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TUhjnbcbe - 2025/1/15 19:13:00

在果蔬采后生理生化实验中,除了测定品质指标、生理指标等外,还要从果蔬中提取各种成分进行分析。果蔬中含有多种具有生物活性的物质如色素物质、酚类物质、类黄酮以及其他种类各种次生代谢产物,这些物质的提取分离纯化相对简单。而果蔬中蛋白质、酶和核酸的提取、分离纯化就显得比较复杂繁琐。这三类物质是生命活动的基本物质。在如今生命科学高度发展的时代,生物体内蛋白质、酶和核酸等生物大分子的研究得到前所未有的重视。在开展这类研究时,首先要进行材料的处理、物质的提取和制备工作。然而这些物质的分离纯化与制备是一件十分细致而困难的工作,要付出长期和艰苦的努力。

(一)材料的处理

在提取、制备生物大分子物质时,首先要选择适当的果蔬材料。一般果蔬材料都具有较坚固的纤维素、半纤维素和果胶物质组成的细胞壁,因此需要采取专门的细胞破碎方法,以使细胞内物质释放和提取出来。在实验过程中,通常将剪碎的果蔬组织置于研钵或匀浆器中,加入少量石英砂研磨或匀浆,可将果蔬细胞破碎。此外,在大量处理材料时,可先将材料剪碎,再用内刀式组织捣碎机(即高速分散器)将组织的细胞打碎。为了防止发热和升温过高,通常是转10~20秒,停10~20秒,反复多次。为了有效减低研磨或匀浆过程中发热,所用器皿和溶液都要预冷。值得注意的是,在研磨或匀浆过程中,要防止产生泡沫。

此外,在选择材料使应考虑到其他的一些因素的影响。如果蔬组织中的酚类物质能影响酶活性的测定。因此如果没有特殊要求时,可选用果蔬的浅色部分或者一些蔬菜的黄化幼苗作为材料。在这些组织中一般酚类化合物含量较低,在提取过程中可以减少酚类物质造成的影响。果蔬组织中含量很高的糖类物质、果胶物质、有机酸往往也会影响到蛋白质和酶的提取及活性测定,因此,在选择材料时也应予以考虑。

(二)提取过程

提取是指在将经过预处理或破碎的细胞置于溶剂中,使被分离的生物物质充分地释放到溶剂中,并尽可能保持原来的天然状态而不丢失生物活性的过程。这一过程是将目的产物与细胞中其他化合物和生物物质分离开来,由固相转入液相,或从细胞内的生理状况转入外界特定的溶液中。

影响提取的因素主要有:目的产物在提取溶剂中溶解度的大小;由固相扩散到液相的难易;溶剂的pH值和提取时间等。一种物质在某一溶剂中溶解度的大小与该物质的分子结构及使用的溶剂的理化性质有关。一般地说,极性物质易溶于极性溶剂,非极性物质易溶于非极性溶剂;碱性物质易溶于酸性溶剂,酸性物质易溶于碱性溶剂;温度升高,溶解度加大,远离等电点的pH值,溶解度增加。提取时所选择的条件应有利于目的产物溶解度的增加和保持其生物活性。

蛋白质和酶的提取一般以水溶液为主。稀盐溶液和缓冲液对蛋白质的稳定性好,溶解度大,是提取蛋白质和酶最常用的溶剂。提取液的用量一般为组织的1~5倍,用量大些有利于提高得率,但工作量大。用水溶液提取生物大分子应注意的几个主要影响因素是:

(1)盐浓度(或离子强度)

离子强度对蛋白质的溶解度有极大的影响。绝大多数蛋白质和酶,在低离子强度的溶液中都有较大的溶解度,如在纯水中加入少量中性盐,蛋白质的溶解度比在纯水时极大地增加,称为“盐溶”现象。但中性盐的浓度增加至一定时,蛋白质的溶解度又逐渐下降,直至沉淀析出,称为“盐析”现象。盐溶现象的产生主要是少量离子的活动,减少了偶极分子之间极性基团的静电吸引力,增加了溶质和溶剂分子间相互作用力的结果。所以低盐溶液常用于大多数生化物质的提取。通常使用0.02~0.05mol/L缓冲液或0.09~0.15mol/LNaCl溶液提取蛋白质和酶。不同的蛋白质极性大小不同,为了提高提取效率,有时需要降低或提高溶剂的极性。增加离子强度(如加入KCl、NaCl、NH4Cl或(NH4)2SO4)可以增加溶液的极性,而向水溶液中加入蔗糖或甘油可使其极性降低。

(2)pH值

蛋白质、酶与核酸的溶解度和稳定性与pH值有关。过酸、过碱均应尽量避免,一般控制在pH=6~8范围内,提取溶剂的pH应在蛋白质和酶的稳定范围内,通常选择偏离等电点的两侧。碱性蛋白质选在偏酸一侧,酸性蛋白质选在偏碱的一侧,以增加蛋白质的溶解度,提高提取效果。例如胰蛋白酶为碱性蛋白质,常用稀酸提取,而肌肉甘油醛-3-磷酸脱氢酶属酸性蛋白质,则常用稀碱来提取。

(3)温度

为防止变性和降解,制备具有活性的蛋白质和酶,提取时一般在0℃~4℃的低温操作。但少数对温度耐受力强的蛋白质和酶,可提高温度使杂蛋白变性,有利于提取和下一步的纯化。

(4)防止蛋白酶或核酸酶的降解作用

在提取蛋白质、酶和核酸时,常常受自身存在的蛋白酶或核酸酶的降解作用而导致实验的失败。为防止这一现象的发生,常常采用加入抑制剂或调节提取液的pH、离子强度或极性等方法使这些水解酶失去活性,防止它们对欲提纯的蛋白质、酶及核酸的降解作用。

(5)搅拌与氧化

搅拌能促使被提取物的溶解,一般采用温和搅拌为宜,速度太快容易产生大量泡沫,增大了与空气的接触面,会引起酶等物质的变性失活。一般蛋白质都含有相当数量的巯基,有些巯基常常是活性部位的必需基团,若提取液中有氧化剂或与空气中的氧气接触过多,都会使巯基氧化为分子内或分子间的二硫键,导致酶活性的丧失。在提取液中加入少量β-巯基乙醇或半胱氨酸可以防止巯基氧化。

(6)降低酚类物质的影响

果蔬组织中往往含有大量的酚类物质,酚类物质影响蛋白质的提取和酶活性的测定。在提取过程中为了尽量减少酚类物质造成的影响,一般使用较高pH值的缓冲液作为酶提取液。在较高pH值时,酚类物质大部分呈解离态而不与蛋白质形成强的氢键。但是,较高pH值能促进酚类物质的氧化,同时降低酚类物质吸附剂如聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinglpyrrolidone,PVP)的有效性。因此,通常采用提取液的pH值为6.0~7.2。PVP能与游离酚的羟基形较强的氢键复合物,是酚类化合物的有效结合剂。在提取线粒体酶时加入可溶性PVP。提取可溶性酶则加入不溶性交联Polyvinglpolypyrrolidone(PVPP),能有效地降低提取液中酚类物质的含量。PVPP含有微量金属元素及PVP单体,可加HCI煮沸10分钟,用NaOH中和,再用水洗几次,直至中性,纯化后的PVPP不必干燥就可接使用。

提取时可加入酚类结合剂PVP或PVPP、金属螫合剂EDTA或其钠盐等,以及含-SH化合物以保护蛋白质,或加入非离子型去垢剂如TritonX-以增加蛋白质的溶解度。在具体操作时,应通过试验以确定提取蛋白质的最佳条件。

(三)样品的分离、纯化

由于生物体的组成成分是如此复杂,数千种乃至上万种生物分子处于同一体系中,因此不可能有一个适合于各类分子的固定的分离程序,但多数分离工作关键部分的基本手段是相同的。常用的分离纯化方法和技术有:沉淀法(包括:盐析、有机溶剂沉淀、选择性沉淀等)、透析法、吸附层析、凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析、快速制备型液相色谱以及等电聚焦制备电泳等。各种生物大分子和生物制剂的保存条件,可查阅有关的文献和酶学手册。

(四)样品的保存

提取或制备的蛋白质和酶等生物物质,需要一定的条件下保存,才能保持这些物质的生物活性。常用的保存方法有:

(1)低温下保存

多数蛋白质和酶对热敏感,35~40℃以上就会失活。蛋白质和酶越纯越不稳定,且溶液状态比固态更不稳定。在冰箱冷藏条件下一般也只能保存一周左右。通常要保存于-5~-20℃,如能在-70℃下保存则最为理想。

(2)制成干粉或结晶保存

蛋白质和酶固态比在溶液中要稳定的多。固态干粉制剂放在干燥剂中可长期保存,例如葡萄糖氧化酶干粉在0℃可保存2年,在-15℃可保存8年。通常,当酶与蛋白质含水量大于10%时,在室温、低温下保存时均易失活;当含水量小于5%时,在37℃保存时活性会下降。如果要抑制微生物活性时,酶干粉的含水量要小于10%;要抑制其生化活性时,含水量要小于3%。此外,应特别注意的时酶在冻干时往往会出现部分地失活。

(3)在保护剂下保存

为了长期保存蛋白质和酶,常常要加入某些稳定剂。例如:①惰性的生化或有机物质:如糖类、脂肪酸、牛血清白蛋白、氨基酸、多元醇等,以保持稳定的疏水环境。②中性盐:有一些蛋白质要求在高离子强度(1~4mol/L或饱和的盐溶液)的极性环境中才能保持活性。最常用的有MgSO4、NaCl、(NH4)2SO4等,在使用时要脱盐。③巯基试剂:一些蛋白质和酶的表面或内部含有半胱氨酸巯基,易被空气中的氧缓慢氧化为磺酸或二硫化物而变性,保存时可加入半胱氨酸、β-巯基乙醇。

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