一種酶水解大豆異黃酮的方法
2023-10-05 00:15:59
專利名稱：一種酶水解大豆異黃酮的方法
技術領域：
本發明涉及一種酶水解大豆異黃酮的方法。
背景技術：
酶的固定化是將生物催化劑酶固定到一定的載體上。隨著生物技術的發展，酶作為催化劑有專一性好，催化效率高，且反應條件溫和等優點，在工業應用上也在越來越多的替代傳統意義上的催化劑。但是酶作為催化劑工業上應用的主要缺點就是價格比較昂貴，且不能重複利用。1916年Nelson和Griffin首次將蔗糖酶吸附到活性碳和礬土上，首次實現酶的固定化(R.F.Taylor，Protein immobilization，Marcel Dekker，IncNew York，1991，v)。從那時開始酶的固定化技術就得到了很快的發展，到目前為止已經有很成熟的固定化方法吸附、共價交聯、包埋等，同時還得出固定化酶在一定程度上還能提高酶的穩定性。在上個世紀70年代酶的固定化已經開始在應用於工業化(R.F.Taylor，Protein immobilization，MarcelDekker，IncNew York，1991，v)。
大豆異黃酮是大豆中一種具有生理活性的物質，其主要功能有兩方面，植物雌激素功能和抗氧化功能(Song T T，Gendirch S，Murphy P A.Estrogenic activityof glycitein，a soy isoflavone，J.Agric.Food Chem.，1999，471607-1610；Michael Naim，Benjamin Gesterner，Shmuel Zilkah.Soy isoflavones，characterization，determination，and antifungal activity，J.Agric.FoodChem.，1974，22(5)806-810)。主要表現為(1)具有人體雌激素的功能作用，從而有效地防治女性更年期綜合症。(2)防治癌症。能特異性地抑制蛋白酪氨酸激酶(TPK)的活性，提高人體解毒酶的活性，有效地防治乳腺癌、子宮癌、腸癌、白血病、前列腺癌等。(3)可雙向調節人體內雌激素水平，具有美容保健的作用。(4)防治骨質疏鬆症。可以抑制骨骼再吸收，是防治骨骼疏鬆的優良藥物。(5)具有顯著的抗血清脂蛋白脂質過氧化作用，效果甚至優於維生素E。預防和輔助治療體內脂質過氧化引起的疾病，如高血脂、動脈粥狀硬化、冠心病等。(6)因其具有較強的抗氧化作用，抑制或清除體內活性自由基，能延緩機體的衰老。
大豆異黃酮中，有效成分主要有糖苷和苷元兩類。糖苷主要包括大豆苷(Daidzin)(結構式如式I)和染料木苷(Genistin)(結構式如式II)，它的水解產物分別是大豆苷元(Daidzein)(結構式如式III)和染料木素(Genistein)(結構式如式IV)，也就是游離的苷元。直接從大豆中提取得到的天然大豆異黃酮主要成分是糖苷，苷元只佔很小的一部分，但是主要起生理活性的是苷元(MizukiOnozawa，Kazunori Fukuda，Mikinobu Ohtani.Effects of Soybean Isoflavoneson Cell Growth and Apoptosis of the Human Prostatic Cancer Cell Line LNCaP，Jpn.J.Clin.Oncol.，1998，28360-363)，所以對水解大豆異黃酮的研究就成為一個熱點。目前水解大豆異黃酮主要有酸法水解、鹼法水解、和酶催化水解。由於酸法和鹼法水解得到產物的穩定性得到了質疑(張晨，楊曉泉，孔慧清.不同加工條件下大豆異黃酮組分穩定性的研究現狀.大豆科學，2006，25(1)73-76)，且由於體系中大量的酸鹼，不容易實現工業化。酶法水解大豆異黃酮具有條件溫和等酶催化反應的優點，但是存在酶不能回收利用，成本代價高，且後期產品分離困難等問題。
發明內容本發明的目的是提供一種酶水解大豆異黃酮的方法。
本發明所提供的酶水解大豆異黃酮的方法，是用固定化大豆異黃酮糖苷水解酶在由有機溶劑和緩衝液組成的雙相體系中將糖苷型大豆異黃酮水解獲得苷元型的大豆異黃酮；所述有機溶劑對所述大豆異黃酮的苷元的溶解度大於水。
所述有機溶劑可為醇類、酯類或酮類有機溶劑，優選為酯類，尤其優選為乙酸乙酯；所述緩衝液可為磷酸鹽緩衝液、Tirs-鹽酸緩衝液、檸檬酸鹽緩衝液或碳酸鹽緩衝液。
所述大豆異黃酮糖苷水解酶具體可為β-葡萄糖苷酶；所述緩衝液具體可為檸檬酸鹽緩衝液。
所述緩衝液的pH值可為3-9，優選為3-7，尤其優選為5-6.5。
所述檸檬酸鹽緩衝液為由檸檬酸與檸檬酸三鈉配成的溶液；所述檸檬酸與檸檬酸三鈉的溶液的摩爾濃度可為0.05-2M，優選為0.1-0.5M，尤其優選為0.1M。
所述雙相體系中有機溶劑體積含量優選為10％-80％，尤其優選為40％-60％。
所述水解反應的反應溫度可為10-90℃，優選為30℃-60℃，尤其優選為40-45℃。
所述方法中，所述固定化β-葡萄糖苷酶和大豆異黃酮的配比可為每克大豆異黃酮1U-1000U固定化β-葡萄糖苷酶，優選為每克大豆異黃酮10-50U固定化β-葡萄糖苷酶。
所述方法中，反應結束後，可將有機相和水相分離，除去所述有機溶劑，得到大豆異黃酮水解產物。
為了解決現有的酶法水解大豆異黃酮中存在的成本代價高且後期分離困難的問題，本發明採用固定化酶水解大豆異黃酮和雙相體系水解大豆異黃酮。固定化酶中，水解大豆異黃酮的酶選用β-葡萄糖苷酶；而載體選用來源豐富且生物相容性很好的殼聚糖；將其做成小球，然後將β-葡萄糖苷酶用常規方法共價交聯固定到小球上。固定化酶可以重複利用，且從產物中很容易分離。大豆異黃酮容易溶於酯類，醇類，酮類有機溶劑，難溶於水，以及石油醚，正己烷等非極性溶劑中；而酶在有機溶劑中容易失活，其水解需要合適的緩衝溶液。因此雙相體系可以實現酶的高效利用和產物的分析。本雙相反應體系機理如圖1所示，反應中，隨著水相溶液中底物(大豆苷和染料木苷)的消耗，沉澱中的底物進入水相溶液補充，對於乙酸乙酯而言，大豆異黃酮中的糖苷在水中的溶解度高於乙酸乙酯，所以大部分固相的底物直接進入水中補充。在雙相體系中水解後生成的產物苷元(大豆苷元和染料木素)被不斷的萃取到有機相中(大豆苷元和染料木素在水相中溶解度很小)，又因為糖苷在有機相中溶解度很小，所以反應後產物苷元全部富集在有機相中，而幾乎不含糖苷。反應結束取出有機相，蒸發出有機溶劑即可得到所要的苷元。
本發明同時也給出分別在單相(緩衝液)和雙相體系中，用固定化和游離的β-葡萄糖苷酶水解大豆異黃酮的實驗結果。發現雙相體系中固定化酶水解大豆異黃酮比在單相中速率快，收率高，且得到的產品沒有異味；游離酶在雙相中很容易失活，水解大豆異黃酮不徹底。
本發明的酶水解大豆異黃酮的方法，不僅實現了酶有效的水解大豆異黃酮，且該方法得到的產品沒有異味，無需純化，設備工藝簡單，具有很好的工業放大前景。
圖1為本發明的雙相體系固定化酶水解大豆異黃酮原理2為大豆苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素標準品的HPLC圖譜圖3為滴漏裝置示意4為不同pH值下游離和固定化β-葡萄糖苷酶的相對活性圖5為40℃固定化和游離的β-葡萄糖苷酶的穩定性圖6為50℃固定化和游離的β-葡萄糖苷酶的穩定性圖7為60℃固定化和游離的β-葡萄糖苷酶的穩定性圖8為固定化β-葡萄糖苷酶連續水解16次pNPG的相對酶活圖9為單相體系中固定化酶的水解實驗結果圖10為雙相體系中固定化酶的水解實驗結果圖11為簡易的水解異黃酮反應器示意圖具體實施方式
本發明的酶水解大豆異黃酮的方法，包括以下步驟(1)將酶按常規方法固定於載體上，這裡的酶可以是各種大豆異黃酮糖苷水解酶，優選為β-葡萄糖苷酶，載體亦可以是多種常規的載體，優選為殼聚糖。
(2)在雙相體系中利用固定化酶，進行糖苷型大豆異黃酮的水解。這裡的雙相體系是由一種有機溶劑和一種緩衝液組成，其中有機相可以為對苷元型溶解好的酯類，醇類，酮類有機溶劑，如正己醇，乙酸乙酯，乙酸甲酯等，這裡優選為乙酸乙酯。水相可以為多種常用的酶的適宜的緩衝液，如磷酸緩衝液，Tirs鹽酸緩衝液，檸檬酸鹽緩衝液，碳酸鹽緩衝液等，這裡優選為檸檬酸鹽緩衝液。進一步的，所選檸檬酸鹽緩衝液具體可為檸檬酸與檸檬酸三鈉的溶液，其pH可為3.0-9.0，優選為pH＝5.0，摩爾濃度為0.1M。
(3)第二步中所述雙相體系中組分可任意配比，優選為1∶1。
(4)所述方法中，所述固定化β-葡萄糖苷酶和大豆異黃酮的配比可為每克大豆異黃酮1U-1000U酶，優選為每克大豆異黃酮10U。
(5)本方法所述水解反應的反應溫度可為10-90℃，優選為40℃。
(6)所述方法中，反應結束後，將有機相和水相分解，除去有機相中的有機溶劑，如優選的乙酸乙酯，即可得到苷元型的大豆異黃酮水解產物。
下面結合實施例具體闡明本發明的酶水解大豆異黃酮的方法。
下述實施例中所用的材料殼聚糖購自濟南海得貝海洋生物工程有限公司，脫乙醯度90.2％。
β-葡萄糖苷酶購自Fluka，貨號49290。
β-葡萄糖苷酶底物pNPG(p-Nitrophenyl-β-D-galactopyranoside，BBI分裝)。
大豆苷中國藥品生物製品檢定所，111738-200501。
染料木苷中國藥品生物製品檢定所，111709-200501。
大豆苷元中國藥品生物製品檢定所，1502-200101。
染料木素中國藥品生物製品檢定所，111704-200501。
大豆異黃酮購自浙江欣欣生化科技有限公司，為常規30％含量產品。其組分含量是用HPLC(日本島津)測定，流動相為含有體積百分含量為0.5％的乙酸的甲醇溶液和純水，甲醇溶液和純水的體積比為37∶63，流速為1ml.min-1，柱溫40℃。色譜柱為Dikma公司的Diamonsil的C18反相柱，型號是5U，250×4.6mm。用標準品在此條件下做HPLC如圖2。並在此條件下用外標法做標準曲線，得線形回歸方程大豆苷Y＝21872.46+3.552E7*X，R＝0.99992，X0002-0.064/mg.ml-1，Y為峰面積。
染料木苷Y＝18902.34+4.9223E7*X，R＝0.99978，X0.002-0.048/mg.ml-1，Y為峰面積。
大豆苷元Y＝-28376.86+6.4507E7*X，R＝0.99903，X0.002-0.048/mg.ml-1，Y為峰面積。
染料木素Y＝33896.50+6.7382E7*X，R＝0.99975，X0.002-0.08/mg.ml-1，Y為峰面積。
本專利中的HPLC條件均同上，數據計算均按此方程。
該大豆異黃酮組分的質量百分含量大豆苷(Daidzin)10.6％，染料木苷(Genistin)17.9％，大豆苷元(Daidzein)1.7％，染料木素(Genistein)1.5％。如無特別說明下面提到水解前的大豆異黃酮均為此規格。
以下各實例中固定化酶或者游離酶水解大豆異黃酮得到苷元的收率，定義如下
實施例1、固定化β-葡萄糖苷酶的製備一、固定化β-葡萄糖苷酶的製備按照文獻中描述的方法製備直徑約2.5mm且非常均勻的殼聚糖小球(彭志英，嶽振峰，張學兵.微球形固定化α-葡萄糖苷酶的製備.華南理工大學學報(自然科學版)，2001，29(6)56-59和Nitin W.Fadnavis，Gurrala Sheelu，BezavadaMani Kumar.Gelatin Blends with AlginateGels for Lipase Immobilizationand Purification，Biotechnol.Prog.2003，19557-564)。具體方法如下用體積百分含量為1％的乙酸配成25g/100ml的殼聚糖溶液，靜止30分鐘，用吸頭配合小漏鬥做成如圖3所示的滴漏裝置，吸頭是吉爾森1ml和200μl吸頭，漏鬥為10ml小漏鬥。
距離吸頭20cm的正下方是由體積比為3∶2的2M NaOH和甲醛配成的凝結液，將殼聚糖溶液滴入正在攪拌的凝結液即得殼聚糖小球。
將製得的殼聚糖小球用清水衝洗3-5次，在pH＝6.5的0.1M檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中，在室溫下按照每克殼聚糖10Uβ-葡萄糖苷酶的配比加入殼聚糖小球和β-葡萄糖苷酶進行物理吸附10h，然後加入體積百分含量為0.4％的戊二醛交聯20分鐘，得到固定化的β-葡萄糖苷酶。
二、固定化β-葡萄糖苷酶的特性1、固定化β-葡萄糖苷酶酶活性與pH的關係將得到的固定化酶和游離酶，分別在40℃，不同pH值的0.1M檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中水解10mM的pNPG，水解7分鐘，然後測定樣品中水解產物(對-硝基苯酚)的濃度，得到在不同pH酶的相對活性。這裡的相對活性指的是將測定的某個pH下最高活性定義為1，其他pH下的相對活性為其活性與最高活性的比值。又因為樣品吸光度的變化的斜率跟酶的活性成正比，推導過程如下A＝KCLA為吸光度，C溶液摩爾溶度，L光程，K為儀器參數，為定值。
因為dA/dt＝K(dC/dt)L即Slope＝K[(dm/V)/dt](V/S)所以dm/dt＝slope.S/K這裡m是產物的質量，S是酶標板的孔面積(定值)。
所以在取樣相同的情況下測定吸光度的變化的斜率即可算出各個活性之間的關係。
結果如圖4所示，表明在此條件下，固定化酶的最適反應pH是5。
2、固定化β-葡萄糖苷酶酶活性與溫度的關係分別在40℃，50℃，60℃的水浴鍋中放置一些等量的游離的和固定化的β-葡萄糖苷酶，酶所處的微環境是pH＝5的0.1M的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液。每隔兩個小時取出等量的酶，在pH＝5的0.1M的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中，40℃的條件下，水解10mM的pNPG，水解7分鐘，然後測定樣品中水解產物(對-硝基苯酚)的濃度。得到8個小時內各個溫度下的熱穩定性。結果如圖5-7所示，表明固定化酶在低於40℃時比較穩定，50℃加熱8h後酶活降低了25.2％，60℃加熱8h後酶活降低了83.8％。
3、固定化β-葡萄糖苷酶酶的重複使用性能在40℃，pH＝5的0.1M檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中連續水解10mM的pNPG，每次水解進行7分鐘，然後測定樣品中水解產物的濃度，得到固定化的相對酶活。以第一次測定的酶活為1，以後測定酶活與第一次測定的酶活的比值作為相對活性。從反應液中取出固定化的酶，用緩衝液洗三遍，重複上述測酶活，然後再取出，再洗，重複這個過程。得到固定化酶在經過16次使用的活性變化。固定化β-葡萄糖苷酶活性幾乎沒有損失(如圖8)。
實施例2、固定化酶雙水相水解大豆異黃酮在5ml 0.1M pH＝5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液和5ml乙酸乙酯中加入14.8mg的30％規格的大豆異黃酮和1.48U固定化β-葡萄糖苷酶。反應均在40℃的恆溫搖床中進行，反應三個小時，按上述HPLC方法測定大豆苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素含量。
結果表明固定化酶水解最後得到的大豆苷元的量0.97mg、反應初始時大豆苷元的量0.25mg、大豆苷完全水解應得的大豆苷元的量0.96mg；最後得到的染料木素的量1.50mg、反應初始時染料木素的量0.22mg、染料木苷完全水解應得的染料木素的量1.64mg。經計算，固定化β-葡萄糖苷酶在此雙相體系中水解大豆異黃酮，大豆苷元的收率為75.4％，染料木素的收率為77.9％。
實施例3、固定化β-葡萄糖苷酶在單相體系和雙相體系中的應用對比實驗設兩個處理，其中一個處理為單相體系，在10ml 0.1M，pH＝5檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中加入14.8mg的30％規格的大豆異黃酮和1.48U固定化β-葡萄糖苷酶；另一個處理為雙相體系，在5ml 0.1M pH＝5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液和5ml乙酸乙酯中加入14.8mg的30％規格的大豆異黃酮和1.48U固定化β-葡萄糖苷酶。反應均在40℃的恆溫搖床中進行，每小時取樣，按上述HPLC方法測定大豆苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素含量，反應三個小時。結果如圖9和圖10所示，單相體系中不僅得不到產物，而且水解速率也略低於在雙相體系中的速率。
實施例4、固定化酶雙相體系中水解大豆異黃酮在1ml 0.1M pH＝5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液和9ml乙酸乙酯中加入14.8mg的30％規格的大豆異黃酮和1.48U固定化β-葡萄糖苷酶。反應均在40℃的恆溫搖床中進行，反應三個小時，按上述HPLC方法測定大豆苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素含量。
結果表明固定化酶水解最後得到的大豆苷元的量0.96mg、反應初始時大豆苷元的量0.25mg、大豆苷完全水解應得的大豆苷元的量0.96mg；最後得到的染料木素的量1.20mg、反應初始時染料木素的量0.22mg、染料木苷完全水解應得的染料木素的量1.64mg。經計算，固定化β-葡萄糖苷酶在此雙相體系中水解大豆異黃酮，大豆苷元的收率為73.9％，染料木素的收率為59.8％。
實施例5、固定化和游離的β-葡萄糖苷酶的在雙相體系中的應用對比用100ml的燒瓶，恆溫攪拌器，磁子構建一個簡易的間歇全混釜反應器(圖11)。實驗設兩個處理，其中一個處理為游離β-葡萄糖苷酶雙相體系，在15ml 0.1MpH＝5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液和15ml乙酸乙酯中加入500mg的30％規格的大豆異黃酮和5U游離的β-葡萄糖苷酶；另一個處理為固定化β-葡萄糖苷酶雙相體系，在15ml 0.1M pH＝5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液和15ml乙酸乙酯中加入500mg的30％規格的大豆異黃酮和5U固定化β-葡萄糖苷酶。在40℃，磁子在800rpm/min的條件下分別反應20小時。反應結束後，取樣按上述HPLC方法測定大豆苷、染料木苷、大豆苷元和染料木素含量。
結果表明固定化酶水解最後得到的大豆苷元的量30.9mg、反應初始時大豆苷元的量8.5mg、大豆苷完全水解應得的大豆苷元的量32.3mg；最後得到的染料木素的量52.3mg、反應初始時染料木素的量7.5mg、染料木苷完全水解應得的染料木素的量55.5mg；經計算，固定化β-葡萄糖苷酶在此雙相體系中水解大豆異黃酮，大豆苷元的收率為69.2％，染料木素的收率為80.8％。游離酶水解最後得到的大豆苷元的量26.8mg，染料木素的量為25.4mg；經計算，游離酶水解大豆異黃酮，其大豆苷元的收率為56.7％，染料木素為32.3％，而且隨著反應時間延長，其收率並沒有進一步提高，說明在此體系中游離β-葡萄糖苷酶在水解過程容易失活。
權利要求
1.一種酶水解大豆異黃酮的方法，是用固定化大豆異黃酮糖苷水解酶在由有機溶劑和緩衝液組成的雙相體系中將糖苷型大豆異黃酮水解獲得苷元型的大豆異黃酮；所述有機溶劑對所述大豆異黃酮苷元的溶解度大於水。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述有機溶劑為醇類、酯類或酮類有機溶劑，優選為酯類，尤其優選為乙酸乙酯；所述緩衝液為磷酸鹽緩衝液、Tirs-鹽酸緩衝液、檸檬酸鹽緩衝液或碳酸鹽緩衝液。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述大豆異黃酮糖苷水解酶為β-葡萄糖苷酶；所述緩衝液為檸檬酸鹽緩衝液。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述緩衝液的pH值為3-9，優選為3-7，尤其優選為5-6.5。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述檸檬酸鹽緩衝液為由檸檬酸與檸檬酸三鈉配成的溶液；所述檸檬酸與檸檬酸三鈉的溶液的摩爾濃度為0.05-2M，優選為0.1-0.5M，尤其優選為0.1M。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述雙相體系中所述有機溶劑體積含量為10％-80％，優選為40％-60％。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述水解反應的反應溫度為10-90℃，優選為30℃-60℃，尤其優選為40-45℃。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法中，所述固定化β-葡萄糖苷酶和大豆異黃酮的配比為每克大豆異黃酮1U-1000U固定化β-葡萄糖苷酶，優選為每克大豆異黃酮10-50U固定化β-葡萄糖苷酶。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法中反應結束後，將有機相和水相分離，除去所述有機溶劑，得到大豆異黃酮水解產物。
全文摘要
本發明公開了一種雙相體系生物法水解大豆異黃酮的方法。該方法是用固定化大豆異黃酮糖苷水解酶在由有機溶劑和緩衝液組成的雙相體系中將糖苷型大豆異黃酮水解獲得苷元型的大豆異黃酮；所述有機溶劑對所述大豆異黃酮苷元的溶解度大於水。本發明的雙相體系水解大豆異黃酮的方法，不僅實現了大豆異黃酮的有效的水解，且該方法得到的產品沒有異味，無需純化，設備工藝簡單。
文檔編號C12P17/06GK101086002SQ20071011775
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月22日 優先權日2007年6月22日
發明者林章凜, 張濤, 黃哲 申請人:清華大學 被以下專利引用 (2),