γ-聚谷氨酸的合成工艺与应用

1、-聚谷氨酸的合成工艺与应用应用科技2008年8月6曰第十六卷第15期一聚谷氨酸的合成工艺与应用王汝泮杨大巍赵晓飞张雯(沈阳红梅企业集团,辽宁沈阳110026)一¶一聚谷氨酸是由微生物合成的一种细胞外氨基酸聚合物,可以通过芽孢杆菌的变种生产12】.游离酸型的一聚谷氨酸pKa值约为2.23,与谷氨酸的仅羧基的大体一致.能够溶于二甲亚砜,热的N,N一二甲基酰胺和N一甲基吡咯烷酮.金属盐(钠型)的一聚谷氨酸的比旋光度约为一7.0(C=I.0,H20).实验部分1.培养过程菌种:枯草芽孢杆菌.种子培养基:葡萄糖2%(质量分数.下同),谷氨酸钠1%,蛋白胨0.5%,七水硫酸镁0.5%,磷酸氢二钾

2、0.2%.发酵培养基:七水硫酸镁0.02%.磷酸氢二钾2%,磷酸二氢钾0.1%.硫酸锰0.003%,谷氨酸钠4%,硫酸氨0.5%,葡萄糖5%.种子培养条件:32.5,搅拌220ffmin条件下培养15h,生长过程如图1.发酵培养条件:接种量1%.通气量为2.4Umin,温度为图1种子生长曲线收稿日期:2008-0611作者简介:杨大巍(1980-),男,从事聚谷氨酸项目开发.32.5.搅拌速度为400ffmin,培养时间酌情而定(主要根据残糖消耗和菌体生长情况),一般等到残糖为零,且菌体开始衰亡(A660降低)时停止培养,发酵过程如图2.可以看出产物合成与菌体生长同步.菌体生长从8h开始进入对

3、数生长期.糖消耗比较快.产量最后达到27.33g/L(48h),仍呈上升趋势.此时底物糖耗尽,但菌体尚未呈衰亡趋势,应适当延长培养时间.S0045088350咖.笛0200时间,h图2发酵过程曲线3链躐蹩一一2.分离纯化通过微生物发酵得到高粘度发酵液.采用有机溶剂沉淀法,化学沉淀法和膜分离沉淀法可获得一聚谷氨酸.有机溶剂沉淀和化学沉淀是指利用离心或凝聚菌体的方法除去发酵液中的菌体,在上清液中加入低浓度的低级醇(如甲醇,乙醇),体积为上清液的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,滤液冷冻干燥得到白色晶体,即为产品.对高粘度的发酵液还可以采用膜分离沉淀法,因为发酵液粘

4、度很高,离心非常困难.将发酵液的pH值调到24,粘度随pH值的下降而下降,pH=3时,发酵液粘度降为原浓度的1,6(pH<2时,微生物会发生降解,pH>4时,发酵液粘度会上升).调节pH值主要是使细胞表面电荷减少,菌体发生凝聚.使离心更有效.如pH=3时,在8000r/rain条件下离心30min可有效地21S(应用科技把菌体从发酵液中分离出来.一聚谷氨酸是一种线形分子,可用分子截留量在5104的超滤膜和蠕动泵使一聚谷氨酸发酵液浓缩到lOOg/L,然后再用乙醇处理浓缩液,这样乙醇的消耗量大为减少.如把4L浓度为25g/L的发酵液浓缩到1L浓度为100g/L的发酵液,

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离提取的成本.3.表征分析采用DSC(示差热量分析)及GA(热重量分析)法研究了一聚谷氨酸的热性质,得出分解温度为235.8C,熔点为223.5C.其热分解物为茶褐色.采用凝胶渗透色谱仪测定其分子量.其分子量一般介于1万200万之间.光学异构体比值(一聚谷氨酸中D型和L型谷氨酸的比例)采用GITC诱导法测定41,其光学异构体比D:L=60:40.应用通过微生物合成的一聚谷氨酸是一种高分子量的聚合物,其分子链上有大量游离羧基,具有一般羧酸基聚合物的性质,如强吸水性,能与金属螯合等特点.此外,大量的活性位点使之便于材料功能化,因此用途

6、十分广泛.(1)医药一聚谷氨酸在医药上有广泛的应用,主要作为药物缓释,耙向载体和外用药物的载体.一聚谷氮酸是生物降解型高分子,其降解产物通过正常的新陈代谢被机体吸收利用或被排除体外,可以用于药物释放和药物载体及非永久性植入装置.CellTherapeutics公司(CTI)开发的抗肿瘤药物聚谷氨酸紫杉醇PGTXL(CT2103),用做水溶性聚合体载体以增加紫杉醇输送到肿瘤部位的能力.注射剂量为120mg/kg小鼠的PGTXL,可使肺癌细胞减少75%:而单独使用紫杉醇只使肺癌细胞减少58%目,且PGTxI比紫杉醇更能抗肿瘤细胞的耐药性16.一聚谷氨酸的医药用途还表现在它可作为外用药物的载体;它与

7、明胶有较好的兼容性,适用于制作外科及手术用的粘胶剂,止血剂和密封剂.(2)化妆品与日化用品一聚谷氨酸最大特点之一是保湿性极强.利用这一特点,国外已成功开发了一种滋润肌肤效果极佳的化妆液,这种新型的化妆液具有恢复甚至重造皮肤自我湿润系统的功能.利用一聚谷氨酸还可以制备一种新型护发液,涂在头发表参考文献层形成薄膜.不仅能防止头发内水分的蒸发,而且其中的粘性成分还能发挥类似胶水的作用,可完全或部分修复即将脱落的毛鳞片.用射线照射一聚谷氨酸,其分子结构发生了变化,其吸收水分性能增强.实验表明,每克经过射线处理的一聚谷氨酸可吸收多达lkg的水.利用这一特点,掺人一聚谷氨酸成分的尿布吸收尿液的性能可比传统

8、纸质尿布强25倍.(3)农业一聚谷氨酸既具有生物可降解性,又具有高吸水性,向人们展示了其在固沙植被领域的广阔应用前景.日本九州大学农学系教授原敏夫等人,以日本的纳豆丝(一聚谷氨酸)为原料,开发出了一种吸水性极强的纳豆树脂(可吸自重5000倍的水),为沙漠及缺水地区绿化工程提供了理想的种子包衣材料.只要用这种树脂把植物种子包起来.在沙漠及缺水地区种植.可很快发芽.(4)其他应用一聚谷氨酸是一种出色的绿色材料,广泛用于食品包装,一次性餐具及其他各种工业用途,它在自然界可迅速降解,不会造成环境污染;寡聚谷氨酸可作为各种食品的苦味掩盖剂,是高钠调味剂的代替品,可为糖尿病患者和高血压患者所用.此外,一聚

9、谷氨酸还可以作为增稠剂,膳食纤维,保健食品,安定剂等应用于食品工业.可以作为蔬菜,水果的防冻剂等应用于农业领域嘲;它可作为金属螯合剂或吸附剂和生物絮凝剂应用于水或废水处理中;一聚谷氨酸的衍生物聚谷氨酸酯是一种性能良好的耐热塑料I91,-y一聚谷氨酸苄酯还可以制成高强度纤维.结论人们了解一聚谷氨酸已有七十多年,对其展开了大量的研究,但其合成机制及原理仍未完全明白.目前,人们了解到不同的细菌生产一聚谷氨酸的机制和途径都不同.一聚谷氨酸给我们提供了关于高分子多肽和光学异构体的一些生理信息,它易于生产,通过在发酵罐里进行细菌培养就能够得到较高的胞外物产量.最重要的是它具有水溶性,阴离子性和生物可降解性

10、等,这些特性使之在医药,食品,塑料以及其它很多方面有广泛的应用.此外,一聚谷氨酸的发酵生产有着充裕而易得的原料.因此,发展这种生态原料既经济又环保.1ShihIL,VanYT.BioresourceTechnology(J.2001,79:2075225234-一BirrerGA,CromwickAM,GrossRA.IntJBiolMacromol6(J.1994,16:2652757杨革,陈坚,曲音波,等.高分子学报(J.2002,3:345348GotoA,KuniokaM.BiosciBiotechBiochem(J.1992,56(7):81031-10359AsuchiM,MisonoHApplMicrobiolBiotechnol(J.2002,59:914KunikaM.ApplMicrobiolBiotechnol