超声波对酶活性的影响

超声波对酶活性的影响西北农林科技大学 创新实验学院，陕西 杨凌 712100摘 要 超声波具有机械效应、热效应和空化效应等特殊的性质。在实际中，利用超声波处理酶，可以改变酶的催化活性，在食品、化工等方面具有广泛的运用。研究发现，只有在一定范围的频率和功率的超声波，作用时间适中，才会对酶活性具有促进作用，而且不同酶对超声波具有不同的抗性，在有机溶液中可以提高其抵抗性。超声波改变酶的催化活性的机理是通过改变酶的构象，从而改变了酶分子与底物结合的程度，使酶的催化活性改变。关键词 超声波；酶活性；机理；运用 超声波是一种高于人听觉上限的声波，传 播频率在20khz以上，也是物质介质中的一种 弹性机械波。因具有机械效应、热效应和空化 效应等特殊的性质，超声波已被广泛运用在医 疗、金属、化学和化工等方面。近十几年来， 超声波开始被运用到生命科学，其中之一就是 研究超声波对酶活性的影响。根据阅读有关文 献，发现研究的重点主要有两个方面：一是超 声波对酶的作用机理；二是这方面的实际运 用。1 超声波对酶活性影响的机 理1.1 超声波影响酶活性的因素 作为活性生物分子的酶，其活性的高低从 根本上取决于酶分子构象的合理程度。超声波 对酶既有激活作用，也有钝化作用，其中超声 波的功率、频率、对酶的处理时间以及酶促反 应的介质均会对酶的构象产生影响，因而使酶 的活性改变。1.1.1 低强度超声波对酶的作用机理 一般来 说较低强度的超声波对酶的活性具有促进作 用，随着超声波强度的增加，不同酶的活性会 不同程度的减弱。其中的原因主要有：超声 热效应是液体介质温度升高，导致酶活性下降 或失活超声空化产生的自由基：水分子降解 产生氢和氢氧根。其中氢氧根作用于二硫键中 的胱氨酸残基的硫原子，使二硫键断裂；氢作 用于胱氨酸残基的硫原子产生R-SH,使大分子 的次级构象产生变化瞬态空化产生的冲击 波或高速射流破坏了酶的分子结构甚至把酶 分子剪切成小碎片而表现出酶活性下降1。1.1.2 酶促反应的介质对酶的作用机理 大部 分酶促反应在水溶液中进行，有些酶促反应还 可以在有机溶液中进行。与水溶液相比，酶在 非极性介质中对超声作用有较大的抗性。非极 性介质的极性越小，疏水性越强，超声对酶的 促进作用越明显2。分析原因有：在非极性介 质中，酶分子的构象较紧密，刚性增强，能够 抵御较为剧烈的作用，不易产生构象的变化而 失活，同时，非极性介质中酶分子维持活性所 需的水分子被紧密固定在酶分子的表面，仍然 使酶分子保持具有较高催化活性的构象，从而 起到保护酶分子的作用3。研究酶在不同溶剂 里反应速度不同，可以提示我们体外模拟体内 酶生存的环境可以提高酶的活性，探寻体外与 酶有关的关键因素。1.1.3 超声对固定化酶的作用机理 再就是超 声波可以提高固定化酶的反应速率，其可能的 机理是，由于超声波的空化作用和机械振动作 用，反应液中的底物和产物分子在超声波的驱 动下，也以较高的频率振动，固定化酶与底物 及反应物的的接触次数大为增加，同时产物的 释放加快，从而使固定化酶的表现米氏常数减 小2,4 （Km越小，酶与底物的亲和力越大），反 应速率增加。1.1.4 超声作用时间和频率对酶的影响 对于 超声波作用的时间和频率，不同的酶具有不同 的性质，所以具有不同的效果，没有研究出规 律性。一般情况下，超声波在短时间内可以提 高酶的活性，作用时间增加，酶活性就会慢慢 降低3。高频率的超声波同样会对酶产生钝化 作用。而且不同酶具有不同的超声波作用时间 和频率。2 超声波与酶有关应用2.1 超声波对酶活性的两面性有关超声波对酶的作用被广泛运用在食品 科学，生命科学，化工等方面。在实验中，研 究对酶活性最适的超声波强度和频率以及作 用时间，可以有效的缩短反应所需的时间，简 化工序。2.1.1 激活作用 张富新等5利用超声提取小牛皱胃酶，与传统提取法提取2d,提取活性 最大为54368 U/g相比，它仅需70min,提取 活性就可以达到62768U/g。大大缩短了提取时 间，提高了提取率。刘耘等6以木薯淀粉为原 料，用50W的超声波处理，可使固定化酶活力 提高，生产的异麦芽低聚糖中二糖、三糖的有 效成分含量最多提高7.72%。郭海学7在非极 性介质中，适宜的超声波处理可提高固定化脂 肪酶水解三乙酸甘油酯的催化活性。肖贵平等 8利用超声从新鲜番木瓜中提取木瓜蛋白酶， 在超声功率300W、20kHz处理时间200s条件 下，其提取的酶活力是未经超声处理的1.71 倍。在现代工业中利用超声处理污泥水解释放 碳源，超声不仅破坏污泥絮体结构，而且提高了微生物中蛋白酶和辅酶 F 420 的活性，更 有利于污泥水解9。将超声运用到固定化酶技 术早有研究。固定化酶技术克服了溶液酶的酶 活性脆弱、易失活、寿命短、不能重复利用等 缺点，但它存在反应特性改变、酶活性降低的 问题。将超声波运用于固定化酶，能够有效地 改善其催化动力学，克服酶活性降低3。Ishimori Y等如以酪朊作底物，用20kHz 的超声波处理固定于琼脂胶上的a-胰凝乳朊 酶，可使其活性提高2倍。林影等11认为频率 为20kHz，功率为20W的超声波可促进固定化 聚糖酶的催化作用，使得以蔗糖为底物的酶活 力提高了60%。可利用超声波激活酶活性提高 食品中有用酶的活性，如食品工业中生产低乳 糖含量的酸牛奶时引入超声作用，可使B-半 乳糖苷酶活性明显提高14。实验表明，加入超 声时乳糖浓度减少71%74%，而不加时仅减少 39%51%2。利用超声波辅助酶对糙米的纤维素 皮层进行了适当的处理，研究发现，随着处理 时间的延长，纤维素酶、果胶酶、以及两者的 复合酶液分解纤维素皮层得到的总含量都不 断增加，.5h时总糖含量分别为61.41、77.58、 95.31mg，是无超声波辅助下的1.16倍、1.06 倍、1.47倍15。由此可见，用超声波辅助酶处 理糙米，可以提高酶反应效率，缩短处理时间， 从而更大程度地改善糙米的理化特性以及食用 品质12。2.1.2钝化作用 超声不仅可以激活酶的活性， 还可以利用超声钝化酶活性的作用来钝化食品 中不利的酶，如存在于新鲜水果和蔬菜中的过 氧化物酶，会降低水果风味，产生褐色。通过 超声波的作用可以提高新鲜水果和蔬菜的上架 期3；在适宜压力下用热处理和超声波相结合 的方法对番茄果实进行处理，该方法的协同作 用比常规热处理更能够抑制果胶甲酯酶（PE） 和半乳糖醛酸酶（PG） I和II的活性，在62.5 C下对于PE酶热抑制的D值（原始酶活性降低 90%所需要的时间）降低了 52.9倍，PGI和II 热抑活的D值在86 C和52.5 C分别降低 85.8倍和26.3倍。热处理与超声波共同抑制 过氧化物酶活性的效率比常用的热处理方法高 13。3结果与讨论超声波作为一种物理波，具有高效、廉价、 无污染等特点，特别适合工业、农业和生物医 药中应用。超声波辅助酶通过改变酶的构象来 改变其催化特性。目前有关二者方面的研究主 要是掌握各种被应用酶的超声波作用参数，使 该种酶在适宜参数的超声波作用下产生正效 果。而在实际运用中并没有推广性，因为在实 验室中影响酶活性的因素可以人为的来控制， 而在实际生产中，影响酶活性的因素有很多， 利用超声波处理酶并不一定能够达到预期的目 的。所以其实用性主要体现在实验室中，利用 超声波处理酶，通过改变酶分子的构象，来研 究如何提高体外酶活性。而且大多数研究只是 从实验结果中得出超声波对酶活性的影响，很 少有研究酶分子如何变化，哪些变化对酶的活 性有正面影响，哪些有反面的影响，所以超声 波对酶活性的影响还有待进一步研究。参考文献1时兰春,王伯初,杨艳红,戴传云. 低强度超声波在生物 技术中应用的研究进展J.重庆大学学报（自然科学 版）,2002,10:139-142.2 朱国辉,黄卓烈,丘泰球,刘石生. 功率超声对酶促反应 的影响J.应用声学,2001,04:45-48.3 梁春虹，黄惠华.超声波场致效应对酶的影响J.食 品与机械,2007,02:133-136.4 王静,韩涛,李丽萍. 超声波的生物效应及其在食品工 业中的应用J.北京农学院学报,2006,01:67-75.5 张富新, 陈锦屏, 李林强. 利用超声处理提取皱胃酶 的实验研究J.农业工程学报，2004, 20 ( 3) : 153 156.6 刘耘, 宗敏华, 黄秋月,等. 有机相中超声辐照对脂 肪酶活性的影响J.中国生物化学与分子生物学报，1999, 15( 1 ) : 151.7 郭海学. 有机溶剂对脂肪酶活性影响的研究 J . 扬 州教育学院学报, 2000, 34( 3 ) : 4 6.8 肖贵平. 木瓜蛋白酶超声法提取工艺及其酶学性质 J . 福建农林大学学报, 2005, 34( 3 ) : 318 323.9 刘贺清,熊娅,林秀军,朱民,齐国林. 超声波对污泥水 解的促进作用J.环境工程学报,2013,09:3573-3577.10 Ish im oriY, Karub e I, Suzuk i S. J . J. App.l M icrob ia.l Biotechno,l 1981, 13( 4 ) : 197 201.11 林影,高大维,李国基,等. 超声波对葡萄糖催化作用 的影响J .华南理工大学学报(自然科学版)，1997 ,25 (9) :142- 144.12 扈战强,代飞云,陈琴,刘茂雪,郭襄,汤晓智.超声波 辅助酶处理对糙米理化特性的影响J.中国粮油学 报,2013,05:1-5+23.13 Lopez P , Vercet A，Sanchez A C ,et al. Inactivation of tomato pectic enzymes by manothermosonication,.Z Lebensm Unters Forsch A ,1998,207:24940714 Gennaro D L ,Cavella S , Romano R , et al .The use of ultrasound in food technology I:inactivation of peroxidase by thermosonication .Journal of Food Engineer ,1999 ,39:40140715 SINISTERRA J V. Application of ultrasound to biotechnology :an overviewJ . Ultrasonics , 1992 ,30 (3) :180 - 185.