定点突变提高解淀粉芽孢杆菌JP-21脲酶应用特性

氨基甲酸乙酯(Ethylcarbamate,EC)是一种存在于发酵食品和酒精饮料中的可致癌物,过量摄入可能会影响人体健康。酶法降解是减少发酵食品中氨基甲酸乙酯及其前体尿素含量的有效方法之一。脲酶具有氨基甲酸乙酯水解酶和尿素酶两种活性,因此在减少发酵食品中氨基甲酸乙酯及其前体尿素方面具有良好的应用前景。目前脲酶降解发酵酒精饮料中氨基甲酸乙酯面临的主要问题是脲酶对氨基甲酸乙酯的催化活性及亲和力较低,因而其降解效果不理想。文中成功在大肠杆菌Escherichia coli中表达了来源于解淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens JP-21的脲酶,表达水平为尿素酶3 291.74 U/L,氨基甲酸乙酯水解酶227.26 U/L。通过模拟脲酶中催化亚基UreC与氨基甲酸乙酯对接的结构,确定了M326和M374这两个影响酶与底物结合的位点。采用点饱和突变获得了3株氨基甲酸乙酯水解酶活性提高的突变体M374A、M374T和M326V,以EC为底物时的Km分别为101.84mmol/L、129.49 mmol/L和121.67 mmol/L,比野生型分别降低了37.47%–50.82%。突变体可以降解黄酒中97%的尿素,M374T对黄酒中EC的降解效果最好,可将黄酒中EC从513.90μg/L降至393.57μg/L,降解率是野生脲酶的1.97倍。研究结果对今后改造脲酶催化特性和改善其应用特性具有重要意义,可为开发减控发酵食品中的微生物代谢氨(胺)类危害物策略提供参考。     

氨基甲酸乙酯水解酶的家族生物信息学分析

氨基甲酸乙酯(Ethyl carbamate,EC)是酒精饮料生产过程中自然产生的副产物,具有潜在的致癌性和遗传毒性,成为影响人们健康的隐患.利用氨基甲酸乙酯水解酶(Urethane hydrolase,UH)消除酒精饮料中已存在的EC具有直接、高效的作用.为了进一步探索EC水解酶的功能与作用,本实验利用生物信息学的方...     

解淀粉芽孢杆菌诱变育种及其突变株在降低酱油中氨基甲酸乙酯的应用

【目的】通过诱变育种提高解淀粉芽孢杆菌JY06利用精氨酸的能力,并将其用于降低酱油中的氨基甲酸乙酯及前体,从而提高酿造酱油的安全性。【方法】采用等离子诱变和紫外诱变两种诱变育种方法对解淀粉芽孢杆菌JY06进行突变,应用高通量筛选手段获得具有高精氨酸利用能力的突变株,验证突变株降低酱油中氨基甲酸乙酯的能力。【结果】获得了12株精氨酸利用能力提高的突变株,与出发菌株JY06相比,突变株C12和E6可使酱油中瓜氨酸含量分别降低了15.6%和14.7%,EC的含量分别降低了19.3%和13.1%。【结论】通过等离子诱变和紫外诱变进一步提高了解淀粉芽孢杆菌JY06降低酱油中EC及其前体瓜氨酸的能力,具有控制或减少酱油中生物危害物的应用潜力。     

清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及其与尿素代谢的关系

【目的】探索清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及演变,分析潜在的关键尿素代谢酵母及其环境调控因素,为降低发酵过程中氨基甲酸乙酯的含量提供理论依据。【方法】通过相关性分析明确发酵过程中氨基甲酸乙酯主要前体物质及其代谢微生物类群,利用高通量测序技术解析酵母群落结构组成,并结合偏最小二乘回归分析寻找潜在的关键尿素代谢酵母。采用冗余分析评价发酵过程中环境因素对酵母群落结构的影响。【结果】尿素是清香型白酒发酵过程中氨基甲酸乙酯的主要前体物质,酵母是尿素代谢的主要微生物。高通量测序结果显示,在97%的相似度下进行操作分类单元聚类后,共鉴定出22个酵母种。其中,嗜高压有孢汉生酵母(Hanseniaspora osmophila)、发酵毕赤酵母(Pichia fermentans)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)与尿素合成存在正相关性,库德毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)与尿素降解存在正相关性。酒醅含水量、p H、乙醇和精氨酸是影响发酵过程中酵母群落演替的重要环境因素。【结论】环境因素影响潜在的关键尿素代谢酵母,为降低发酵过程中尿素与氨基甲酸乙酯含量提供理论依据。     

酒醅中精氨酸利用菌株的分离筛选及其对浓香型白酒中瓜氨酸积累的影响

【目的】分析浓香型白酒酒醅发酵过程中氨基甲酸乙酯前体物质瓜氨酸含量显著增加的原因,确定酒醅中能够利用精氨酸并积累瓜氨酸的微生物,为解析白酒中氨基甲酸乙酯的形成机制提供研究基础和理论依据。【方法】采用高通量筛选技术,从浓香型白酒酒醅中分离具有高精氨酸利用能力和高瓜氨酸积累特性的菌株,并通过基因型和表现型验证以及模拟窖内发酵验证它们对瓜氨酸积累的贡献。【结果】共筛选获得20株具有高精氨酸利用能力的菌株,其中Lactococcus garvieae LD3,Bacillus amyloliquefaciens BG5,Pediococcus acidilactici PH7和Staphylococcus pasteuri SH11具有较高的瓜氨酸生成能力,并可使酒醅中瓜氨酸含量显著增加。【结论】筛选获得的4类微生物均能够通过ADI途径代谢积累瓜氨酸,是导致酒醅瓜氨酸含量增加的原因。     

定点突变改造提高纺锤形赖氨酸芽孢杆菌氨基甲酸乙酯水解酶稳定性

氨基甲酸乙酯(Ethyl carbamate,EC)是一种存在于发酵食品和酿造酒精饮料中的潜在致癌物质。利用生物酶法去除食品饮料中的EC是一种较为安全有效的方法。本研究以来源于赖氨酸芽孢杆菌Lysinibacillus fusiformis SC02的氨基甲酸乙酯水解酶为研究对象,采用计算机辅助设计突变位点,构建了其不稳定区域Q328位点的饱和突变体。通过酶学性质分析发现,突变体Q328C和Q328V在40℃下的半衰期分别提高了7.46和1.99倍,Q328R在高温下也有比原酶更好的耐受性。此外,突变体Q328C对乙醇的耐受性和酸耐受性也有所提高。对氨基甲酸乙酯水解酶分子改造的结果表明,通过改造其不稳定区域Q328位点,可以提高酶的热稳定性及对酸和乙醇的耐受性。     

微生物酶法消除黄酒中氨基甲酸乙酯研究进展

氨基甲酸乙酯(Ethyl carbamate,EC)具有致癌性,广泛存在于酒精饮料中。我国的黄酒因EC含量高而带来的食品安全问题越来越受到人们的关注。微生物酶法消除黄酒中的EC具有直接、高效的特性而被深入研究。文中从黄酒中EC的形成机制、酸性脲酶研究现状、氨基甲酸乙酯水解酶研究现状等方面概述了微生物酶法消除黄酒中EC的研究进展及存在的问题。并针对这些问题,提出了寻找新型氨基甲酸乙酯水解酶、Fe~(3+)依赖型双功能酸性脲酶食品级表达与定向进化及双酶并用将尿素和EC一起消除的策略。     

高效液相色谱-荧光检测法分析酱油中的氨基甲酸乙酯

建立了高效液相色谱-荧光法检测酱油中氨基甲酸乙酯的分析方法.首先用乙酸乙酯萃取酱油中的氨基甲酸乙酯,再经减压旋转蒸发浓缩得待测样品.其次确定了衍生化反应条件:取1.0 mL待测样品,加入200 μL 0.02 mol/L占吨醇,再加入100 μL 1.5 mol/L盐酸于暗处反应30min.实验结果表明:该方法标准曲线良好,线性范围为10～200 μg/L,相关系数为R2=0.988,氨基甲酸乙酯的出峰时间为14.882 min,平均回收率为100.12％.最低检测限为5μg/L,比已经发表的最低检测限(20 μg/L)要低.最后对市售酱油S1～S6样品中的氨基甲酸乙酯含量进行了检测,表明市售酱油S1～S6中氨基甲酸乙酯的含量为31.25～114.78μg/L.本文所建立的方法具有简便快捷、灵敏度高的特点,可满足对酱油中氨基甲酸乙酯含量检测的需要.     

嗜盐四联球菌arc operon多拷贝基因在精氨酸代谢中的作用

【背景】嗜盐四联球菌(Tetragenococcus halophilus)是一类存在于发酵食品中的耐盐乳酸菌,研究其精氨酸(arginine,Arg)代谢对解析食品发酵过程中氨基甲酸乙酯(ethyl carbamate,EC)前体积累机制和保障食品安全具有重要意义。【目的】研究酱醪来源嗜盐四联球菌精氨酸脱亚氨基(arginine deiminase,ADI)途径的基因构成,揭示这些基因对菌株精氨酸代谢和氨基甲酸乙酯前体瓜氨酸(citrulline,Cit)利用与积累的影响。【方法】采用PCR扩增与测序分析不同菌株的ADI途径基因组成,通过比较ADI途径关键基因转录水平和关键酶活性,探究环境因素对嗜盐四联球菌代谢氨基酸能力的影响及各拷贝基因参与氨基酸代谢的功能。【结果】酱醪来源嗜盐四联球菌基因组中ADI途径基因类型主要有两大类：以菌株R23为代表含有完整arc操纵子(operon)基因且具有最多基因拷贝数;以菌株C3为代表缺失arcA和arcB但含有多拷贝arcB和arcC。基因组中有arcA的菌株才具有利用精氨酸能力,并通过利用精氨酸生成瓜氨酸。体系中精氨酸含量和乙醇与脂肪酸的存在均可影响嗜盐四联球菌利用精氨酸积累中间产物瓜氨酸。当精氨酸含量大于5 g/L或体系中含有乙醇与脂肪酸时,嗜盐四联球菌会利用精氨酸积累中间产物瓜氨酸。脂肪酸和乙醇对ADI途径的3个关键酶均有显著抑制作用,可使精氨酸脱亚氨基酶(arginine deiminase,ADI)、鸟氨酸氨甲酰基转移酶(ornithine transcarbamylase,OTC)和氨甲酰磷酸激酶(carbamate kinase,CK)的活性分别降低41.0%、46.4%和60.0%。嗜盐四联球菌中arcB转录水平分别是其拷贝arcB₁和arcB₂的10.5倍和29.8倍,arcC的转录水平分别是arcC₁、arcC₂、arcC₃的17.6、20.3、23.9倍,说明arcB和arcC在瓜氨酸代谢中起主要作用。【结论】精氨酸含量和乙醇加脂肪酸是影响嗜盐四联球菌代谢精氨酸能否积累瓜氨酸的关键环境因素。嗜盐四联球菌arc operon的多拷贝基因中,arcB和arcC基因在瓜氨酸代谢中起主要作用。     

重组酸性脲酶对黄酒中尿素和氨基甲酸乙酯的降解应用

氨基甲酸乙酯(Ethyl carbamate,EC)作为一种潜在致癌物质普遍存在于传统发酵食品中。利用酸性脲酶消除EC前体物质尿素是一种具有潜在重要应用价值的策略。本研究在前期成功实现食品级耐乙醇酸性脲酶高效表达制备的基础上,系统研究了重组酸性脲酶对尿素和EC的水解过程。重组酸性脲酶对模拟体系以及黄酒体系中的尿素具有很好的降解能力(60mg/L的尿素在25h内完全被降解),表明该重组酸性脲酶适用于黄酒中尿素的消除。虽然重组酸性脲酶也具有降解EC的催化活性,但在黄酒中添加重组酸性脲酶对EC的浓度无明显影响。进一步研究发现重组酸性脲酶对尿素和EC的Km值分别为0.714 7mmol/L和41.32mmol/L,研究结果为应用定向进化策略改造重组酸性脲酶实现同时水解尿素和EC提供了理论依据。