聚谷氨酸的生物合成及應(yīng)用

1、2012級 生物質(zhì)化工與新材料選論題 目 聚谷氨酸的生物合成及應(yīng)用 姓名學(xué)號 曹明樂 3120104732 專業(yè)年級 化工1201 聚谷氨酸的生物合成及應(yīng)用摘要：本文主要介紹了綠色高分子材料-聚谷氨酸的在工業(yè)上的生物合成及其在生活與工農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：-聚谷氨酸；微生物合成；應(yīng)用引言隨著材料科學(xué)和聚合物化學(xué)等相關(guān)高分子材料的快速發(fā)展，在其重要性日益凸現(xiàn)的同時，人們發(fā)現(xiàn)了它的不足之處，即大部分人工合成的高分子材料在自然界難以降解，也就是人們愈發(fā)關(guān)注的“白色污染”。為了解決這個問題，人們開展了各種研究工作，制成了各種可降解材料，聚合氨基酸系列產(chǎn)品的開發(fā)也由此嶄露頭角。近年來日本從一種常用食品

2、-納豆的黏液中提取出的-聚谷氨酸，開始引起人們的重視。其最早發(fā)現(xiàn)于1913年，是一些芽孢桿菌的莢膜結(jié)構(gòu)的主要成分，是一種生物自然合成的聚酰胺原料。由于-聚谷氨酸具有增稠、成膜、保濕、黏合、無毒、水溶及生物可降解等性能，適用于食品、化妝品、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護等領(lǐng)域，特別是近年來隨著對-聚谷氨酸的深入研究，-聚谷氨酸作為一種高分子生物制品，愈來愈顯現(xiàn)出廣闊的研究及應(yīng)用前景。1 -聚谷氨酸的生物合成1.1 分子結(jié)構(gòu)1.2 制備方法-聚谷氨酸的制備方法主要有三種，即化學(xué)合成法、提取法和微生物發(fā)酵法。較之前兩種，微生物發(fā)酵法簡單方便，容易控制和操作，并且-聚谷氨酸的產(chǎn)率高，適于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。因此本文主

3、要介紹微生物發(fā)酵法。1.2.1 -聚谷氨酸的制備微生物發(fā)酵法在近幾年得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在菌種的多樣化、發(fā)酵方式與底物的多樣化和添加劑的多樣化。目前應(yīng)用于-聚谷氨酸生產(chǎn)的菌種主要是枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和納豆芽孢桿菌。隨著分子生物學(xué)及基因工程的發(fā)展，菌種篩選不僅停留在從自然界中獲得高產(chǎn)菌，基因工程和誘變育種也得到了廣泛的使用。比如采用紫外、亞硝基胍以及射線對其進行復(fù)合誘變獲得一株 -聚谷氨酸高產(chǎn)突變株，在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中產(chǎn)量約是出發(fā)菌株的 3.11 倍。常規(guī)的微生物發(fā)酵方法有液體發(fā)酵法和固體發(fā)酵法，在生產(chǎn)-聚谷氨酸時常用的是液體發(fā)酵培養(yǎng)。目前-聚谷氨酸常用的發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基是E

4、-培養(yǎng)基，國內(nèi)很多研究單位對培養(yǎng)基的優(yōu)化進行了研究，比如利用納豆芽孢桿菌接種到處理過的大豆中，然后保濕 12 晝夜后用生理鹽水提取納豆芽孢桿菌分泌在大豆表面的-聚谷氨酸，依次經(jīng)過超濾、乙醇沉淀得到產(chǎn)品，同時也可以得到納豆激酶和維生素 K2副產(chǎn)品。為了降低生產(chǎn)成本，也可以以大豆加工的副產(chǎn)物豆粕為主要培養(yǎng)基，并加入 4 倍水及2%葡萄糖。在利用枯草芽孢桿菌 NX-2 發(fā)酵生產(chǎn)-聚谷氨酸時，向培養(yǎng)基中添加甘油 、吐溫-80和二甲亞砜，不僅能提高產(chǎn)量，同時還能降低-聚谷氨酸的相對分子質(zhì)量。其既可以降低發(fā)酵液的粘度也能改變細(xì)胞膜的通透性促進菌體吸收營養(yǎng)成分，從而不但促進了菌體的生長還能刺激的-聚谷氨酸的

5、合成。在工業(yè)化生產(chǎn)中，宜用檸檬酸作碳源，可降低生產(chǎn)成本。其中Mn2+和Mg2+對于提高-聚谷氨酸的產(chǎn)率也有很大的影響。1.2.2 -聚谷氨酸的分離提取通過微生物發(fā)酵得到高黏度的發(fā)酵液，可用有機溶劑沉淀法、化學(xué)沉淀法和膜分離沉淀法獲得-聚谷氨酸。有機溶劑沉淀法是在生物制品的制備中應(yīng)用最為廣泛的一種沉淀方法，通常是向含有目標(biāo)產(chǎn)物的水溶液中加入一定量親水性的有機溶劑，能顯著降低蛋白質(zhì)等生物大分子的溶解度，使其沉淀析出。提取-聚谷氨酸常用的有機溶劑有甲醇、乙醇和丙酮。實驗室操作的一般流程為：發(fā)酵液通過離心棄去菌體沉淀，包含-聚谷氨酸的上清液加入一定體積預(yù)冷的有機溶劑，放置一段時間后，沉淀物通過離心收集

6、，通過凍干得到粗產(chǎn)品。粗產(chǎn)品溶解在蒸餾水中，用蒸餾水反復(fù)透析數(shù)小時，透析液經(jīng)過冷凍干燥得到純品?；瘜W(xué)沉淀法利用的是鹽析原理，向待提取液中加入一定量的無機鹽或無機鹽溶液使目標(biāo)產(chǎn)物沉淀下來。下圖為化學(xué)沉淀法流程。膜分離法得到-聚谷氨酸的流程為：先將發(fā)酵液調(diào)節(jié) pH 小于 2，由于細(xì)胞表面的負(fù)電荷被中和了，所以很容易聚集沉淀，而-聚谷氨酸則很難附著在細(xì)胞外面，所以在低的離心速度下就能將細(xì)胞分開。然后將含-聚谷氨酸的上層液體調(diào)節(jié) pH 值至中性或者弱酸性（57），然后利用不同截留分子量的半透膜進行過濾而得到-聚谷氨酸純品。該方法幾乎不用或者用很少量的有機溶劑，可以得到相對分子質(zhì)量不同的-聚谷氨酸，還可

7、以減少半透膜的消耗、減少水的用量、縮短操作時間、具有很高的效率。1.2.3 -聚谷氨酸的保存 分離提取得到的-聚谷氨酸需要冷凍干燥，并且它是吸濕性極強的高分子材料，需在低溫干燥下保存以防吸水降解，人們通過研究發(fā)現(xiàn)在堿性條件下相對穩(wěn)定，因此在實際工作中制備成鈉鹽有利于其穩(wěn)定保存。2 -聚谷氨酸的應(yīng)用2.1 醫(yī)藥-聚谷氨酸在自然界或人體內(nèi)能被生物降解成谷氨酸，不易產(chǎn)生積蓄和毒副作用。它的分子鏈上具有活性較高的側(cè)鏈羧基，易于和一些藥物結(jié)合生成穩(wěn)定的復(fù)合物，是一類理想的體內(nèi)可生物降解醫(yī)藥用高分子材料；還可以作為藥物載體和醫(yī)用粘合劑；利用其超強吸水性可制成和生物體含水量相近的各種組織材料，而且此材料吸水

8、后形成的凝膠柔軟，具有人體適應(yīng)性。此外，-聚谷氨酸莢膜作為炭疽芽胞桿菌的致病因素之一，能保護細(xì)胞免受機體自身的免疫系統(tǒng)的攻擊，故可用作疫苗，增強機體的被動免疫。2.2 食品-聚谷氨酸廣泛的應(yīng)用于一次性餐具、食品包裝等行業(yè)中，是一種非常有用的綠色材料。-聚谷氨酸食用安全，可作為各種食品的苦味掩蓋劑，可改善飲料的口感；它可以作為高鈉調(diào)味劑的替代品，為高血壓患者和糖尿病患者所用。-聚谷氨酸也能夠使面粉的抗凍性增加，用其制作蛋糕和面包可以延緩面粉變質(zhì)、維持食品外形；其還能增強鈣的溶解度，促進鈣在腸內(nèi)的吸收，為骨質(zhì)疏松患者也提供了福音。此外，-聚谷氨酸還可以作為增稠劑、穩(wěn)定劑、膳食纖維的輔助材料以及保健

9、食品等應(yīng)用于食品領(lǐng)域。2.3 日化用品-聚谷氨酸可作為化妝品支持材料、皮膚保濕劑、表皮因子緩釋劑、天然美容面膜等，其還可以作為高級皮革制品處理劑以及保濕劑等。利用-聚谷氨酸還可制取一種新型護發(fā)液，并且它作為高吸水材料，還可以制作成婦女兒童用品，既無毒又有高吸濕作用。環(huán)氧化合物與 -聚谷氨酸鹽混合得到乳化體系在催化劑的存在下反應(yīng)得到聚酯類紡織品，這種紡織品可以作為混合紡面料、滌綸針織物、混合針織物等。2.4 農(nóng)業(yè)-聚谷氨酸可作為一種對環(huán)境無害的肥料增效劑，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，緩和肥料的過度使用，最終減輕環(huán)境污染。在珍稀花卉、苗木的運輸中，可用 -聚谷氨酸保持根系水分，有保鮮作用。在干旱地區(qū)，

10、可用 -聚谷氨酸處理種籽，使其外部形成聚谷氨酸保濕膜，利于種子發(fā)芽、出苗。在沙漠改造中，利用 -聚谷氨酸吸水可減少沙土的水分蒸發(fā)量，以防止沙質(zhì)土壤水分的過分流失，而且可以保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改良土壤。-聚谷氨酸的出現(xiàn)給沙漠變綠洲帶來了新的希望。2.5 工業(yè)-聚谷氨酸可作為重金屬吸附劑、螯合劑來處理重金屬離子溶液以回收重金屬，對冶金、工礦污水、電鍍廢水等的處理極有價值。此外，以硅為基質(zhì)的-聚谷氨酸膜的金屬吸附能力已經(jīng)接近以纖維素為基質(zhì)的膜，并且還有優(yōu)異的酸溶穩(wěn)定性。其在石油工業(yè)中用作油田處理劑、油水分離劑，在油田勘探中用作鉆頭潤滑劑、泥漿凝膠劑。-聚谷氨酸還可作為出色的綠色塑料，廣泛用于食品包裝、一次性餐具及其他各種工業(yè)用途中，在自然界可迅速降解，不會造成環(huán)境污染。結(jié)語隨著氨基酸生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新，成本下降，進一步促進了氨基酸應(yīng)用向多元化發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)展成熟。水溶性的、可食用的聚谷氨酸已在“綠色化學(xué)產(chǎn)品”中嶄露頭角，然而我國在這方面的研究開發(fā)尚處于起步階段，建立完整、系統(tǒng)、大規(guī)模的-聚谷氨酸的微生物生產(chǎn)方法是今后亟待解決的課題之一。參考文獻 1 陸樹云. -聚谷氨酸的生物合成及提取工藝研究. 南京工業(yè)大學(xué)，2006，6（1）2 游