γ-聚谷氨酸的合成工藝與應(yīng)用

1、-聚谷氨酸的合成工藝與應(yīng)用應(yīng)用科技2008年8月6曰第十六卷第15期一聚谷氨酸的合成工藝與應(yīng)用王汝泮楊大巍趙曉飛張?chǎng)?沈陽(yáng)紅梅企業(yè)集團(tuán),遼寧沈陽(yáng)110026)一¶一聚谷氨酸是由微生物合成的一種細(xì)胞外氨基酸聚合物,可以通過(guò)芽孢桿菌的變種生產(chǎn)12】.游離酸型的一聚谷氨酸pKa值約為2.23,與谷氨酸的僅羧基的大體一致.能夠溶于二甲亞砜,熱的N,N一二甲基酰胺和N一甲基吡咯烷酮.金屬鹽(鈉型)的一聚谷氨酸的比旋光度約為一7.0(C=I.0,H20).實(shí)驗(yàn)部分1.培養(yǎng)過(guò)程菌種:枯草芽孢桿菌.種子培養(yǎng)基:葡萄糖2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù).下同),谷氨酸鈉1%,蛋白胨0.5%,七水硫酸鎂0.5%,磷酸氫二鉀

2、0.2%.發(fā)酵培養(yǎng)基:七水硫酸鎂0.02%.磷酸氫二鉀2%,磷酸二氫鉀0.1%.硫酸錳0.003%,谷氨酸鈉4%,硫酸氨0.5%,葡萄糖5%.種子培養(yǎng)條件:32.5,攪拌220ffmin條件下培養(yǎng)15h,生長(zhǎng)過(guò)程如圖1.發(fā)酵培養(yǎng)條件:接種量1%.通氣量為2.4Umin,溫度為圖1種子生長(zhǎng)曲線收稿日期:2008-0611作者簡(jiǎn)介:楊大巍(1980-),男,從事聚谷氨酸項(xiàng)目開(kāi)發(fā).32.5.攪拌速度為400ffmin,培養(yǎng)時(shí)間酌情而定(主要根據(jù)殘?zhí)窍暮途w生長(zhǎng)情況),一般等到殘?zhí)菫榱?且菌體開(kāi)始衰亡(A660降低)時(shí)停止培養(yǎng),發(fā)酵過(guò)程如圖2.可以看出產(chǎn)物合成與菌體生長(zhǎng)同步.菌體生長(zhǎng)從8h開(kāi)始進(jìn)入對(duì)

3、數(shù)生長(zhǎng)期.糖消耗比較快.產(chǎn)量最后達(dá)到27.33g/L(48h),仍呈上升趨勢(shì).此時(shí)底物糖耗盡,但菌體尚未呈衰亡趨勢(shì),應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間.S0045088350咖.笛0200時(shí)間,h圖2發(fā)酵過(guò)程曲線3鏈躐蹩一一2.分離純化通過(guò)微生物發(fā)酵得到高粘度發(fā)酵液.采用有機(jī)溶劑沉淀法,化學(xué)沉淀法和膜分離沉淀法可獲得一聚谷氨酸.有機(jī)溶劑沉淀和化學(xué)沉淀是指利用離心或凝聚菌體的方法除去發(fā)酵液中的菌體,在上清液中加入低濃度的低級(jí)醇(如甲醇,乙醇),體積為上清液的25倍,沉淀得到一聚谷氨酸.然后用水溶解一聚谷氨酸,透析除去小分子,濾液冷凍干燥得到白色晶體,即為產(chǎn)品.對(duì)高粘度的發(fā)酵液還可以采用膜分離沉淀法,因?yàn)榘l(fā)酵液粘

4、度很高,離心非常困難.將發(fā)酵液的pH值調(diào)到24,粘度隨pH值的下降而下降,pH=3時(shí),發(fā)酵液粘度降為原濃度的1,6(pH<2時(shí),微生物會(huì)發(fā)生降解,pH>4時(shí),發(fā)酵液粘度會(huì)上升).調(diào)節(jié)pH值主要是使細(xì)胞表面電荷減少,菌體發(fā)生凝聚.使離心更有效.如pH=3時(shí),在8000r/rain條件下離心30min可有效地21S(應(yīng)用科技把菌體從發(fā)酵液中分離出來(lái).一聚谷氨酸是一種線形分子,可用分子截留量在5104的超濾膜和蠕動(dòng)泵使一聚谷氨酸發(fā)酵液濃縮到lOOg/L,然后再用乙醇處理濃縮液,這樣乙醇的消耗量大為減少.如把4L濃度為25g/L的發(fā)酵液濃縮到1L濃度為100g/L的發(fā)酵液,

5、再用2.5L乙醇提取可得到60g一聚谷氨酸,大大降低了聚谷氨酸分離提取的成本.3.表征分析采用DSC(示差熱量分析)及GA(熱重量分析)法研究了一聚谷氨酸的熱性質(zhì),得出分解溫度為235.8C,熔點(diǎn)為223.5C.其熱分解物為茶褐色.采用凝膠滲透色譜儀測(cè)定其分子量.其分子量一般介于1萬(wàn)200萬(wàn)之間.光學(xué)異構(gòu)體比值(一聚谷氨酸中D型和L型谷氨酸的比例)采用GITC誘導(dǎo)法測(cè)定41,其光學(xué)異構(gòu)體比D:L=60:40.應(yīng)用通過(guò)微生物合成的一聚谷氨酸是一種高分子量的聚合物,其分子鏈上有大量游離羧基,具有一般羧酸基聚合物的性質(zhì),如強(qiáng)吸水性,能與金屬螯合等特點(diǎn).此外,大量的活性位點(diǎn)使之便于材料功能化,因此用途

6、十分廣泛.(1)醫(yī)藥一聚谷氨酸在醫(yī)藥上有廣泛的應(yīng)用,主要作為藥物緩釋,耙向載體和外用藥物的載體.一聚谷氮酸是生物降解型高分子,其降解產(chǎn)物通過(guò)正常的新陳代謝被機(jī)體吸收利用或被排除體外,可以用于藥物釋放和藥物載體及非永久性植入裝置.CellTherapeutics公司(CTI)開(kāi)發(fā)的抗腫瘤藥物聚谷氨酸紫杉醇PGTXL(CT2103),用做水溶性聚合體載體以增加紫杉醇輸送到腫瘤部位的能力.注射劑量為120mg/kg小鼠的PGTXL,可使肺癌細(xì)胞減少75%:而單獨(dú)使用紫杉醇只使肺癌細(xì)胞減少58%目,且PGTxI比紫杉醇更能抗腫瘤細(xì)胞的耐藥性16.一聚谷氨酸的醫(yī)藥用途還表現(xiàn)在它可作為外用藥物的載體;它與

7、明膠有較好的兼容性,適用于制作外科及手術(shù)用的粘膠劑,止血?jiǎng)┖兔芊鈩?(2)化妝品與日化用品一聚谷氨酸最大特點(diǎn)之一是保濕性極強(qiáng).利用這一特點(diǎn),國(guó)外已成功開(kāi)發(fā)了一種滋潤(rùn)肌膚效果極佳的化妝液,這種新型的化妝液具有恢復(fù)甚至重造皮膚自我濕潤(rùn)系統(tǒng)的功能.利用一聚谷氨酸還可以制備一種新型護(hù)發(fā)液,涂在頭發(fā)表參考文獻(xiàn)層形成薄膜.不僅能防止頭發(fā)內(nèi)水分的蒸發(fā),而且其中的粘性成分還能發(fā)揮類似膠水的作用,可完全或部分修復(fù)即將脫落的毛鱗片.用射線照射一聚谷氨酸,其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,其吸收水分性能增強(qiáng).實(shí)驗(yàn)表明,每克經(jīng)過(guò)射線處理的一聚谷氨酸可吸收多達(dá)lkg的水.利用這一特點(diǎn),摻人一聚谷氨酸成分的尿布吸收尿液的性能可比傳統(tǒng)

8、紙質(zhì)尿布強(qiáng)25倍.(3)農(nóng)業(yè)一聚谷氨酸既具有生物可降解性,又具有高吸水性,向人們展示了其在固沙植被領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景.日本九州大學(xué)農(nóng)學(xué)系教授原敏夫等人,以日本的納豆絲(一聚谷氨酸)為原料,開(kāi)發(fā)出了一種吸水性極強(qiáng)的納豆樹(shù)脂(可吸自重5000倍的水),為沙漠及缺水地區(qū)綠化工程提供了理想的種子包衣材料.只要用這種樹(shù)脂把植物種子包起來(lái).在沙漠及缺水地區(qū)種植.可很快發(fā)芽.(4)其他應(yīng)用一聚谷氨酸是一種出色的綠色材料,廣泛用于食品包裝,一次性餐具及其他各種工業(yè)用途,它在自然界可迅速降解,不會(huì)造成環(huán)境污染;寡聚谷氨酸可作為各種食品的苦味掩蓋劑,是高鈉調(diào)味劑的代替品,可為糖尿病患者和高血壓患者所用.此外,一聚

9、谷氨酸還可以作為增稠劑,膳食纖維,保健食品,安定劑等應(yīng)用于食品工業(yè).可以作為蔬菜,水果的防凍劑等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域嘲;它可作為金屬螯合劑或吸附劑和生物絮凝劑應(yīng)用于水或廢水處理中;一聚谷氨酸的衍生物聚谷氨酸酯是一種性能良好的耐熱塑料I91,-y一聚谷氨酸芐酯還可以制成高強(qiáng)度纖維.結(jié)論人們了解一聚谷氨酸已有七十多年,對(duì)其展開(kāi)了大量的研究,但其合成機(jī)制及原理仍未完全明白.目前,人們了解到不同的細(xì)菌生產(chǎn)一聚谷氨酸的機(jī)制和途徑都不同.一聚谷氨酸給我們提供了關(guān)于高分子多肽和光學(xué)異構(gòu)體的一些生理信息,它易于生產(chǎn),通過(guò)在發(fā)酵罐里進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)就能夠得到較高的胞外物產(chǎn)量.最重要的是它具有水溶性,陰離子性和生物可降解性

10、等,這些特性使之在醫(yī)藥,食品,塑料以及其它很多方面有廣泛的應(yīng)用.此外,一聚谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)有著充裕而易得的原料.因此,發(fā)展這種生態(tài)原料既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保.1ShihIL,VanYT.BioresourceTechnology(J.2001,79:2075225234-一BirrerGA,CromwickAM,GrossRA.IntJBiolMacromol6(J.1994,16:2652757楊革,陳堅(jiān),曲音波,等.高分子學(xué)報(bào)(J.2002,3:345348GotoA,KuniokaM.BiosciBiotechBiochem(J.1992,56(7):81031-10359AsuchiM,MisonoHApplMicrobiolBiotechnol(J.2002,59:914KunikaM.ApplMicrobiolBiotechnol