蛋白质扫频超声预处理促进其酶解反应的机理及控制机制研究

本项目以玉米蛋白酶解制备ACE抑制肽为例，进行蛋白质扫频超声处理促进其酶解反应的机理及控制机制研究。对比性地研究定频与扫频、单频扫频与双频扫频等超声工作模式对蛋白质可酶解性的影响；建立基于蛋白质最优模式扫频超声预处理的酶解反应动力学和热力学方程，探讨扫频超声预处理促进蛋白酶解反应的超声化学机理；建立超声空化的气泡动力学模型，研究超声参数对空化过程的影响，初步利用空化气泡的运动特征，研究扫频超声处理改变蛋白质结构的空化机理；研究扫频超声对蛋白质分子的波谱特性和微观结构特征的影响，建立蛋白质波谱特性、结构特征与蛋白质降解特性之间的关联关系，从分子尺度揭示扫频超声波处理促进酶解的原因。通过定量分析与直观表征，研究扫频超声预处理促进蛋白酶解反应的控制机制。本研究有助于解决超声在促进酶解反应基础理论研究方面存在的不足，对于蛋白加工业的发展、扫频超声技术在生物大分子的改性或降解领域的应用奠定理论基础。

本项目从扫频超声对蛋白质的酶解特性及酶解效果、酶解反应动力学和反应热力学、微观结构特征和分子波谱特性、空化气泡动力学等方面的影响研究了扫频超声预处理促进蛋白质酶解反应的机理及控制机制。全面完成了研究任务，主要研究结论如下：. 1. 扫频超声玉米蛋白酶解特性及酶解效果的影响：在优化得到最佳超声预处理和酶解的条件下，酶解产物的IC50值为3.77 mg/mL，比无超声酶解降低了31.20%；产品得率为66.15%，比无超声酶解提高了14.39%，说明扫频超声预处理对玉米蛋白酶解有显著的促进作用。. 2. 扫频超声对玉米蛋白酶促反应动力学的影响：玉米蛋白经过扫频超声预处理后，反应动力学参数Michaelis常数Km从无超声对照组的49.17 g/L降低到29.68 g/L；Vmax为0.6432 g/min•L，与无超声对照组的0.707 g/min•L相比变化不大。Km值大幅下降说明超声使得酶与底物的亲和力在短时间内迅速增大。. 3. 扫频超声对玉米蛋白酶促反应热力学的影响：经单频扫频和双频扫频超声处理后，玉米醇溶蛋白的Ea从5.84 kJ/mol降到4.70和5.74kJ/mol；使ΔH从46.05 kJ/mol降到36.56和45.20 kJ/mol。说明扫频超声预处理使得玉米蛋白酶解反应更加容易发生。. 4. 扫频超声对蛋白质微观结构特征和分子波谱特性的影响：原子力显微镜2D图像表明，随着超声处理时间的增加，蛋白颗粒出现先大幅度快速细化，再出现小幅度聚集自组装的现象。研究发现细化是由于超声的物理振动作用促使蛋白质颗粒松散所致；聚集是因为超声引起蛋白亚基解离和疏水基团暴露，极化亚基相互吸引，非共价键重新形成所致。借助紫外、荧光、圆二色谱等方法进一步研究了超声波引起蛋白质螺旋结构展开的根本原因。. 5.超声空化的气泡动力学研究：通过高速摄像法拍摄了5个不同频率扫频超声振板的空化泡形态过程。发现40kHz超声振板空化现象最明显；液面高度越低，单位体积空化强度越高，空化泡形态越明显，空化效应越好。. 主要成果：发表加课题编号论文13篇，其中被SCI收录或源刊8篇、被EI收录4篇，申请发明专利9件、获授权发明专利4件，2项成果2013年分别获得教育部科学技术进步二等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖。