微生物胞外多醣與其應(yīng)用

1、微生物胞外多醣與其應(yīng)用一、前言 許多微生物都可以合成胞外多醣(EPS)，胞外多醣通常附著於細(xì)胞表面，或者分泌到胞外的培養(yǎng)基中。在自然界中外多醣通常和動(dòng)物與植物病原菌的致病性有關(guān)，或者以為細(xì)菌抵抗外界環(huán)境或防止噬菌體與原生動(dòng)物攻擊之用。另外不管在自然生長(zhǎng)或人為培養(yǎng)環(huán)境中，胞外多醣都為生物膜(biofilms)的主要構(gòu)形成份，生物膜通常位於固液交界處，為微生物聚集生長(zhǎng)所形成。 目前已經(jīng)有幾種微生物多醣利用生物技術(shù)的方法來(lái)生產(chǎn)，另外也有更多種類(lèi)正在研發(fā)當(dāng)中。這些聚合物的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其其中有些具有傳統(tǒng)植物來(lái)源多醣所沒(méi)有的獨(dú)特且優(yōu)良的物理性質(zhì)。例如以Xanthomonas campestris菌所生

2、產(chǎn)的xanthan和Sphingomonas paucimobilis所生產(chǎn)的gellan (Gelriteâ)。目前這兩種多醣都廣泛應(yīng)用於許多食品及非食品的用途上。其中xanthan是發(fā)展最成功的產(chǎn)品之一，在許多年前xanthan便被準(zhǔn)許於食品上的使用，並且因?yàn)槠渖a(chǎn)上的轉(zhuǎn)換率高（大約有6070%），所以可以達(dá)到相對(duì)上較為便宜的價(jià)格，相對(duì)的其他的微生物多醣類(lèi)生產(chǎn)成本就較為昂貴。一般來(lái)說(shuō)，微生物生產(chǎn)的產(chǎn)品都要面對(duì)其他縱使其性質(zhì)較差但卻成本便宜的天然來(lái)源或人工合成產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。有時(shí)候?qū)⒃瓉?lái)的胞外多醣加以化學(xué)修飾改變性質(zhì)後可以大幅度提高其價(jià)值並且增加其應(yīng)用範(fàn)圍，例如利用dextran為成分

3、製造的產(chǎn)品Sephadexâ。 雖然目前我們已經(jīng)找出較多有關(guān)聚合物結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)係，但是想要去預(yù)測(cè)何種微生物聚合物可以有什麼樣的應(yīng)用仍然是相當(dāng)困難的事。有許多以前的文獻(xiàn)報(bào)告現(xiàn)在已經(jīng)被證實(shí)是過(guò)份樂(lè)觀(guān)了。不過(guò)，目前來(lái)說(shuō)，有兩種產(chǎn)品可以確定是具有發(fā)展價(jià)值的，那就是細(xì)菌性纖維素(bacterial cellulose)和玻璃酸(hyaluronic acid)。雖然目前這兩種產(chǎn)品已經(jīng)有非微生物生產(chǎn)來(lái)源，不過(guò)微生物生產(chǎn)仍然被認(rèn)為具有良好發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗庖粋€(gè)目前瞭解仍然不甚透徹的應(yīng)用為真菌性1,4-b-D-glucans目前被證實(shí)在免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)上的應(yīng)用。二、b-D-GlucansBacterial

4、 cellulose目前較受矚目的b-D-glucans有兩大類(lèi)。細(xì)菌性纖維素可能為其中成本較低且應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品之一。細(xì)菌性纖維素一般為Acetobactor xylinum或者其他格蘭性陰性菌所生產(chǎn)。生產(chǎn)時(shí)細(xì)菌將之分泌到培養(yǎng)液中，並且很快的凝聚成微細(xì)纖維，並在培養(yǎng)液表面形成薄膜。在實(shí)際生產(chǎn)上，發(fā)酵槽的設(shè)計(jì)和通氣程度是影響產(chǎn)量的相關(guān)重要因子。細(xì)菌性纖維素本質(zhì)上是一種高價(jià)值的特用化學(xué)品。某些上商業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)一些高純度、不含木質(zhì)素和其他非纖維素的產(chǎn)品。另外還有一種稱(chēng)”Biofill”的產(chǎn)品在很多方面都有應(yīng)用的潛力，它可以被製造成一種創(chuàng)傷繃帶的形式，使用於一些燒傷、長(zhǎng)期皮膚潰爛或者其他大面積組織損傷

5、的病人。這種纖維素可作為一暫時(shí)性的替代皮膚，因?yàn)樗鼈冊(cè)跐駶?rùn)的狀態(tài)下仍然具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。還有它們具有很高的保水能力（大約每克可含150克的水）還有良好的透氣性，可以促進(jìn)皮膚組織生長(zhǎng)並且避免遭受感染。另外因?yàn)槲⑸锢w維素的良好強(qiáng)度及性質(zhì)，也可以利用於製造高品質(zhì)的音波隔膜上。微生物纖維素也可以利用於陶瓷製作時(shí)的黏著劑。另外雖然一些採(cǎi)礦工業(yè)上可以使用到一些比較不要求純度的材料，但是微生物來(lái)源的聚合物成本仍然高於其他來(lái)源者。一個(gè)比較可能的發(fā)展方向可能是應(yīng)用於發(fā)展纖維素合成共聚合物(cellulose-synthetic copolymers)。此外，除了這些現(xiàn)代科技上的應(yīng)用之外，微生物纖維素也是一些

6、傳統(tǒng)發(fā)酵食品的成分之一，例如椰果(Nata de Coco)就是其中之一。 (1-3)-b-D-glucans from bacteria and fungi包括Agrobacterium和Rhizobium在內(nèi)的好幾種細(xì)菌在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)條件之下都可以生產(chǎn)多種的胞外多醣。其中之一就是curdlan，一種中性的膠狀1,3-b-D-glucan聚合物，分子量大約為74000 dalton。Curdlan主要在微生物生長(zhǎng)到stationary phase的時(shí)候產(chǎn)生，不溶於冰水中而可以溶解於熱水或是dimethylsulphoxide裡面。在加熱到55然後再冷卻之後curdlan可以形成一種脆弱的膠體。

7、將加熱溫度提高到80-100可以提高膠體強(qiáng)度以形成一種堅(jiān)固且有彈性的膠體，如果將之加熱到120則會(huì)將其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成三股螺旋結(jié)構(gòu)。在這種高溫處理下形成的膠體就不會(huì)在因加熱而融化，並且和另外的褐藻膠(alginate gels)不一樣的是它可以不需要二價(jià)陽(yáng)離子的存在而維持其結(jié)構(gòu)。這種膠體的性質(zhì)介於高彈性的動(dòng)物膠(gelatine)和易碎的洋菜(agar)之間。在溫度不超過(guò)140之下都不會(huì)融化，並且可以抵抗大部分b-D-glucanases的水解。另外將溶解curdlan的鹼性溶液置於去離子水中透析也可以形成膠體。在日本，目前已經(jīng)準(zhǔn)許curdlan應(yīng)用於食品之中，食品級(jí)的curdlan可用以改

8、善一些食物的性質(zhì)，例如豆腐、豆花和魚(yú)漿等。另外在日本的食品工業(yè)上也可以用於提高食品的保水性，並且提高一些食品糕餅類(lèi)的製造過(guò)程中的塑形能力。此外sulphated curdlan被發(fā)現(xiàn)有抗凝血的能力，也許具有發(fā)展醫(yī)藥產(chǎn)品的潛力。Acetyl-curdlan的衍生物用來(lái)分離單糖和有機(jī)酸的應(yīng)用也已經(jīng)被申請(qǐng)獲得專(zhuān)利。此外，利用酵素降解curdlan可用於獲得雙糖laminaribiose。Scleroglucan是由包括Sclerotium rolfsii和木材腐生擔(dān)子菌類(lèi)Schizophyllum commune在內(nèi)的多種真菌所生產(chǎn)類(lèi)似的b-D-glucans的產(chǎn)品。其主要結(jié)構(gòu)為1,3-b-D-li

9、nked葡萄糖甘鍵結(jié)，另外還有相當(dāng)程度的1,6-b-D-glucosyl residues枝鏈。在不同的聚合物上可以發(fā)現(xiàn)不同程度的枝鏈鍵結(jié)，而這也對(duì)它們的溶解度有很大的影響。在S.commune所生產(chǎn)的scleroglucan中，主鏈上每隔三個(gè)葡萄糖就會(huì)有一個(gè)枝鏈鍵結(jié)，分子量大約在1.3 x 105到6 x 106之間。另外還有一些glucans，例如Sclerotium glucanicum所生產(chǎn)者，具有比較低的分子量（大約18000 Da），每間隔四或六個(gè)葡萄糖會(huì)有一個(gè)葡萄糖枝鏈取代?？扇苄缘亩圊鳖?lèi)如果其構(gòu)形形成三股螺旋結(jié)構(gòu)的話(huà)，會(huì)造成溶液的高黏度現(xiàn)象。(1-3)-b-D-glucans另

10、一項(xiàng)少為人知的的醫(yī)藥方面應(yīng)用為可抵抗濾過(guò)性病毒和細(xì)菌感染還有它們抗腫瘤的活性。Glucans影響到多種的宿主防衛(wèi)反應(yīng)，包括宿主本身的抗腫瘤活性還有改變補(bǔ)體系統(tǒng)的活性。Scleroglucan和curdlan兩者對(duì)生物免疫能力都有影響，透過(guò)對(duì)非專(zhuān)一性免疫反應(yīng)的刺激，可提高整體的免疫能力。三、Pullulan (一種a-D-glucan) Aureobasidium pullulans可以合成一種a-D-glucan，它的結(jié)構(gòu)是由麥芽三糖或者少數(shù)的麥芽四糖以1,6-a鍵結(jié)連結(jié)而成的聚合物。分子量大約介於103到3 x 106之間，大小主要取決於菌株的種類(lèi)和當(dāng)時(shí)的生理狀態(tài)。Pullulan並不為大部

11、分的amylases所水解，但是pullulanase則對(duì)其有專(zhuān)一的活性，可用以水解pullulan成麥芽三糖（或麥芽四糖）的最終產(chǎn)物，如此對(duì)用來(lái)生產(chǎn)特定的寡糖具有很大的用處。另外還有其它的一些真菌如Tremella mesenterica和Cyttaria harioti都可以生產(chǎn)類(lèi)似的產(chǎn)物。Pullulan具有很高的水溶性，並且在多數(shù)陽(yáng)離子存在的情況下仍然能夠形成穩(wěn)定的溶液狀態(tài)而不會(huì)形成膠體。將之脂化之後，可以改善其物理性質(zhì)，並且更不易為酵素所水解。Pullulan的一種用途為製造一種抗油、水溶性並且低透氧的薄膜，這種新的食品包裝素材可以用以提高食品的香味保留並且維持食品的新鮮度，然後還可

12、以直接就將食品烹煮。這種材料的水溶液還可以拿塗佈在食品表層並且無(wú)臭無(wú)味。目前這些應(yīng)用在日本都已經(jīng)被開(kāi)始使用，但是在其他國(guó)家使用上仍然受到限制。Pullulan也是製造纖維的一種良好材料。另外在水二相系統(tǒng)中，pullulan也可以拿來(lái)跟polyethylene glycol (PEG)形成二相系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以拿來(lái)做酵素蛋白質(zhì)或其他分子的分離純化之用。另外pullulan也被拿來(lái)做HPLC分子篩管柱的標(biāo)準(zhǔn)分子量標(biāo)準(zhǔn)品。另外一種比較特別的用途是，將pullulan加入日常的飲食當(dāng)中，用以促進(jìn)腸道中雙岐桿菌的生長(zhǎng)。四、Gellan和相關(guān)的多醣類(lèi) Gellan是由Sphingomonas paucim

13、obilis所生產(chǎn)的一系列相關(guān)多醣類(lèi)。天然的gellan為一種四糖的線(xiàn)狀聚合物，分子量大約500 kDa，並帶有O-acetyl和glyceryl官能基。gellan裡的acyl基團(tuán)會(huì)防止gellan過(guò)度的結(jié)晶，因此而形成一種脆弱的、有彈性並且熱可逆的膠體?？刂凭酆衔镅e面的acylation程度，可以控制gellan膠體的強(qiáng)度，做成各種不同類(lèi)似洋菜、褐藻膠和鹿角膠的膠體。Gellan形成的熱可逆膠體在0.75%的濃度就可以達(dá)到相當(dāng)高的膠體強(qiáng)度。市場(chǎng)上目前已經(jīng)有Kelcogelâ和Gelriteâ 兩種商品，並且已經(jīng)獲得美國(guó)和歐洲的核準(zhǔn)可應(yīng)用於食品的膠化、穩(wěn)定和懸濁等多種用途

14、上。這種膠體提供良好的香味釋放和pH穩(wěn)定性，可使用於食品的製造上。另外，利用商品化的產(chǎn)品Gelriteâ來(lái)取代洋菜膠，在微生物培養(yǎng)基的使用上，和洋菜膠相較在某些情況下對(duì)微生物的生長(zhǎng)有較佳的效果，並且還具有透明度高且所需濃度低的優(yōu)點(diǎn)。另外其中熱穩(wěn)定的膠體也可以應(yīng)用於高溫菌的培養(yǎng)上。其他gellan可能的應(yīng)用方向?yàn)槭褂渺堆泪t(yī)的材料和個(gè)人美妝用品，另外，使用gellan來(lái)取代目前使用的芳香劑膠體，可以大幅減少其用量。還有，將gellan混以澱粉也可以應(yīng)用於造紙工業(yè)上。五、玻璃酸和肝磷脂 目前並沒(méi)有微生物能生產(chǎn)肝磷脂(heparin)，不過(guò)已有一種大腸桿菌serotype K5可以生產(chǎn)一種d

15、esulphatoheparin的化合物。這是一種4-b-D-glucuronosyl-1,4-a-N-acetyl-D-glucosamine的聚合物，結(jié)構(gòu)相近於肝磷脂的合成前驅(qū)物N-acetylheparosan。真核生物生產(chǎn)的desulphatoheparin通常包含D-glucuronosyl-amino-sugar和L-iduronosyl-1,4-a-N-acetyl-D-glucosamine兩種醣交錯(cuò)存在。真核生物生產(chǎn)的聚合物在聚合之後也可能因?yàn)長(zhǎng)-iduronosyl和sulphate residues的作用而改變，而這兩種residues在原核生物中並不會(huì)產(chǎn)生。因?yàn)檫@些聚合

16、物的結(jié)構(gòu)和heparin結(jié)構(gòu)相似，所以這些微生物多醣可以用來(lái)作為醫(yī)學(xué)研究上的用途，或者用來(lái)測(cè)定heparinases和相關(guān)酵素的專(zhuān)一活性。這些聚合物的分子量都不大，約在50 kDa左右。由Streptococci group A和C (Streptococcus equi和streptococcus zooepidemicus) 所生產(chǎn)的玻璃酸，被證實(shí)和由真核生物所生產(chǎn)的玻璃酸有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。另外將菌種的hyaluronidase酵素加以突變?nèi)笔?，更可以確保這些聚合物不至被水解。這個(gè)多醣的結(jié)構(gòu)是由1,4-b-linked的雙醣D-glucuronosyl-1,3-b-N-acetyl-D-g

17、lucosamine所構(gòu)成。目前微生物來(lái)源的玻璃酸已被商業(yè)化生產(chǎn)用來(lái)做為人類(lèi)或動(dòng)物來(lái)源的替代物，使用於外科手術(shù)或者是化妝品調(diào)配的用途上。玻璃酸的水溶液具有很高的黏度和塑形能力。微生物來(lái)源的玻璃酸可用於取代人類(lèi)來(lái)源者，在眼睛或者是關(guān)節(jié)的外科手術(shù)上用來(lái)減低免疫排斥作用。另外，這種聚合物還有一個(gè)特別的特性，就是它的水結(jié)合力和保水力都很高，因此在很多化妝品的調(diào)配上都有使用到它。這聚合物和水的結(jié)合力和它的分子量相關(guān)，最高的話(huà)可達(dá)到每一克的多醣類(lèi)可以結(jié)合達(dá)六公升的水。另外，玻璃酸也使用在獸醫(yī)的用途上，成為一種具生物相容性的表層塗佈材料。因?yàn)樗粫?huì)引起免疫系統(tǒng)的反應(yīng)，所以這種材質(zhì)非常適合使用於一些移殖手術(shù)的

18、用途。而在醫(yī)療用途上，使用的玻璃酸被要求要有高純度和高分子量。而未來(lái)玻璃酸的發(fā)展可能可以使用於製作cross-linked的聚合物，或者使用於外科手術(shù)上的傷口處理。另外脂化的玻璃酸也被發(fā)現(xiàn)可能可以使用為藥物輸遞系統(tǒng)的載體。六、Xanthan 由Xanthomonas campestris所生產(chǎn)的xanthan是目前上市面上最主要的生物聚合物產(chǎn)品。每年的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)20000公噸。結(jié)構(gòu)上是由纖維素骨幹的葡萄糖基，間雜有D-mannose和D-glucuronic acid的側(cè)鏈。而某些突變的菌種或是不同的培養(yǎng)條件，也會(huì)造成產(chǎn)生不同的xanthan gum，它們可能有相同的主幹結(jié)構(gòu)，但是不同的側(cè)鏈和acylation區(qū)域。另外，xanthan的流變特性和xanthan水溶液中雙股螺旋結(jié)構(gòu)形成的程度也有很大的影響。結(jié)構(gòu)中主幹上的三醣側(cè)鏈對(duì)結(jié)構(gòu)也有非共價(jià)性交互作用的穩(wěn)定效果。此外，Acetobacter xylinum的幾種菌株也會(huì)生產(chǎn)類(lèi)似xanthan的多醣類(lèi)(