γ-聚谷氨酸水凝胶研究与应用进展

主要介绍了一种集吸水性能、保水性能、环境友好性于一身的高分子材料γ-聚谷氨酸水凝胶的研究现状及发展前景,分别从γ-聚谷氨酸水凝胶、γ-聚谷氨酸与其他物质复合水凝胶的合成以及γ-聚谷氨酸类水凝胶的应用三方面进行了综述。     

谷氨酸棒杆菌一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸在食品、化妆品、生物医药等领域具有广泛的应用,目前主要的生产菌株是谷氨酸依赖型菌株,在生产过程中需要添加谷氨酸作为前体,因而生产γ-聚谷氨酸的成本较高。文中主要研究从糖质原料一步法发酵合成γ-聚谷氨酸的生产工艺。首先,从产γ-聚谷氨酸的菌株枯草芽孢杆菌中克隆γ-聚谷氨酸合成酶的基因簇pgs BCA,在谷氨酸棒杆菌模式菌株ATCC13032中进行诱导型和组成型表达,结果显示,仅诱导型表达菌株可以积累γ-聚谷氨酸,产量为1.43 g/L。进一步对诱导条件进行优化,确定诱导时间为2 h,IPTG浓度为0.8 mmol/L,γ-聚谷氨酸产量为1.98g/L。在此基础上,在一株高产谷氨酸的谷氨酸棒杆菌F343中外源表达pgs BCA,对重组菌进行发酵,结果表明,在摇瓶发酵中γ-聚谷氨酸产量达到10.23g/L,在5L发酵罐中产量达到20.08g/L;继而对γ-聚谷氨酸进行分子量测定,结果显示,产自F343重组菌的γ-聚谷氨酸的重均分子量比产自枯草芽孢杆菌的提高34.77%。文中构建了一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸的新途径,同时为开发其潜在应用奠定了基础。     

不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成

【背景】不同分子量的γ-聚谷氨酸在农业、化妆品和医药领域具有重要的应用价值,开发不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成工艺已成为研究热点。【目的】在γ-聚谷氨酸生产菌株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) KH2中实现不同分子量γ-聚谷氨酸的合成。【方法】分别克隆表达不同来源的水解酶,包括B.subtilis来源的γ-聚谷氨酸水解酶PgdS和YwtE,以及地衣芽孢杆菌来源的SGH。研究不同来源水解酶对B. subtilis KH2产γ-聚谷氨酸分子量的影响。通过改变水解酶处理条件获得不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成工艺。【结果】PgdS、YwtE和SGH均可降低γ-聚谷氨酸的分子量,其中PgdS水解效果最好,可以将γ-聚谷氨酸分子量由原来的1 600 kDa降低为180 kDa。通过优化PgdS的添加量与添加时间,在B. subtilis KH2中获得了分子量为210–600 kDa的γ-聚谷氨酸。【结论】利用水解酶处理,可以在B. subtilis KH2中实现不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成。该方法反应条件温和、分子量可控区间宽,具有良好的应用前景。     

聚谷氨酸衍生物及其在生物医药领域中的应用

聚谷氨酸衍生物是在γ-聚谷氨酸的基础上发展而来的,具有独特的结构和性能,在医药领域中有潜在的应用价值。聚谷氨酸衍生物按照其设计和制备特点,可分成3种类型:γ-聚谷氨酸修饰衍生物、含谷氨酸结构单元的衍生物和γ-聚谷氨酸交联衍生物。现分别介绍不同类型衍生物的合成思路、性质特征和具体应用。这将有助于γ-聚谷氨酸衍生物在医药领域的研究和应用,同时也能为这一领域其他高分子材料的开发提供借鉴。     

以聚γ-谷氨酸为材质研制微胶囊的工艺

微胶囊制剂能够利用壁材将囊芯物质包裹起来,减少外界环境的不良因素对其造成的影响,但存在产品残效期和速效性的矛盾、成本过高等问题。聚γ-谷氨酸具有成膜性,可生物降解。本文通过自制的枯草芽胞杆菌聚γ-谷氨酸,对开发聚γ-谷氨酸微胶囊的工艺展开研究。对壁材浓度、搅拌转速、反应温度、聚γ-谷氨酸∶明胶质量比、菌悬液体积和甲醛的用量进行优化,建立了聚γ-谷氨酸微胶囊制备工艺,微胶囊对枯草芽胞杆菌的包埋率达到94.2%。同时考察了微胶囊制剂对热、紫外线和极端pH的抗逆性,结果表明聚γ-谷氨酸-明胶微胶囊能赋予微生物细胞更强的抗紫外能力和耐热性。在极端pH条件下热处理,聚γ-谷氨酸-明胶微胶囊剂中枯草芽胞杆菌的存活率也显著提高。     

γ-聚谷氨酸的性质与生产方法

介绍了γ-聚谷氨酸的结构、理化性质及其用途。从国内外生产γ-聚谷氨酸的方法着手,综述了不同的合成方法以及各自的优缺点,重点介绍了微生物法合成γ-聚谷氨酸的途径,对新方法进行了展望。     

地衣芽胞杆菌WX-02联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇培养基的优化

聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇是两种重要的化合物,广泛运用于能源、医药、农业等领域。地衣芽胞杆菌WX-02具有同时合成聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的能力。优化了地衣芽胞杆菌WX-02联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的发酵培养基,并进行了50 L发酵罐小试放大。分批发酵结果显示,采用优化后的培养基,聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的产量分别为42.5 g/L和76.13 g/L,比优化前分别提高了26.5%和188%。在联产发酵中聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的产量能够分别达到单独合成这两种物质的水平,为工业化联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇奠定了基础。     

γ-聚谷氨酸发酵培养基的Plackett-Burman法优化

以一株γ-聚谷氨酸高产菌——地衣芽孢杆菌GIM-P10为试验菌株,采用逐因子实验法确定γ-聚谷氨酸合成考察因素的参考范围,再采用Plackett-Burman设计法进行培养基的优化,10个实验因子中筛选到四个显著影响因子:柠檬酸、谷氨酸、K2HPO4和MgSO4·7H2O。另外,综合评价实验结果,表明γ-聚谷氨酸的产量与多糖含量呈负向关系,与细胞干重呈正向关系。利用Plackett-Burman设计法发酵产γ-聚谷氨酸可高达21.27g/L,为基础培养基的2倍以上。     

一株γ-聚谷氨酸合成菌的筛选与鉴定

从土壤中筛选分离获得一株γ-聚谷氨酸合成菌PGS-1,经鉴定为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),在富含谷氨酸和葡萄糖的培养基中可大量合成γ-聚谷氨酸,摇瓶发酵产量达26 g/L,不同于大多文献报道的微生物合成的γ-聚谷氨酸具有较高的分子量,该菌株合成的γ-聚谷氨酸分子量较低(3×105-4×105 kD),分子量分布较窄,可适用于低分子量要求的应用领域,如作为药物的控缓释载体,值得深入开发研究。     

枯草杆菌 SBS液体发酵联产血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸

【目的】利用枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis SBS)进行联产血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸研究【方法】本研究以实验室自行分离的Bacillus subtilis SBS为出发菌株,进行了液体发酵,通过正交实验研究了碳、氮源对血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸联产的影响,并运用多种检测方法对产物进行了鉴定。【结果】在未添加谷氨酸的培养基中合成了γ-聚谷氨酸,表明该菌是非谷氨酸依赖型菌。合成血栓溶解酶的合适碳、氮源分别是可溶性淀粉和大豆蛋白胨,合成γ-聚谷氨酸的合适碳、氮源分别是蔗糖和NH4Cl。【结论】以蔗糖和大豆蛋白胨、NH4Cl分别作为碳源和氮源进行血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸的联产。在蔗糖 10 g/L、大豆蛋白胨 20 g/L、NH4Cl 8 g/L时,血栓溶解酶酶活为 265±25 IU/mL,γ-聚谷氨酸产量为1.183±0.015 g/L,均接近了单独合成时的水平。     

混菌发酵生产γ-聚谷氨酸的工艺条件优化

采用谷氨酸棒杆菌S9114和枯草芽胞杆菌NTG-4在10 L自控发酵罐上进行混菌发酵,探索混菌发酵生产γ-聚谷氨酸的可行性并进行工艺优化。结果表明:温度、接种量、pH及溶氧对聚谷氨酸发酵有较大影响,发酵前期维持32℃,6 h提温至37℃变温控制,谷氨酸棒杆菌和枯草芽胞杆菌接种量分别为5%和0.5%,pH 7.0,溶氧20%最有利于γ-聚谷氨酸发酵,在此条件下发酵32 hγ-聚谷氨酸最高产量为38.3 g/L。     

高分子量聚谷氨酸的微生物合成及其发酵过程的研究

目的：以枯草芽孢杆菌纳豆亚种为出发菌株,考察不同碳氮源及NaCl浓度、谷氨酸、种龄、接种量对微生物发酵产1-聚谷氨酸的影响,以提高γ-聚谷氨酸的产量。方法：该菌菌种活化后,接入种子培养基,于37℃、200r／min震荡培养18h,然后按2％接种量接入不同发酵培养基进行发酵培养。γ-聚谷氨酸分离纯化后,根据其产量筛选最适发酵培养基组成及发酵条件,并对产物进行分析测定。结果：①最佳碳氮源分别为葡萄糖、蛋白胨,NaCl浓度为30g／L、种龄15h、接种量3％,且需在培养基中添加谷氨酸。②该菌株在最适条件下发酵56h时,γ-聚谷氨酸产量达32．7g／L,凝胶渗透色谱分析其相对分子质量为426kDa,呈多分子质量聚集体形式。③γ-聚谷氨酸的合成与菌体生长并非完全同步。结论：γ-聚谷氨酸作为一种天然的、可生物降解的、对环境和人体无害的多聚物,可由微生物发酵合成,且在此适宜条件下产量较高。     

聚γ-谷氨酸高产菌的选育与培养基优化

利用合成培养基为筛选培养基,以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)B6-1为出发菌株,经过三轮紫外线诱变和一轮硫酸二乙酯诱变得到了聚γ-谷氨酸高产突变株枯草芽孢杆菌W003,摇瓶液体发酵的聚γ-谷氨酸产量由出发菌株的10.9 g/L提高到20.5 g/L.单因素实验结果表明,该菌产聚γ-谷氨酸的合适碳源为葡萄糖,氮源为硫酸铵.通过正交实验得到了优化的培养基配方,经36h液体发酵,聚γ-谷氨酸产量可达到45.3 g/L.     

高分子聚合物的微生物合成与废弃物资源化

γ- 聚谷氨酸(γ-PGA)、γ- 聚苹果酸(γ-PMA)、细菌纤维素(BC)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)等都是微生物合成的重要生物高分子聚合物.     

聚谷氨酸批式生物合成的主要影响因素研究

采用Bacillus subtilisNX-2菌株,在5 L发酵罐批式操作过程中生物合成γ-聚谷氨酸,实验考察了搅拌转速(300~1 000 r/min)及底物质量浓度对生物合成γ-聚谷氨酸产率的影响。结果表明:转速为400 r/min时,γ-聚谷氨酸产率最高,可高达21.78 g/L。在转速400 r/min的条件下,考察了葡萄糖和谷氨酸浓度对聚谷氨酸生物合成的影响,根据葡萄糖初始质量浓度为40 g/L的实验数据建立了动力学方程。并在葡萄糖初始质量浓度为30,40,50,60g/L的范围内,验证所建动力学方程的稳定性和实用性。结果表明,在以上葡萄糖初始质量浓度范围内,所建模型对B.subtilisNX-2批式生物合成γ-聚谷氨酸产率的预测值与实验值能较好的吻合。     

微生物合成的聚谷氨酸及其应用

γ-聚谷氨酸是一种全天然的、可食用的、具有多功能性的阴离子聚合物,可由微生物发酵合成.随着材料科学、聚合物化学和生物医学的不断发展和紧密融合,生物可降解高分子材料的研究得到长足发展,γ-聚谷氨酸的开发研究则日益深入.但国内研究仍处于实验室阶段,还未实现工业化生产.介绍了Υ-聚谷氨酸的结构、理化性质及其影响因素,综述了其合成菌株、培养方法、相关基因及在医药、食品、化妆品、农业、工业等方面的应用.     

添加物对枯草芽胞杆菌γ-聚谷氨酸合成代谢的影响

在枯草芽孢杆菌HCUL-B115代谢网络和发酵特性研究的基础上,通过添加适量的氨基酸、有机酸和维生素对聚γ谷氨酸(γPGA)发酵进行合成代谢进行研究。结果发现,大部分添加物对聚γ谷氨酸的积累都有一定的影响,特别是L谷氨酸、L苯丙氨酸、L精氨酸、L天冬氨酸、L缬氨酸、延胡索酸、草酸、丙二酸、烟酸、维生素B6和抗坏血酸等添加物对菌株HCUL-B115合成聚γ谷氨酸有明显促进作用,添加后产率比不添加任何物质提高20%左右。从代谢层面上分析,这些添加物除了促进菌体自身生长之外,同时防止了菌体对各添加物的过量合成,强化了菌株HCUL-B115合成聚γ谷氨酸的代谢途径。     

不同D/L单体比γ-聚谷氨酸的合成与调控

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是由L-谷氨酸和/或D-谷氨酸聚合而成的一种聚氨基酸,广泛应用于化妆品、医药等领域。高聚物单体的立体构型会影响产品性质和应用,因此调控γ-PGA中D-谷氨酸/L-谷氨酸单体比(D/L单体比)具有重要意义。前期以谷氨酸棒杆菌为底盘,表达来自于地衣芽孢杆菌的γ-PGA合成酶,合成以L-Glu(97.10%)为主的γ-PGA。通过外源添加不同浓度D-谷氨酸,合成了D-谷氨酸占比为15.71%~33.52%的γ-PGA。然后,在重组菌中表达来自于枯草芽孢杆菌的谷氨酸消旋酶,并使用三个不同强度RBS调控其表达水平,合成D-谷氨酸占比30.82%~34.59%的γ-PGA,但调控范围较窄。利用四个不同强度启动子调控谷氨酸消旋酶表达水平,扩大D/L单体比可调范围,合成D-Glu占比32.71%~52.53%的γ-PGA。提供一种理性调控γ-PGA的D/L单体比策略,实现了D-谷氨酸占比为2.90%~52.53%的γ-PGA的合成,为高效合成不同D/L单体比γ-PGA提供了基础。     

地衣芽胞杆菌ATCC9945A中γ-聚谷氨酸降解酶基因的克隆、表达及降解性能鉴定

目的:验证在地衣芽胞杆菌ATCC9945A中存在着γ-聚谷氨酸降解酶基因(ywtD),为下一步解决在γ-聚谷氨酸微生物发酵合成过程中产物γ-PGA降解的技术性难题提供依据。方法:通过在pET-28b(+)大肠杆菌表达系统克隆表达地衣芽孢杆菌ATCC9945A中的ywtD基因,对诱导表达条件进行优化,采用SDS-PAGE和Western Blot方法检测目的蛋白的表达,并体外酶解实验验证其活性。结果:PCR扩增得到了一个1 245bp的基因片段,预期编码414个氨基酸,诱导表达后得到一个分子量大小约为45.6 kDa的表达产物。Western Blot分析结果表明ywtD基因得到了有效表达。体外酶解实验表明该表达产物具有降解γ-PGA的活性。结论:证明在地衣芽胞杆菌ATCC9945A中存在着γ-聚谷氨酸降解酶基因。     

透明颤菌血红蛋白在产聚γ-谷氨酸地衣芽胞杆菌WX-02中的表达

聚γ-谷氨酸(γ-PGA)是一种应用前景良好的生物高分子材料.通过构建含有α-淀粉酶(amyE)基因两端交换臂的整合载体pDG1730-vgb,将透明颤菌血红蛋白基因(vgb)整合到聚γ-谷氨酸生产菌株地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)WX-02染色体中,获得重组子M2.一氧化碳差光光谱结果验证M2中表达了有活性的血红蛋白,3 L发酵罐分批发酵结果显示M2的生物量比出发菌株WX-02提高了25.5%,γ-PGA产量提高了20%.