的氨基酸組成(殘基數目、分子量 、三維空間結構等),但由于生物的同源性和進化過程的保守性 ,其催化中心擁有相似或相同的特征區 His-X-Y-Gly-Z-Ser-W-Gly或 Y-Gly-His-Ser-W-Gly(W 、X、. .

Y、Z 指非特異性氨基酸)。如圖1所示，絕大多數脂肪酶的活性中心都由 Ser 和

His 參與組成, His、Ser與另一種氨基酸殘基(如 CCL 和 GCL的Glu、RML 和

hPL 的 Asp 等)一起構成脂肪酶催化活性中心的三元組(triad)。如圖 2 所示

3、 立體結構

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具體參數方法：

三．脂肪酶的純化與表達

? pPIC9k- mRCL 表達質粒的構建

1.以華根霉基因組DNA為模板使用PCR方法擴增RCL（華根霉脂肪酶全基因）成熟肽，擴增的基因片段純化后克隆到載體 pMD19-T

Vector 中，轉化5α及進行重組質粒的篩選，由此構建重組質粒 pMD19-mRCL 。

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2.由質粒 pMD19-mRCL切下目的基因片段，連入表達載體 pPIC9k

構建表達質粒 pPIC9k-mRCL 。

（1）質粒雙酶切

克隆的質粒 pMD19-mRCL 和酵母表達質粒 pPIC9k 分別被 AvrⅡ和Not I 雙酶切，得到pMD19-mRCL質粒雙酶切的 800bb 左右的小片段以及 pPIC9k 質粒的雙酶切線性質粒大片段，回收目的條帶。

（2）連接

載體 DNA 與目的 DNA 片段混合連接。

（3）轉化 5α 及重組質粒的篩選

重組質粒pPIC9K-mRCL的構建

? 重組蛋白在巴斯德畢赤酵母 GS115 中的初步表達

1. 巴斯德畢赤酵母感受態細胞的制備

2. 巴斯德畢赤酵母的電轉化

對質粒線性化，回收酶切產物；再與巴斯德畢赤酵母感受態細胞. .

混勻，電轉化得到含目的基因的重組巴斯德畢赤酵母

3. 重組巴斯德畢赤酵母的鑒定

可用濃度梯度進行抗性篩選

4. 巴斯德畢赤酵母表達脂肪酶

甲醇誘導重組蛋白的表達

巴斯德畢赤酵母表達系統的優點（選擇的原因）：

1.畢赤酵母是需氧酵母菌，在有氧條件下能高密度生長，因此有利于擴大生產獲得高濃度細胞，從而進行高效表達

2、通過質粒整合到畢赤酵母基因組的外源基因結構穩定，不易丟失；且外源基因能以高拷貝數整合到畢赤酵母基因組中，能夠篩選到高表達菌株

3、畢赤酵母甲醇氧化酶(alcohol oxida，AOX)基因的強啟動子特別適用于外源基因的調控表達

4、畢赤酵母自身分泌到培養基中蛋白很少，使得分 泌性的外源蛋白容易從培養基的基質中分離

5、畢赤酵母對外源蛋白產物進行N一乙酰糖基化修飾的結構為高甘露糖型，糖鏈平均為8～14個甘露糖基，更接近于高等生物，且聚糖末端不含 1，3連接的甘露糖殘基(有強的免疫原性)，因而適用于臨床應用

6、使用方便、簡單，而且成本較低

4.表達后的純化步驟：

? 對象:

重組巴斯德畢赤酵母

? 過程：

1.

搖瓶甲醇誘導培養

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2.脂肪酶的分離純化

（1）10 KD 超濾膜濃縮

將mRCL發酵液離心后棄掉沉淀，上清液用微孔濾膜過濾，微濾后的溶液用10 KD 超濾膜濃縮。濃縮酶液用緩沖液透析過夜。

（2）強陽離子交換柱層析

將透析液上樣到已用上述緩沖液預平衡的強陽離子交換柱層析（Ф1.6cm×20cm），用相同緩沖洗脫未吸附蛋白。后用NaCl濃度梯度緩沖液階段洗脫吸附蛋白，一定的洗脫速率和時間分部收集，集中脂肪酶活性組分，用緩沖液透析。

3）疏水色譜柱層析

將透析后的酶液繼續用疏水柱層析(Ф1.6 cm×20 cm)層析，用相同緩沖液洗脫除去未吸附蛋白。然后用硫酸銨濃度梯度差緩沖液階段洗脫吸附蛋白，最后用 H2O 洗脫，一定的洗脫速率和時間分部收集，集中脂肪酶活性組分，透析除鹽。

4）得到脂肪酶活性組分mRCL

四．脂肪酶的化學修飾

設計思路

脂肪酶作為一種水解酶，不僅催化水解反應而 且催化有機相中酯合成和酯交換反應。有機相酶催 化技術自 20 世紀 80 年代開創以來，已獲得了巨大 的發展，廣泛應用于食品、醫藥、化妝品等行業。 近幾年來人們為了提高酶在有機相中的溶解性及穩 定性，在酶的化學手段修飾和生物學手段修飾方面 開展了許多工作[1－6]。而化學修飾是提高和改變酶

催化性能的有效方法。Basri 等[7]用氨基酯的鹽酸鹽 對脂肪酶進行化學修飾，發現修飾酶在有機溶劑中的溶解度、熱穩定性和催化酯化反應活性都有很大 提高。Tatsuo Maruyama

等[8]用硬脂酸修飾了脂肪 酶，發現雖然水解活性下降，但酯化活性明顯提高。

從文獻來看，就化學修飾改善酶催化功能方面而言，以前主要研究了修飾酶在有機相（均相）中的穩定性、催化活性等問題，而涉及非均相界面催化的研 究甚少。表面活性劑是一類兼具親油基和親水基的兩 親物質，它能富集于界面從而顯著地改變界面性質。

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修飾原理

當水溶性的酶分子中引入長鏈烷基后，便具有了類似 于表面活性劑的兩親結構。因此與未經修飾的酶相 比，修飾后的酶疏水性增強，界面活性提高，從而有 利于在有機相或界面催化化學反應，這對于酶的實 際應用具有重要意義。本文從界面化學的角度對用 N-羥基琥珀酰亞胺活化的硬脂酸修飾的 Lipola 脂 肪酶的界面化學性質進行了研究，重點考察了修飾酶 降低表/界面張力的能力及界面催化活性。

1

實驗材料與方法

1.1 化學試劑及儀器

化學試劑：Lipola 100L，諾維信（中國）生物技術有限公司生產；N-羥基琥珀酰亞胺，為生化試劑；硬脂酸及其他試劑，為國產分析純試劑，購自中國醫藥（集團）上海化學試劑公司。

儀器：冷凍干燥儀（7934001 8917z-01，USA），紫外可見分光光度計(UVIKON，Germany)，元素分析儀（Vario EL，Germany），表面張力儀（DCA315，USA)，界面張力儀（DVT30，Germany）及 LB 成膜裝置 LB5000（KSV5000，Finland)。

1.2 硬脂酸琥珀酰亞胺酯的制備

活化后的硬脂酸易于與酶表面的氨基反應，因此先將硬脂酸活化。將硬脂酸溶入適量

N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，并加入一定比例的

N-羥基琥珀酰亞胺和二環己基碳酰亞胺。三者摩爾比為1∶2.25∶2.25[9－10]。磁力攪拌反應 8 h，反應溫度為 30 ℃。反應結束后過濾，濾液用乙醚萃取。蒸

1.3 Lipola 脂肪酶的化學修飾

在磁力攪拌下，將 Lipola 100 L 用透析袋于去離子水中透析 2 天，冷凍干燥得到白色固體酶晶體。固體酶置于 5 ℃冰箱中儲存備用。300 mg 固體酶溶于 20 mL 磷酸二氫鉀–硼砂緩沖液（pH=7.4），將 200 mg 硬脂酸琥珀酰亞胺酯溶于 5 mL DMF 后逐滴加入酶溶液。10 ℃下反應 10 h。反應完畢后，混合物在 4 000 r/min 下離心 15 min 除去未反應的酯，重復操作兩次。上清液用透析袋于去離子水中透析一周后冷凍干燥，干燥后的產物即為修飾酶。

1.4 ：修飾度的測定

由于在 Lipola 表面引入烷基，所以修飾酶中酶含量降低，而酶中含氮量固定，故修飾后總含氮量降低。測定酶修飾前后的含氮量，其差值相對含量定義為修飾度。酶的平均含氮量由元素分析儀測定。實驗測得未修飾酶的平均含氮量為 14.2%。

1.5

Lipola 脂肪酶酶活測定

水解活力采用橄欖油乳化液法測定[11－12]去乙醚得到白色固體，然后用無水乙醇反復洗滌后經真空干燥即得。

；酯化活力按 M. Basri 等的方法進行[13]。

界面水解活力的測定按如下方法進行：在 50 mL 錐形瓶中加入 10 mL 一定濃度的酶溶. .

液（濃度：

0.1～1 g/L），37 ℃ 預熱 5 min，再加入 2 mL 橄欖

油，低速磁力攪拌，橄欖油在 Lipola 的催化下在界面水解。生成的脂肪酸的量采用酸堿滴定法測定。

1.6 Lipola 脂肪酶水溶液的表/界面張力測定

Lipola 脂肪酶水溶液的表面張力采用吊片法測定張力采用滴體積法測定[15][14]。正己烷-酶水溶液體系的界面。

1.7

Lipola 脂肪酶 LB 膜的制備

選擇水–異丙醇-氯仿為鋪展劑[16－18]，三者體積比為 5∶6∶1。亞相為用超純水配制的 5% KCl 鹽溶液。用微量注射器將酶溶液鋪展于亞相表面，待溶劑揮發 30 min 后用 LB

成膜裝置壓膜，壓膜速率為 3cm/min，同時得到∏-A 曲線。

2

結果與討論

2.1 Lipola 脂肪酶的水解活性

圖 1 為溫度對 Lipola 催化橄欖油水解酶活的影響。由圖 1 知，Lipola 最適水解溫度約為 37 ℃，

雖然修飾后水解酶活有所降低，但并不改變

Lipola 的最佳水解溫度，這與文獻報道一致。相同溫度下的酶活隨修飾度的增加而下降。修飾酶中酶的質量分數下降、修飾過程中酶的活力損失等均可能是水解酶活降低的原因之一；由于硬脂酸的引

入使得 Lipola 酶活部位的空間結構發生變化也可能導致 Lipola 失活。

[8]五．脂肪酶的應用

1、酶在食品工業

酶在食品工業中具有廣泛而重要的作用, 近年來人們對脂肪酶的研究取得了很大的進展, 已引起了全世界的廣泛關注。目前,脂肪酶在非水體系中反應的研究在國外已取得突破性進展, 脂肪酶的應用已深入到食品工業中的多個領域, 國內脂肪酶在非水介質中的酶促反應亦成為近幾年的研究熱點, 并取得一些可喜的成果。當前, 由于固定化酶的方法過于復雜, 效率低、成本高, 或使用了有毒的化學試劑而不符合食品加工所必須滿足的經濟和安全的標準, 所有這些都限制了固定化脂肪酶技術在食品工業中的應用, 但隨著生物技術以及材料、化工等. .

各相關學科的發展, 相信固定化脂肪酶的工作會有新的突破。在食品中也將得到更廣泛的運用, 對促進食品工業快速發展具有重要意義

⑴ 脂肪酶在焙烤食品中的應用

隨著焙烤食品工業的快速發展, 消費者的食品安全和健康意識日益增強, 對面粉及其制品提出了愈來愈高的要求。要想生產出好的面粉, 就需要優質的原料,

而我國小麥由于品質參差不齊, 要想達到焙烤食品工業的要求, 就要在面粉后處理中添加食品添加劑, 來彌補面粉品質的不足。過去面包粉改良主要是化學改良劑, 如溴酸鉀, 雖然它對面團及面包有較好的作用, 但長期使用對人體有害,

2005 年 7 月 1日被我國禁止使用。

隨著溴酸鉀被禁用, 如何使用天然無害具有替代功能的產品, 成為廣大焙烤食品及面粉企業關注的焦點, 而生物酶制劑滿足了這方面的要求。酶作為一種生物制品, 在面粉改良中, 具有顯著的優越性:酶本身就是活細胞產生的活性蛋白質,

不會留下有毒的物質; 酶的催化作用具有高度的專一性, 一種酶只對一種底物起作用, 如淀粉酶只能催化淀粉的水解, 而對蛋白質則無效。酶的催化效率非常高, 比一般催化劑高 107~1 013 倍, 因此用量相當少; 酶的操作條件溫和, 在常溫、常壓下就能進行。脂肪酶是酶制劑的一種, 酶的所有特性它都具有, 與其它酶制劑如葡萄糖氧化酶復配后能夠取代化學增筋劑溴酸鉀。它能夠提高面制品的烘焙品質、改善面包質地、延長制品的貨架期。脂肪酶能催化甘油三酯水解生成甘油二酯, 甘油一酯或甘油。它對面團有強筋作用, 能夠提高面包的入爐急脹,

增大面包體積, 且對面包芯有二次增白作用。它符合了焙烤食品工業綠色、安全、健康的發展要求, 正愈來愈受到廣大焙烤食品及面粉企業的歡迎, 相信它在這些領域的應用具有更加廣闊的前景。

⑵脂肪酶在乳品工業中的應用

應用于乳酯水解, 包括奶酪和奶粉風味的增強、奶酪的熟化、代用奶制品的生產、奶油及冰淇淋的酯解改性等。

脂肪酶作用于乳酯并產生脂肪酸, 能賦予奶制品獨特的風味。脂肪酶釋放的短碳鏈脂肪酸(C4- C6 ) 使產品具有一種獨特強烈的奶風味, 而釋放的中碳脂肪酸

(C10- C14) 使產品具有皂似的風味。同時, 由于脂肪酸參與到類似微生物反應的過程中, 增加了一些新風味物質的形成, 如甲基酮類、風味酯類和乳酯類等。傳統奶酪制品加工所用的脂肪酶大都來自動物組織, 如豬、牛的胰腺和年幼反芻動. .

物的消化道組織,不同來源的脂肪酶會產生不同風味特征。脂肪酶還可使用在羊奶仿制牛奶的制品中。對不同奶源的奶制品 , 脂肪酶的使用可大大改善其有的不良風味 , 促使新的風味的產生, 并能改進乳制品的營養價值。脂肪酶在生產酶改性奶酪制品中關鍵作用, 酶改性奶酪中含有的游離脂肪酸比只經過普通處理的奶酪中要高 10 倍以上, 這對于其作為風味增強劑是十分有利的。

2、在醫藥領域中

在醫藥領域中，脂肪酶是非常重要的藥物作用靶點或標記物，同時也可以用來生產多不飽和脂肪酸等多種醫藥中間體;

3、洗滌劑

同時隨著環境保護的意識越來越強，生產易于被生物降解的無污染洗滌劑已經是現代洗滌劑發展的方向，而將脂肪酶加入洗滌劑中可大大提高其去污效果，并且脂肪酶是生物產品，易被降解，不污染環境;在皮革加工過程中需要把皮毛上脂肪去除。以前主要是用石灰掩埋去除，但效果不明顯，現在利用脂肪酶的特性將依附脂肪分解成易于祛除的脂肪酸和甘油。用酶對各種動物皮毛進行處理，其脫脂效果明顯，可提高皮革質量;另外，脂肪酶還被用于造紙工業，主要是利用脂肪酶除去造紙出現的洽脂。生物柴油是生物質能的一種形式，生物酶法生產生物柴油是通過脂肪酶進行酯化反應，制備相應的脂肪酸酯。酶催化法對原料沒有特殊要求，可以廢油脂、高酸油脂等為原料進行生產，且產物提取簡單、反應條件溫和、醇用量小、甘油易回收和無廢物產生，在此過程還能合成一些高價值的產品，增加經濟效益。

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