专利名称：聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒及在低聚果糖生产中应用的制作方法
技术领域：
本发明属于食品生物工程领域，特别涉及一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒及在低聚果糖生产中应用。
背景技术：
低聚果糖是果糖基经β (2 — I)糖苷键连接而成的，聚合度为2 9的功能性低聚糖，属于保健食品原料。低聚果糖按结构分为蔗-果型低聚果糖和果-果型低聚果糖，其中鹿-果型低聚果糖是在果糖基转移酶(Fructosyl transferase, FTase)的催化作用下，蔗糖的果糖残基(F)上通过β (2 — I)糖苷键连接I 4个果糖基(F)所形成的蔗果三糖(6卩2)、蔗果四糖(6 3)、蔗果五糖(6 4)和蔗果六糖(6 5)的混合物。当以蔗糖为底物时，最初只有蔗果三糖(GF2)和葡萄糖(G)生成
2GFGF2-G但随着反应进行下去，蔗果三糖(GF2)和蔗果四糖(GF3)也可以作为反应底物，其反应分别是2GF2 — GF3+G ；2GF3 — GF4+G (GF4 代表蔗果五糖)在果糖基转移酶(FTase)的催化作用下，以蔗糖为原料进行分子内转移果糖基反应来生产低聚果糖，是当前工业规模上生产低聚果糖的主要技术手段。从低聚果糖形成的作用机理可以知道，酶或菌丝体首先作用于蔗糖，分解成一分子果糖(F)和一分子葡萄糖(G)，这一分子果糖在果糖转移酶的作用下，与蔗糖结合才形成蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖。随着反应历程的进行，反应体系中必然存在着浓度越来越高的葡萄糖，高浓度的葡萄糖必然影响反应的平衡，形成阻遏，抑制了低聚果糖最大限度的形成。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法。本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备得到的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒。本发明的再一目的在于提供所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒在低聚果糖生产中的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，包括以下步骤 (I)用水将聚氨酯光交联树脂预聚物配制成浓度为质量百分比25 45%的聚氨酯光交联树脂预聚物水溶液；(2)往步骤(I)制备的聚氨酯光交联树脂预聚物水溶液中加入光敏剂安息香乙醚，安息香乙醚的用量为体积百分比1%;蒸汽灭菌后，冷却，加入果糖基转移酶溶液和葡萄糖异构酶溶液；搅拌均匀后，倒入玻璃模框摊平，用波长365nm、功率IOOW的紫外光距离玻璃模框25厘米处照射，待胶体凝固后即得聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒。步骤(I)中所述的聚氨酯光交联树脂预聚物(PCPU)，其主链为聚醚聚氨酯结构，末端为含C=C双键的甲基丙烯酸酯基团，分子量优选为4000 ；步骤(2)中所述的果糖基转移酶溶液和所述的葡萄糖异构酶溶液的用量按果糖基转移酶和葡萄糖异构酶的酶活力比值为4:1 2:1进行计算；步骤(2)中所述的果糖基转移酶溶液可为果糖基转移酶纯溶液，或为果糖基转移酶和产果糖基转移酶的微生物细胞混合得到的溶液；步骤(2)中所述的葡萄糖异构酶溶液可为葡萄糖异构酶纯溶液，或为葡萄糖异构酶和产葡萄糖异构酶的微生物细胞混合得到的溶液；步骤(2)中所述的果糖基转移酶溶液优选通过如下方法制备得到将保藏于位于中国武汉的中国典型培养物保藏中心，保藏日期为2012年4月10日，保藏编号为CCTCCN0:M2012106的米曲霉(Aspergillus oryzae) scut209菌株接种于种子培养基中，30°C振荡培养36h，然后接种于100. Oml发酵培养基中，30°C、200r/m振荡培养48h，离心收集菌丝体，蒸馏水洗涤两次后，加入10. Oml浓度为O. 05mol/L、pH6. O的磷酸盐缓冲液，于冰浴条件下，用超声波破碎细胞，得到果糖基转移酶溶液；其中，种子培养基的组成如下白砂糖3. 0%(w/w),营养肉汤3. 6%(w/w),自然pH;发酵培养基的组成如下白砂糖5.0% (w/w),豆柏粉2. 0% (w/w),玉米粉O. 3% (w/w),自然pH ；
所述的超声波的操作参数为570W ;方式破碎9秒，间歇5秒；时间30分钟；所述步骤(2)中所述的葡萄糖异构酶优选为杰能科生物工程有限公司的葡萄糖异构酶，酶活力单位为3000U/ml ；步骤(2)中所述的照射的时间优选为5min ；一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒，由上述制备方法得到；所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒在低聚果糖生产中应用，包含以下步骤1、将蔗糖溶解于浓度为O. 05mol/L、pH6. O的磷酸盐缓冲液中，得到转化底物蔗糖溶液；I1、往转化底物蔗糖溶液中加入所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒，再加入Mg2+、S2O42-作为激活因子，振荡反应，得到低聚果糖；步骤I中所述的转化底物蔗糖溶液的浓度优选为质量百分比40% ；步骤II中所述的Mg2+的浓度优选为4. 06mmol/L ；步骤II中所述的S2O广的浓度优选为1. 03mmol/L ；步骤II中所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的用量优选为相当于步骤I中所述的鹿糖的质量的1/8 ；步骤II中所述的振荡反应的条件优选为于44 46°C振荡反应，更优选为于44 46°C、150 200rpm振荡反应6 8h。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(I)本发明提供的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒用于生产低聚果糖的方法的转化效率得到了极大的提高，低聚果糖含量达到52. 12%，表征转化率比游离酶(31. 22%)和固定化单酶(35. 32%)体系分别提高了 66. 94%和47. 57%，具备有工业应用价值。(2)本发明提供的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法简单，将其用于生产低聚果糖操作简单、作用条件温和、投入少、易掌握。聚氨酯光交联树脂除具有一般合成凝胶强度高的优点外，还可根据固定化的需要改组其结构、组成及性能，进行分子的设计，使其比表面积大，更有利于基质的传输和微生物的生长。同时，不会对微生物和人体产生毒性，在不加热，PH值无显著变化和快速光照的温和条件下进行操作，更有利于保持酶和细胞的活性，极大地提高生产转化效率。
图1是聚氨酯光交联树脂预聚体浓度对固定化酶转化效率的影响结果图。图2是聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒中酶量比值对低聚果糖转化率的影响结果图。图3是不同酶催化体系中低聚果糖生产的表征转化率比较结果图；其中，每一组柱形图，从左到右依次为游离果糖基转移酶、固定化果糖基转移酶和共固定化果糖基转移酶和葡萄糖异构酶。图4是聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的操作稳定性实验结果图。`
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。测试方法1、游离或固定化果糖基转移酶活力测定方法为果糖基转移酶或产酶菌丝体作用于鹿糖，首先生成鹿果三糖(Ι-kestose)。鹿果三糖含量测定方法采用HPLC法,试验方法同GB/T 23528-20096. 5 执行。具体操作过程如下I)准确称取10. Og 一级白砂糖和pH5 7的蒸懼水90. Og,置于250ml三角瓶中，放入恒温回旋式摇床中，于45°C、100r/min条件下预热、溶解。2)当白砂糖完全溶解后，取出三角瓶，准确称取一定量固定化酶颗粒或菌丝体，力口入到三角瓶中，迅速放入摇床中，于45°C、100r/min条件下反应60min。取出摇瓶，用纱布隔离出糖液。将糖液在预热的电炉上煮沸后，迅速冷却至40°C以下，于lOOOOr/min下离心IOmin03)取上层清液10 μ L，作为HPLC法测定蔗果三糖含量的试液。果糖基转移酶酶活单位定义在酶供应者标识的最佳酶化反应的条件下，将蔗糖转化为低聚果糖，每分钟产生Iymol蔗果三糖所需酶量为一个酶活力单位(U)。
IOx IOOOx G'/ ':
酶活力(U/g) = 0.504 X / X W =330.69* GF2/W.............................(I)式中
10——IOg,为IOOml蔗糖溶液的含糖量，g ；GF2——蔗果三糖的百分含量，% ；O. 504----1 μ mo I 鹿果三糖=0. 504mg ；t----反应时间，60min;W——固定化颗粒或菌丝质量，go所述步骤中高效液相色谱(HPLC)检测参数为=Cosmosil色谱糖柱；流动相乙腈-水(75%, v/v);流速:1. OmL/min ;示差折光检测器(RI):Waters2410 ;监测器灵敏度:4 ；柱温300C ;进样体积10 μ L。I1、游离或固定化葡萄糖异构酶酶活力测定方法为依次取O. 5mL、pH6. O磷酸盐缓冲液(每 IOOml 由 O. 05mol/L ΚΗ2Ρ0468 · 5ml 与 O. 05mol/L Κ2ΗΡ0431· 5ml 组成，下同)，0· 2mLlmol/L葡萄糖溶液,0.1mL O. lmol/L MgSO4溶液,2. OmL蒸懼水,预热后加入一定量的葡萄糖异构酶或固定化颗粒，451反应601^11，反应结束后加入2.01^ 0. 5mol/L HClO4终止反应。将上述反应液进行适当稀释后，取样1. OmL，按照国家标准GB/T23533-20095. 2所述的方法测定转化得到的果糖含量。以每小时催化葡萄糖转化生成1. Omg果糖所需的酶量定义为I个葡萄糖异构酶活力单位。实施例1( I)果糖基转移酶粗酶液的制备挑取本实验室筛选 保存的、培养在斜面培养基上的米曲霉(Aspergillus oryzae)scut209 (保藏于位于中国武汉的中国典型培养物保藏中心，保藏日期为2012年4月10日，保藏编号为CCTCC N0:M2012106)少许，接种于种子培养基中，30°C振荡培养36h，然后接种于100.0ml发酵培养基中，30°C、200r/m振荡培养48h，离心收集菌丝体，蒸馏水洗涤两次后，加入10. Oml浓度为0. 05mol/L的磷酸盐缓冲液(pH6. 0)，于冰浴条件下，用超声波(950WX60%=570 (W);方式破碎9秒，间歇5秒；时间30分钟)破碎细胞30min，直接收集，得到含有高活性果糖基转移酶的菌丝悬浮液(按照上述方法I检测，果糖基转移酶活力约为10000U/ml)，于4°C冰箱保藏，备用。其中，斜面培养基白砂糖5. 0% (w/w),豆柏粉2. 0% (w/w),玉米粉0. 3% (w/w),琼脂 2. 0% (w/w),自然 pH ;种子培养基白砂糖3. 0% (w/w),营养肉汤3. 6% (w/w),自然pH ;发酵培养基白砂糖5. 0% (w/w),豆柏粉2. 0% (w/w),玉米粉0. 3% (w/w),自然pH。(2)聚氨酯光交联树脂固定化果糖基转移酶反应体系的浓度确定分别称取一定量的聚氨酯光交联树脂预聚物(PCPU，分子量为4000，商品型号B1530，市售(广州昊毅化工))溶于水中，配成浓度分别为质量百分比25%、30%、35%、40%、45%的水溶液100. 0ml，分别加入1. Oml光敏剂安息香乙醚，经消毒锅蒸汽灭菌后，冷却到室温，再分别加入10. Oml步骤(I)获得的米曲霉菌丝悬浮液，搅拌均匀后，倒入玻璃模框摊平，用波长365nm、功率100W的紫外光近距离(25厘米))照射5min，待胶体凝固后即得聚氨酯光交联树脂固定化菌丝体细胞。用无菌水洗3次，收集洗涤液，于650nm波长下测定吸光度OD650,以此表示未被树脂包埋的菌丝体量。固定化颗粒被剪成5X5_小块，用于测定低聚果糖转化率(按照测试方法I进行)。
结果如图1所示，聚氨酯光交联树脂预聚物的浓度为质量百分比25 45%，低聚果糖转化率均为50%以上。综合考虑转化率、漏菌和机械强度等因素，聚氨酯光交联树脂预聚物的浓度采用质量百分比35%较适宜。(3)聚氨酯光交联树脂固定化双酶反应体系的构建及优化称取35g聚氨酯光交联树脂预聚物(PCPU，分子量为4000)溶于水中，配成浓度为35%的水溶液100. 0ml，加入1. Oml光敏剂安息香乙醚，经蒸汽消毒锅灭菌后，冷却到室温，分别加入果糖基转移酶与葡萄糖异构酶(杰能科生物工程有限公司，酶活力单位为3000U/ml)按酶活力比值为4:1、3:1、2:1、1:1、1:2的混合液10. Oml，搅拌均匀后，倒入玻璃模框摊平，用波长365nm、功率100W的紫外光近距离(25厘米))照射5min，待胶体凝固后即得聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒。用无菌水洗3次，剪成5 X 5mm小块，用酶活激活剂溶液(内含有 MgSO4 · 7H20 O. 1% (w/w)、Na2S2O4O. 018% (w/w)的 O. 05mol/L 磷酸缓冲液，pH6. O)浸泡过夜，测定低聚果糖转化率。
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从图2的结果可以看出当共固定化颗粒中果糖基转移酶与葡萄糖异构酶的酶活力比值为4:1 2:1，低聚果糖含量均在50%以上，其中果糖基转移酶与葡萄糖异构酶的酶活力比值为2:1时，更有利于低聚果糖生产的转化。(4)固定化双酶反应体系生产低聚果糖的转化效率比较准确称取40. O克蔗糖，完全溶解于100. Oml浓度为O. 05mol/L的磷酸盐缓冲液(pH6. O)中，配制出40%(w/w)、pH6. O的转化底物蔗糖溶液，加入5. Og果糖基转移酶和葡萄糖异构酶的共固定化颗粒(其中果糖基转移酶与葡萄糖异构酶的酶活力比值为2:1)，添加少量的Mg2+、S2042_作为激活因子(MgSO4 · 7H20的终浓度为O. 1% (w/w), Na2S2O4的终浓度为O. 018% (w/w)) 45°C、200r/m振荡反应7. Oh。取样煮沸8. Omin后，迅速冷却至40°C以下，于10000r/min离心lOmin。取样上清液10 μ L用于高效液相色谱(HPLC)检测，以反应液中低聚果糖(蔗果三糖、蔗果四糖)的百分含量为依据，进行游离果糖基转移酶(free FTase,fFTase)、固定化果糖基转移酶(Immobilized FTase, IFTase)和共固定化果糖基转移酶和葡萄糖异构酶(Co-1mmobilized FTase, Co-1FTase)不同反应体系中低聚果糖转化效率的比较，结果如图3所示。在共固定化双酶反应体系中，低聚果糖(蔗果三糖、蔗果四糖)的含量(52. 12%)要远远高于游离酶(31. 22%)和固定化单酶(35. 32%)反应体系中含量，表征转化率分别提高了 66. 94%和47. 57%，极大地提高了生产效率。(5)共固定化双酶颗粒的稳定性准确称取5. Og果糖基转移酶和葡萄糖异构酶共固定化颗粒(其中果糖基转移酶与葡萄糖异构酶的酶活力比值为2:1 )，在步骤(4)所述的反应体系中，连续进行15次间歇式蔗糖转化反应，并以第I次反应中蔗果三糖的百分含量作为表征转化率的100%，计算其它批次的表征转化率，结果图4所示。从图中可以看出，除在第2次使用时，可能由于凝胶内部浅层的酶发生了一定量的流失，导致反应体系的表征转化率有所下降外，其余十多次重复使用的表征转化率都没有发生很大的变化，仍然保持在最初转化率的80%以上。但此后继续使用，共固定化酶的颗粒度出现变细、崩裂现象，表征转化率随即迅速下降，到第15次使用后表征转化率仅为初始反应中的52. 8%。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)用水将聚氨酯光交联树脂预聚物配制成浓度为质量百分比25 45%的聚氨酯光交联树脂预聚物水溶液； (2)往步骤(I)制备的聚氨酯光交联树脂预聚物水溶液中加入光敏剂安息香乙醚，安息香乙醚的用量为体积百分比1%;蒸汽灭菌后，冷却，加入果糖基转移酶溶液和葡萄糖异构酶溶液；搅拌均匀后，倒入玻璃模框摊平，用波长365nm、功率IOOW的紫外光距离玻璃模框25厘米处照射，待胶体凝固后即得聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的聚氨酯光交联树脂预聚物的主链为聚醚聚氨酯结构，末端为含C=C双键的甲基丙烯酸酯基团，分子量为4000。
3.根据权利要求1所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的果糖基转移酶溶液和所述的葡萄糖异构酶溶液的用量按果糖基转移酶和葡萄糖异构酶的酶活力比值为4:1 2:1进行配比。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的果糖基转移酶溶液为果糖基转移酶纯溶液，或为果糖基转移酶和产果糖基转移酶的微生物细胞混合得到的溶液； 步骤(2)中所述的葡萄糖异构酶溶液为葡萄糖异构酶纯溶液，或为葡萄糖异构酶和产葡萄糖异构酶的微生物细胞混合得到的溶液。
5.根据权利要求4所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于所述的果糖基转移酶溶液通过如下方法制备得到将保藏于位于中国武汉的中国典型培养物保藏中心，保藏日期为2012年4月10日，保藏编号为CCTCC N0:M2012106的米曲霉(Aspergillus oryzae) scut209菌株接种于种子培养基中，30°C振荡培养36h,然后接种于100. Oml发酵培养基中，30°C、200r/m振荡培养48h，离心收集菌丝体，蒸馏水洗涤两次后，加入10. Oml浓度为O. 05mol/L、pH6. O的磷酸盐缓冲液，于冰浴条件下，用超声波破碎细胞，得到果糖基转移酶溶液； 其中，种子培养基的组成如下白砂糖的终浓度为质量百分比3. 0%，营养肉汤的终浓度为质量百分比3. 6%，自然pH;发酵培养基的组成如下白砂糖的终浓度为质量百分比5.0%，豆柏粉的终浓度为质量百分比2. 0%，玉米粉的终浓度为质量百分比O. 3%，自然pH。
6.根据权利要求5所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的制备方法，其特征在于所述的超声波的操作参数为570W ;方式破碎9秒，间歇5秒；时间30分钟。
7.一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒，由权利要求1 6任一项所述的制备方法得到。
8.权利要求7所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒在低聚果糖生产中应用，其特征在于包含以下步骤1、将蔗糖溶解于浓度为O.05mol/L、pH6. O的磷酸盐缓冲液中，得到转化底物蔗糖溶液； I1、往转化底物蔗糖溶液中加入所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒，再加入Mg2+、S2O42-作为激活因子，振荡反应，得到低聚果糖。
9.根据权利要求8所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒在低聚果糖生产中应用，其特征在于步骤I中所述的转化底物蔗糖溶液的浓度为质量百分比40% ； 步骤II中所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒的用量为相当于步骤I中所述的蔗糖的质量的1/8 ； 步骤II中所述的振荡反应的条件为于44 46°C振荡反应。
10.根据权利要求8所述的聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒在低聚果糖生产中应用，其特征在于步骤II中所述的Mg2+的浓度为4. 06mmol/L ； 步骤II中所述的S2042_的浓度为1. 03mmol/L ； 步骤II中所述的振荡反应的条件为于44 46°C、150 200rpm振荡反应6 8h。
全文摘要
本发明公开了一种聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒及在低聚果糖生产中应用。本发明通过将聚氨酯光交联树脂预聚物水溶液和安息香乙醚混合，灭菌后再加入果糖基转移酶溶液和葡萄糖异构酶溶液；搅拌均匀，倒入玻璃模框摊平，紫外光照射固定，得到聚氨酯光交联树脂固定双酶颗粒。将该颗粒用于生产低聚果糖生产，是将该颗粒加入到蔗糖溶液中，再加入Mg2+、S2O42-作为激活因子，振荡反应，得到低聚果糖。该颗粒的制备方法简单，材质安全无毒。将其用于生产低聚果糖，转化效率得到了极大的提高，低聚果糖含量达到52.12%，表征转化率比游离酶和固定化单酶体系分别提高了66.94%和47.57%，具备有工业应用价值。
文档编号C12N11/08GK103045577SQ20121054784
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者张毅, 林晓珊, 蒋波, 陈子健 申请人:华南理工大学