透明质酸的微生物发酵法生产与应用概况
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透明质酸发酵工艺原理综述引言透明质酸是一种重要的天然高分子化合物,具有优异的生物活性和生理功能。
近年来,随着人们对健康和美容的关注度逐渐提高,透明质酸在医学、化妆品和食品等领域的应用日益广泛。
为了满足市场需求,在透明质酸的生产中,发酵工艺被广泛应用。
本文将对透明质酸发酵工艺的原理进行综述。
透明质酸发酵工艺的基本原理透明质酸发酵工艺是指利用微生物发酵代谢途径生产透明质酸。
发酵是一种基于微生物代谢活动的生物转化过程,其中微生物利用可再生资源合成有用产物。
透明质酸发酵工艺的基本原理可以概括如下:1.选择合适的微生物菌株:发酵过程中使用的微生物菌株是决定透明质酸产量和质量的关键因素。
常用的菌株包括发酵霉菌、乳酸杆菌和葡萄球菌等。
2.提供合适的培养基:微生物菌株需要适当的培养基来生长和合成透明质酸。
培养基中的营养物质包括碳源、氮源、无机盐、维生素和生长因子等。
3.发酵条件的调控:透明质酸的产量和质量受到发酵条件的影响。
调整发酵温度、pH值、搅拌速度和氧气供应等参数,可以达到最佳的发酵效果。
4.生物反应工程的应用:生物反应工程技术可以优化透明质酸发酵工艺,提高产量和纯度。
调控物质的输送、床层颗粒大小和固体浸泡比等参数可以改善反应过程。
透明质酸发酵工艺的主要步骤透明质酸发酵工艺通常包括以下主要步骤:1.复苏和预培养:从冷冻保存的透明质酸菌株中取出适量的菌种,进行复苏和预培养。
这个步骤有助于提高菌株的活力和适应性。
2.母液发酵:将预培养的菌种移植到透明质酸发酵的母液中,通过合适的培养条件进行发酵。
发酵过程中,菌株利用底物合成透明质酸。
3.分离和纯化:发酵母液中的透明质酸需要进行分离和纯化,以得到高纯度的透明质酸产品。
常用的分离纯化方法包括沉淀、离心、浓缩和脱盐等。
4.后处理:对纯化的透明质酸产品进行后处理,包括干燥、打粉和包装等步骤。
这些步骤可以提高透明质酸产品的稳定性和使用便利性。
透明质酸发酵工艺的优缺点透明质酸发酵工艺具有如下优点:1.生物可再生资源:透明质酸发酵工艺利用微生物代谢活动合成透明质酸,减少了对传统化石能源的依赖。
透明质酸的微生物发酵法生产与应用概况作者:李萌季永甜等来源:《湖北农业科学》2013年第13期摘要:透明质酸是由葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺的二糖组成的高分子黏多糖,广泛地存在于动物组织中,具有独特的生理特性,在许多领域得到广泛的应用。
目前,透明质酸的生产方法主要有提取法、微生物发酵法和人工合成法。
对微生物发酵法进行了概述,对透明质酸在化妆品、保健品和医学医疗领域的应用进行了简要介绍,并对透明质酸的生产和应用前景进行了展望。
关键词:透明质酸;微生物发酵法;育种中图分类号:Q538;TQ920 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2013)13-2980-04透明质酸(Hyaluronic acid,HA)是1934年Meyer等从牛眼玻璃体中提取分离得到的一种大分子多糖,故又名玻璃酸[1]。
透明质酸是由2 000~25 000个通过β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键交替地结合在一起的葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺的二糖组成的均匀重复的线性葡糖胺聚糖[2]。
透明质酸是胞外基质(Extracellular matrix, ECM)的重要组成部分[1]。
近来的研究表明,透明质酸不仅广泛存在于细胞间的胞外基质中,还存在于细胞内,主要集中分布在新生细胞的胞浆和细胞核中[2]。
除了在玻璃体中外,透明质酸在关节滑液和表皮细胞间隙中的含量也十分丰富,从数量上看,50%以上的透明质酸存在于皮肤的真皮和表皮中,约35%存在于肌肉和骨骼中。
目前认为透明质酸主要是存在于软结缔组织中的惰性空间填料中,在组建蛋白多糖复合物的过程中起着重要的作用[2]。
1 透明质酸的性质在电子显微镜下,观察到透明质酸分子呈线性单链结构,并在水溶液中扩展成随机的线圈状结构,线圈的直径约为500 nm。
透明质酸分子中每一双糖单位均含有一个羧基,在生理条件下均可解离,形成阴离子,等空间距离阴离子之间的相互排斥使其分子在水溶液中处于松散的扩展状态,占据了大量空间,故可结合多于本身1 000倍的水[3]。
微生物发酵法生产透明质酸郭学平透明质酸(hyaluronic acid, HA),又名玻璃酸,是一种酸性黏多糖,广泛存在于脊椎动物的各种组织细胞间质中,如皮肤、脐带、关节滑液、软骨、眼玻璃体、鸡冠、鸡胚、卵细胞、血管壁等,其中以人脐带、公鸡冠、关节滑液和眼玻璃体含量较高。
透明质酸价格昂贵,在日本有“白金”之称,目前的生产方法有发酵法和提取法两种。
1 透明质酸的发展1934年美国Meyer等首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。
20世纪70年代,Balazs等从鸡冠和人脐带提取HA,并配制成眼科手术用黏弹性辅助剂—NIF-HA,开创了HA医学应用的先河。
由于HA优良的保湿和润滑性能,20世纪80年代初开始用于高档护肤化妆品,其需求量大幅度增加。
受原料限制,从人脐带和鸡冠提取的HA产量低、成本高,不能满足市场需求。
为了寻找HA的新来源,降低生产成本,研究了发酵法生产HA。
工业化发酵生产HA是日本资生堂最早开始研究的,他们借鉴前人对某些链球菌产生HA这一重要发现,利用现代发酵技术和设备,以提高HA产率为目的,对发酵生产HA进行了较全面地研究。
80年代中期,日本已有发酵生产的HA上市,价格大大低于从动物原料提取的产品。
提取法和发酵法生产HA的比较见表1。
表1 提取法和发酵法生产HA的比较项目提取法发酵法存在状态在原料中与蛋白质和其它多糖形成复合体,分离精制复杂在发酵液中游离存在,分离精制容易分子量与保湿性小于1.0×106,保湿性差大于1.5×106,保湿性强品质与产量取决于动物原料的品质与数量品质稳定,产量大价格(化妆品用) 2.2万元/kg 1.6万元/kg应用价格昂贵,化妆品中的添加量受到制约能增加化妆品中的添加量发酵法生产HA方面的研究主要集中在日本、英国和美国也有少量报道。
国内从1980年开始研究从鸡冠和人脐带提取纯化HA,在1990年前后化妆品用HA和医药用HA先后研制成功并生产。
透明质酸的合成透明质酸是一种广泛应用于医药、化妆品、食品等领域的高分子化合物,其分子结构特殊,具有优异的生物相容性、生物可降解性和生物活性,因此备受青睐。
透明质酸的合成方法有多种,其中最常用的是通过微生物发酵法合成。
微生物发酵法是利用微生物进行发酵反应合成透明质酸的方法。
透明质酸的生物合成通常由Streptococcus zooepidemicus菌株完成。
这种菌株在适宜的培养条件下,发酵时可产生大量的透明质酸,产率高、成本低、产品纯度高,因此是目前最主要的透明质酸生产方法之一。
透明质酸的发酵生产分为两个阶段。
第一阶段是菌种培养,第二阶段是透明质酸的发酵。
在菌种培养阶段,首先要选择适合的培养基,加入适量的碳源、氮源、矿物质和生长因子,使菌株迅速增殖,生长到一定密度后,将菌种转移到透明质酸的发酵罐中。
透明质酸的发酵过程要控制好温度、pH值、氧气和营养物质的供给等因素,使菌株在最适的生长条件下进行发酵。
透明质酸的发酵主要是靠菌株的代谢产生,菌体在发酵过程中不断分裂增殖,同时菌体外分泌出透明质酸,通过透明质酸的积累,最终形成胶原蛋白。
透明质酸的发酵反应通常在30-40℃下进行,反应时间长达数天至数周。
透明质酸发酵结束后,要对发酵产物进行提取、纯化和干燥处理。
提取采用离心、过滤、沉淀等方法进行,将发酵产物中的透明质酸分离出来。
纯化则通过离子交换层析、凝胶过滤和透析等方法进行,去除杂质,提高产品纯度。
最后,干燥处理通常采用喷雾干燥法、真空干燥法等,将透明质酸制成粉状或颗粒状,便于储存和使用。
总之,透明质酸的合成是一个复杂的过程,需要掌握科学的生产技术和严格的生产工艺。
随着透明质酸在医药、化妆品、食品等领域的广泛应用,其需求量也越来越大,因此透明质酸的生产方法也在不断改进和优化,以提高产量、降低成本、提高产品质量,更好地满足市场需求。
透明质酸生产工艺透明质酸(hyaluronic acid, HA)是一种在生物体内广泛存在的高分子聚糖,也是一种天然保湿因子。
透明质酸具有良好的保湿性能和生物相容性,因此被广泛应用于医药、化妆品和食品等领域。
下面将对透明质酸的生产工艺进行简要介绍。
透明质酸的生产可以通过两种途径进行:微生物发酵法和从鸡冠骨中提取法。
微生物发酵法是目前应用较广泛的生产透明质酸的方法。
此法首先需要选择适合发酵生产的微生物菌种,常用的包括链球菌属、肺炎球菌属、乳酸菌属等。
接种菌种后,培养基中添加适量的碳源、氮源和一些辅助物质,促进菌种的生长和透明质酸的合成。
发酵周期通常为3-7天,菌体生长后通过离心分离,获得含有透明质酸的菌体。
得到含有透明质酸的菌体后,需要将菌体溶解或微生物发酵粉未经溶解经部分酶解液化后进行提取。
提取透明质酸时,常用的方法包括水解提取法和碱液提取法。
水解提取法是先将菌体经过水解反应,使透明质酸脱落出来,然后通过离心或过滤等方式分离出透明质酸。
碱液提取法则是将菌体溶解于碱液中,然后经过沉淀、洗涤和离心等步骤获得透明质酸。
从鸡冠骨中提取透明质酸是另一种获得透明质酸的方法。
鸡冠骨中富含透明质酸,通过一系列的化学处理,可以将透明质酸从鸡冠骨中提取出来。
主要步骤包括去脂处理、酸解、碱化、沉淀和精制等过程。
无论是微生物发酵法还是从鸡冠骨中提取法,获得的透明质酸都需要经过后续的精制和纯化处理。
这些处理包括沉淀、过滤、离心、洗涤、浓缩和干燥等步骤,以获得高纯度的透明质酸产品。
总结起来,透明质酸的生产工艺包括微生物发酵法和从鸡冠骨中提取法。
微生物发酵法通过选择适合的菌种进行发酵,然后进行提取和纯化,得到透明质酸。
从鸡冠骨中提取法则是通过一系列化学处理步骤将透明质酸从鸡冠骨中提取出来,然后经过精制和纯化处理,得到高纯度的透明质酸产品。
以上是透明质酸生产的主要工艺简介。
透明质酸合成
透明质酸是一种常用的天然多糖类高分子化合物,具有保湿、润滑、抗衰老等功效。
广泛应用于医学、化妆品、食品、烟草、纸张及柔性薄膜等领域。
透明质酸的合成方法也多种多样,接下来将介绍几种透明质酸的合成方法。
1. 水解法
水解法是透明质酸主要的工业生产方法。
将纤维素用碱液处理后,经过明矾脱色、硫酸煮沸、酸处理等步骤制得纤维素醛,然后经过还原、水解等步骤制得透明质酸。
这种方法的缺点是工艺复杂,步骤繁多,需要较强的技术条件和设备,同时产品的纯度和分子量分布也比较难以控制。
2. 微生物法
微生物法是透明质酸的一种新型生产方法。
通过选择透明质酸产生菌株,将其发酵生产透明质酸。
该方法生产过程简单、环保,产品质量稳定,品质优良,是目前发展较快的一种透明质酸生产方法。
3. 化学法
化学法是一种利用化学方法合成透明质酸。
化学法合成透明质酸的步骤较多,但反应条件易于控制,产品结构可控,因此在研究领域较为常见。
透明质酸合成的关键是控制分子量分布。
对于医药和化妆品行业来说,透明质酸的高分子量和单一分子量的透明质酸更受欢迎。
总的来说,透明质酸的合成方法多种多样,各有优缺点。
但无论哪种方法,关键在于保证产品品质的稳定性和分子量的分布均匀性。
这一点非常重要,因为分子量会直接影响透明质酸的生理功能。
未来,随着科学技术的不断发展以及消费者对于高品质化妆品的需求逐渐加强,透明质酸逐渐将走向高品质化合物的方向。
透明质酸的制备及应用现状
一、概述
透明质酸(hyaluronic acid, HA)是一种碳水化合物,它是一种具有独特结构和性质的高分子化合物,又称为玻璃水质酸,是由连续的糖原单元构成的系列高分子水解产物,其结构类似于两条凹凸不匹的螺纹管,结构十分稳定,具有良好的透明性和触觉性。
HA可以用来滋润皮肤,增强皮肤弹性,消除皱纹,保护皮肤免受紫外线损伤,促进新陈代谢,改善皮肤色素沉着,调节皮肤油脂分泌,缓解皮肤红肿及瘙痒,有效修复伤口,预防衰老,等等,是一种功能性的保湿剂或增强剂。
二、透明质酸的制备
1.从动物内涵体中制备
HA主要从动物内涵体中制备,这种方法制备的HA纯度较高,但成本较高,效率较低,而且还容易被污染。
2. 通过微生物发酵Synthesis
通过微生物发酵Synthesis目前是最主要的HA制备方法,通过改造细菌可以大量合成高纯度HA,以及低成本,成本较低,生产效率高,并且不会被污染。
3.其他方法
HA也可以用其它的方法制备,比如可以给原有的化学药剂添加特殊的host,从而改变HA的特性,如含量,粒度,纯度等,使HA具有良好的功能性。
比如,可以使用HA转化细胞因子(TGF-β)工艺来让人体分泌特定的HA,从而制备得到高纯度的HA。
透明质酸HA ( Hyaluronic Acid ) 是由(1 - β- 4) D - 葡糖醛酸和(1 - β- 3) N - 乙酰基- D -氨基葡糖组成的双糖单位重复连接构成的大分子糖胺聚糖[1 ] 。
由于其具有特殊的生理作用、独特的流变学特性和极强的持水保湿能力,在化妆品工业、医学研究、临床治疗等领域得到了广泛的应用[2 ,3 ] 。
微生物发酵法是利用某些种属的链球菌在生长繁殖过程中向胞外分泌以HA 为主要成分的荚膜来生产HA。
与组织提取法相比,具有成本低、生产规模不受动物原料限制、发酵液HA以游离态存在、易于分离纯化和形成规模化生产、无动物来源的致病病毒污染的危险等优点[ 4 ] 。
利用链球菌发酵法生产HA 的研究主要集中在日第2 期邓开野,等:透明质酸产生菌的筛选及诱变本,英美等国也有少量报道,大多见于专利。
作者对牛鼻黏膜进行了透明质酸产生菌野生型的分离,同时利用复合诱变育种方法处理HA产生菌,以期得到既不产生乙型溶血素、HA 产量又有提高的发酵HA 所适用的菌种。
1 实验材料采集的样品为长春皓月肉牛公司和海南省三亚市防疫站的牛鼻黏膜140 份。
培养基有以下几种: ①斜面培养基。
牛脑沁液800 mL ,牛心沁液200 mL ,牛肉膏的质量分数为0. 3 % ,蛋白胨为1 % ,NaCl 为0. 5 % ,琼脂为1. 8 % ,灭菌前p H = 7. 0 ,121 ℃灭菌20 min 。
②血琼脂平板培养基。
葡萄糖的质量分数为2 %,蛋白胨为1 %,牛肉膏为1 % ,MgSO4 ·7H2O 为0. 1 % , KH2 PO4 为0. 2 % ,琼脂为1. 6 %,灭菌前p H = 7. 0 ,121 ℃灭菌20 min. ,冷却至50 ℃以下,无菌条件下加入无菌脱纤维兔血。
③摇瓶培养基。
葡萄糖的质量分数为4 % ,蛋白胨为1 % ,牛肉膏为1 %,MgSO4 ·7H2O 为0. 1 % , KH2 PO4为0. 2 % ,灭菌前p H = 7.0 ,121 ℃灭菌20 min ,冷却至50 ℃以下,无菌条件下加入体积分数为10 %的小牛血清。
透明质酸的制备、功能特性及其调节肠道健康的研究进展1. 透明质酸的制备方法研究进展透明质酸(Hyaluronic Acid,简称HA)是一种在人体中自然存在的天然高分子多糖,具有良好的保湿性能及多种生理功能。
随着生物科技的发展,透明质酸的制备方法也在不断进步,其研究主要集中在化学合成、微生物发酵以及生物提取等方面。
化学合成法:化学合成法是早期制备透明质酸的主要方法,通过特定的化学反应合成透明质酸。
但这种方法存在副反应多、纯化困难、成本较高以及可能引入有毒杂质等问题,因此逐渐被其他方法所替代。
微生物发酵法:近年来,微生物发酵法成为制备透明质酸的主流方法。
该方法通过培养特定的微生物菌种,利用微生物在发酵过程中自然产生透明质酸。
此方法具有产量高、易于纯化、生产成本相对较低等优点。
通过优化发酵条件,还可以实现对透明质酸产量的调控。
生物提取法:生物提取法主要是从动物组织(如鸡冠、动物眼球等)中提取透明质酸。
虽然提取法得到的透明质酸天然、纯净,但由于原料来源有限,大规模生产存在困难,因此该方法主要用于实验室研究和小规模生产。
随着科技的发展,研究者们也在不断尝试新的方法,如基因工程法、重组DNA技术等来制备透明质酸,以期获得更高纯度、更低成本的产品。
对于不同制备方法的比较研究也是当前研究的热点之一,旨在找到最适合工业化生产的透明质酸制备方法。
透明质酸的制备工艺不仅影响其产量和纯度,也对其后续的应用性能产生影响。
开发高效、安全、可持续的透明质酸制备方法具有重要的实际意义和价值。
随着研究的深入,我们期待在未来看到更多创新的技术和方法在透明质酸制备领域的应用。
1.1 天然透明质酸的提取与纯化方法天然透明质酸(Hyaluronic Acid,简称HA)是一种线性的多糖,由D葡萄糖醛酸和N乙酰氨基葡萄糖胺通过1,3键和1,4键交替连接而成,具有高度的生物相容性和生物活性。
在自然界中,透明质酸主要存在于动物的结缔组织、皮肤、关节软骨、眼球玻璃体等部位。
透明质酸的制备与应用透明质酸是一种常见的生物高分子,具有优异的生物相容性、生物降解性、生物标记性等优点。
在医学、美容等领域有着广泛的应用。
本文将从透明质酸的制备到其应用等方面进行探讨。
1. 透明质酸的制备透明质酸的制备方法有多种,其中最常用的是微生物发酵法和化学法。
微生物发酵法是目前最主流的透明质酸制备方法,主要使用的微生物是链球菌、乳酸菌等。
它们通过代谢过程产生的代谢产物转化为透明质酸。
化学法则是利用琥珀酰衍生物和 N-乙酰氨基葡萄糖等化合物通过酯键连接形成透明质酸。
这种化学法制备的透明质酸相对较少应用,主要用于科学研究或者是商业生产初期的透明质酸固体原料。
2. 透明质酸的应用2.1 医药领域透明质酸最早应用于医疗领域,主要是用于治疗骨关节炎、软骨病变等疾病。
透明质酸可以减轻关节疼痛和改善关节活动度,同时还可促进软骨修复。
目前,透明质酸已成为一种较为成熟的治疗软骨病变的方法。
2.2 美容领域透明质酸在美容领域应用也非常广泛,主要是通过注射透明质酸来改善皮肤的质感和形态。
皮肤年龄越大,透明质酸含量就会越低,导致皮肤出现干燥、松弛等问题。
通过注射透明质酸,可以达到丰脂、美白、去皱等效果。
2.3 生物医学工程透明质酸还可以用于生物医学工程领域。
近年来,随着三维打印技术的不断发展,透明质酸逐渐成为一种常用的支架材料。
透明质酸支架可以与生物体在组织相容性和生物可降解性方面良好匹配,能够促进组织的修复和再生。
3. 透明质酸的发展趋势随着科技的不断进步,透明质酸的应用越来越广泛,越来越深入人们的生活。
未来,透明质酸的发展趋势将会更加多样化,应用范围也会有所扩展。
比如,在医疗领域,透明质酸可通过基因技术等手段纳入生物医药的研究与开发;在美容领域,透明质酸注射技术也将会进一步的开发与完善;在生物工程领域,透明质酸的材料结构和性质优化、应用材料的多样化等方面都将会开拓更广阔的发展空间。
总之,透明质酸是一种广泛应用于医疗、美容和生物工程等领域的生物高分子材料。
一种微生物发酵法生产透明质酸的方法透明质酸(Hyaluronic Acid,简称HA)是一种天然的高分子化合物,广泛应用于医药、化妆品和食品工业中。
传统的生产透明质酸的方法通常基于动物组织或细胞培养,但这些方法存在一些缺点,比如成本高、操作复杂以及存在感染风险等。
在过去几年中,微生物发酵法生产透明质酸逐渐成为了一种新的替代方法。
本文将详细介绍一种基于微生物发酵法生产透明质酸的方法及其工艺流程。
一种常用的微生物发酵法生产透明质酸的方法是利用亚洲林木病毒(Streptococcus zooepidemicus)这种革兰阳性细菌。
这种菌株在透明质酸的生物合成途径中扮演着重要角色,是目前工业生产透明质酸的主要菌株之一首先,选取适宜的亚洲林木病毒菌株,并进行培养基优化。
培养基中的碳源、氮源和其他微量元素的含量和比例对菌株的生长和透明质酸的产量有着重要影响。
通过调整培养基中这些成分的浓度,可以提高透明质酸的产量。
随后,将选定的亚洲林木病毒菌株接种到合适的培养基中,并进行发酵过程。
发酵条件包括温度、pH值和培养时间等。
一般来说,适宜的温度为30-37摄氏度,pH值为6.0-7.0,培养时间为24-48小时。
这些条件下,亚洲林木病毒菌株可以将碳源和氮源转化为透明质酸。
发酵完成后,通过离心和过滤等步骤将发酵液中的细胞和杂质去除。
接下来,通过酸碱调节和醇沉淀等操作,将透明质酸从发酵液中提取出来。
最后,通过进一步的精炼和干燥,得到纯度较高的透明质酸产品。
除了亚洲林木病毒,其他一些细菌和真菌也可以用于透明质酸的生产,比如乳酸杆菌(Lactobacillus)和微球藻(Chlorella)等。
这些微生物的生长和透明质酸的产量也受到培养基和发酵条件的影响。
因此,在实际生产中,需要根据具体情况选择最适合的微生物菌株和优化的发酵条件。
总之,微生物发酵法生产透明质酸是一种具有潜力的新方法。
相比于传统的动物组织或细胞培养法,它具有成本低、操作简单、风险小等优点。
透明质酸的研究进展摘要:透明质酸(Hyaluronic Acid简称HA)是一种国际上公认的生物大分子保湿剂,用于眼科显微手术、关节炎治疗、高级化妆品等领域。
目前,透明质酸的生产方法逐渐由动物组织提取法转向微生物发酵法.。
采用微生物发酵法生产透明质酸,培养条件选择pH6.5、摇速100次/分、培养温度37℃、培养时间48小时,添加生产因子,透明质酸产量增加近一倍。
关键词:透明质酸,微生物发酵法,培养条件,生产因子,影响微生物发酵的因素,透明质酸的应用前景透明质酸(HA)又称玻璃酸钠,由β–D葡萄糖醛酸和β–D–N–乙酰氨基葡萄糖的双糖单位反复交替连接而成的高分子物质,是一种具有特殊功能的胞外酸性粘多糖,是构成皮肤真皮层的物质,广泛应用于脊椎动物的各种组织间质中。
自20世纪30年代Mayer首次从动物眼玻璃体中提取得到HA后,HA的生产和应用研究至今已有70余年的历史。
HA有独特的黏弹性和生理功能,是细胞外基质的主要成分,具有保水、润滑、调节渗透压等作用,可保护正常细胞免受毒性细胞、自由基等的侵袭,并可影响细胞增生、分化等。
因此,HA广泛用于骨科、眼科、妇科、外科手术后防粘连、整形美容及保健食品等领域。
近年的研究结果展示了HA有许多新的应用领域,并出现了新的衍生物,为开发HA的新用途奠定了基础。
1.目前HA的工业生产有两种方法:即提取法和发酵法。
提取法主要利用鸡冠、人脐带、牛眼的玻璃体等为原料,进行生产,而且组织必须是新鲜采集,这样不但动物组织来源困难,且价格昂贵,成本高,这给HA的生产带来了一定的困难。
发酵法生产HA,是利用链球菌将廉价的葡萄糖转化为HA,不依赖于动物器官,产量不受限制,成本也低,发酵液中的HA易于分离纯化,产品纯度高,但发酵法HA的产量不高。
为此,我们对发酵法制备HA的工艺条件进行了实验研究,旨在提高HA产量,降低生产成本。
(1).透明质酸的动物组织提取方法:以公鸡鸡冠为原料、以黄牛眼睛为原料和以人脐带为原料提取透明质酸。
透明质酸的微生物发酵法生产与应用概况的探析甄利凯【期刊名称】《食品安全导刊》【年(卷),期】2015(000)033【总页数】1页(P139)【作者】甄利凯【作者单位】瑞和安惠管理集团有限公司【正文语种】中文透明质酸是一种酸性粘多糖,美国的教授Meyer等在1934年在牛眼玻璃体中首先分离出了透明质酸。
透明质酸有着其他物质没有的理化性质和分子结构,这就使透明质酸可以应用在不同的方面,也使透明质酸在各个领域的应用越来越广泛,如对蛋白质进行调节、水电解质的扩散、促使创伤愈合等等。
透明质酸在人体中的含量的变化会随着人类皮肤的老化程度的变化而变化,透明质酸的存在会改善皮肤的代谢,可以使皮肤更加的光滑,也可以防止皮肤的衰老,可以促进皮肤能够更好的对物质进行吸收,如果与别的物质进行结合,还可以有更加理想的效果。
动物组织提取法透明质酸在最早的时候采用提取的方法就是动物组织提取法,所有的动物组织中基本上都有透明质酸,主要是鸡身上的鸡冠和牛身上的牛眼中含有透明质酸是很多的。
将原料放入丙醇和乙醇中去,经行脱脂和脱水,再将脱脂和脱水后的原料放入蒸馏水中进行浸泡,然后再用氯化钠对其进行处理,再加入胰蛋白酶,最后再利用离子交换法提炼出精制的透明质酸。
由于在动物的组织中提炼的透明质酸的提取率是非常低的,而且提取的过程也比较复杂,成本比较高,这就导致所提取的透明质酸的价格比较昂贵,限制了透明质酸提取产业的可持续发展。
化学合成法化学合成法合成透明质酸,首先使用多糖类的聚合物合成衍生物,然后在衍生物中加入分解酶对其进行分解,最后在反应液中对分解酶进行清除,需要注意的是温度要在九十摄氏度中进行清除,从而形成透明质酸,这种方法可以降低成本,但是制造出来的透明质酸并不纯净。
微生物发酵法在上世纪八十年代时,科学家在菌株中得到了透明质酸,采用的方法就是发酵法和酶解法。
主要就是在链球菌的生产过程中,向细胞外分泌了很多的透明质酸,这种方法就是微生物发酵法。
透明质酸的微生物发酵法生产与应用概况作者:李萌季永甜等来源:《湖北农业科学》2013年第13期摘要:透明质酸是由葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺的二糖组成的高分子黏多糖,广泛地存在于动物组织中,具有独特的生理特性,在许多领域得到广泛的应用。
目前,透明质酸的生产方法主要有提取法、微生物发酵法和人工合成法。
对微生物发酵法进行了概述,对透明质酸在化妆品、保健品和医学医疗领域的应用进行了简要介绍,并对透明质酸的生产和应用前景进行了展望。
关键词:透明质酸;微生物发酵法;育种中图分类号:Q538;TQ920 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2013)13-2980-04透明质酸(Hyaluronic acid,HA)是1934年Meyer等从牛眼玻璃体中提取分离得到的一种大分子多糖,故又名玻璃酸[1]。
透明质酸是由2 000~25 000个通过β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键交替地结合在一起的葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺的二糖组成的均匀重复的线性葡糖胺聚糖[2]。
透明质酸是胞外基质(Extracellular matrix, ECM)的重要组成部分[1]。
近来的研究表明,透明质酸不仅广泛存在于细胞间的胞外基质中,还存在于细胞内,主要集中分布在新生细胞的胞浆和细胞核中[2]。
除了在玻璃体中外,透明质酸在关节滑液和表皮细胞间隙中的含量也十分丰富,从数量上看,50%以上的透明质酸存在于皮肤的真皮和表皮中,约35%存在于肌肉和骨骼中。
目前认为透明质酸主要是存在于软结缔组织中的惰性空间填料中,在组建蛋白多糖复合物的过程中起着重要的作用[2]。
1 透明质酸的性质在电子显微镜下,观察到透明质酸分子呈线性单链结构,并在水溶液中扩展成随机的线圈状结构,线圈的直径约为500 nm。
透明质酸分子中每一双糖单位均含有一个羧基,在生理条件下均可解离,形成阴离子,等空间距离阴离子之间的相互排斥使其分子在水溶液中处于松散的扩展状态,占据了大量空间,故可结合多于本身1 000倍的水[3]。
根据透明质酸的来源和提取方法的不同,其相对分子质量(Mr)为8×105~5×106[4]。
透明质酸的结构及生物活性具有相对分子质量依赖性,其中低相对分子质量透明质酸在低浓度时仅生成碎片状网状结构,而高相对分子质量透明质酸却能生成整体的网状结构[3]。
由于分子内存在氢键,透明质酸分子在水溶液中呈现单螺旋结构[5]。
当透明质酸在溶液中达到一定的浓度时,透明质酸分子间便会产生相互作用,从而形成双螺旋结构,浓度更高时则会形成网状结构[3]。
目前公认的透明质酸结构理论是三级结构理论,即透明质酸分子中每个三糖单位具有一个疏水区域,当溶液浓度较高时,透明质酸分子间的疏水区域相互作用,形成双螺旋结构,这是透明质酸分子间相互聚集的基础[6]。
透明质酸的特性是黏度非常高[2],在低浓度或低相对分子质量时,溶液的黏度随浓度或Mr的增加变化较小;当Mr和浓度增高使黏度达10 mPa·s以后,透明质酸分子便开始缠绕,此时黏度随Mr和浓度的提高而迅速提高[3]。
2 透明质酸的生产技术已经报道的透明质酸的生产技术有3种,即提取法、微生物发酵法和人工合成法[1]。
提取法是指从人或动物的组织中提取透明质酸[1]。
提取法是最早采用的透明质酸的生产方法,目前用于生产的原料主要为鸡冠、人脐带和动物眼球,主要的工艺过程包括提取、除杂、酶解、沉淀和分离,不同组织透明质酸的提取纯化过程有一定的差别[3]。
但是由于提取法的原料来源局限性大,产品提取率极低(仅为1%左右),并且工艺程序复杂,因此生产成本很难降低。
此外,由于在动物组织中,透明质酸与其他高分子物质相结合,导致其分离纯化的难度更大,并且利用动物组织提取的透明质酸产品可能会导致感染,这些因素限制了提取法在医药和化妆品等工业中的广泛应用[2,3]。
人工合成法是指先利用生物高分子合成“玻璃酸氧氮杂环戊烯衍生物”,然后添加水和羊或牛的精巢透明质酸酶,制备出衍生物和酶的复合体,最后除去酶,纯化出透明质酸[1]。
人工合成法尚处于实验室研究阶段,还未应用到工业化生产中[1]。
微生物发酵法是指利用经过筛选的菌种进行发酵培养,并从发酵液中分离纯化得到透明质酸产品[1]。
由于提取法存在上述缺点,而人工合成法又尚未成熟,故微生物发酵法成为目前生产透明质酸最主要的方法。
下面对透明质酸生产的微生物发酵法进行较系统的概述。
2.1 产透明质酸菌的育种最早发现的微生物产生透明质酸是在1937年,当时发现链球菌属(Streptococcus)中具有β溶血性的酿脓链球菌(S. pyogenes)可产生透明质酸[7]。
随后于1939年又发现链球菌属中的马链球菌(S. equisimilis)和兽疫链球菌(S. zooepidemicus)也能产生透明质酸[7]。
由于野生型链球菌有能产生透明质酸解聚酶、表达其他胞外蛋白、透明质酸产率低等缺点[2],故实际生产中要通过各种手段对野生型菌种进行改良,以满足工业化生产的需要。
2.1.1 诱变育种诱变剂主要包括物理诱变剂、化学诱变剂和生物诱变剂。
目前应用于产生透明质酸菌种育种的诱变剂主要有紫外线、60Co γ射线和亚硝基胍(NTG)[7]。
许多研究报道表明,通过上述各种诱变处理方法处理一些能够产生透明质酸的原始菌种,如兽疫链球菌、马链球菌等,能够获得透明质酸产量较高的、或者产生的透明质酸相对分子质量较大的、或者预先用透明质酸酶处理呈阴性反应的、或者是非溶血的、或者兼有以上几种特点的优良菌株[7]。
2.1.2 原生质体育种由于原生质体与一般的细胞相比去除了细胞壁,故原生质体对外界环境条件变化比一般细胞更为敏感,对诱变处理的反应也更为强烈[7]。
目前已有成功的试验,利用NTG等化学诱变剂或利用激光等物理诱变方法处理原始菌种的原生质体,从而获得高产的菌株[7]。
2.1.3 基因工程育种链球菌中编码参与透明质酸合成途径的酶的基因位于一个单顺反子上,名为has操纵子。
在酿脓链球菌中,has操纵子由3种基因组成,分别为hasA(1 248 bp)编码透明质酸合酶(42.0 u),hasB(1 204 bp)编码UDP葡萄糖脱氢酶(47.0 u),hasC (915 bp)编码UDP葡萄糖焦磷酸化酶(33.7 u)[2]。
虽然目前尚不清楚透明质酸链是如何穿过细胞膜进行转运的,但在粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、大肠杆菌(Escherichia coli)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中,透明质酸合酶和UDP葡萄糖脱氢酶的表达足以指导透明质酸的生成和转运[2]。
故只需将hasA和hasB基因转入宿主细胞内并使其在宿主细胞内表达,即可生产透明质酸[7]。
A组链球菌的黏液样GAS菌株S43/192/4的HA合成基因于1993年被首次克隆并构建大肠杆菌质粒,在大肠杆菌中成功表达,合成HA[8]。
随后C组链球菌的HA合成基因于1997年被克隆并在大肠杆菌中表达[8]。
凌敏等[9]从马链球菌总DNA中扩增出sqhas基因,构建表达质粒并转化大肠杆菌DH5α,成功表达出sqHAS蛋白,并在加入底物的情况下合成了HA。
张晋宇等[10]克隆了兽疫链球菌的hasB基因,并在大肠杆菌中表达,得到了相应的蛋白。
中国台湾省Chien课题组将兽疫链球菌hasA和hasB基因通过NICE诱导表达系统引入乳酸乳球菌(Lactococcus lactis),成功得到产生透明质酸的工程菌株[11]。
生举正[12]将兽疫链球菌透明质酸合酶基因通过NICE(The nisin-controlled gene expression system)诱导表达系统引入乳酸乳球菌,并得以成功表达,合成了HA。
2.2 发酵条件的优化链球菌是营养条件苛刻的细菌,需要在营养丰富的培养基上生长。
链球菌通常在含有酵母或者动物提取物、蛋白胨和血清的混合物的复杂培养基上生长,这些培养基的配方总是包括葡萄糖(10~60 g/L)、氨基酸、核苷酸、大量的盐、痕量的矿质元素和维生素[2]。
pH和温度对兽疫链球菌的生长和透明质酸产量非常重要,有研究表明,pH 6.7±0.2,温度37 ℃的条件对兽疫链球菌的生长和提高透明质酸的产量最为适合[13]。
搅拌速率对透明质酸产量也有影响。
研究表明,在搅拌速率低的条件下,乳酸产量高而透明质酸产量低[13]。
高速率搅拌虽然会减弱乳酸合成的影响,提高透明质酸产量,但会破坏透明质酸多聚体,使其相对分子质量减小[13]。
葡萄糖的初始浓度对透明质酸相对分子质量有很大的影响,研究表明当葡萄糖的初始浓度由20 g/L增加到40 g/L时,透明质酸相对分子质量也会由(2.1±0.1)×106增加到(3.1±0.1)×106[13]。
Liu等[14]报道在兽疫链球菌的分批发酵培养过程中,分别在8 h和12 h时添加了过氧化氢(1.0 mmol/g HA)和抗坏血酸(0.5 mmol/g HA),使透明质酸发生氧化还原解聚,相对分子质量下降,产量由5.0 g/L增加到6.5 g/L。
3 透明质酸的应用由于透明质酸具有上述的诸多性质,使其在许多领域都得到了广泛的应用。
下面主要就透明质酸在化妆品、保健品和医疗医药领域的应用进行综述。
3.1 透明质酸在化妆品中的应用透明质酸主要存在于细胞间的胞外基质中,具有维持组织细胞胞外空间、加速营养成分流动以及保持组织的作用。
首先,与传统的保湿剂相比,透明质酸具有更好的保湿效果,并且还具有无油腻感、不堵塞毛孔的优点。
其次,透明质酸水溶液具有较强的黏弹性和润滑性,有助于在皮肤表面形成透气的保湿膜,从而保持皮肤滋润。
再次,小分子的透明质酸能够进入真皮层,促进血液微循环,有利于皮肤吸收营养,可以起到美容和保健作用。
最后,透明质酸可以清除皮肤中因紫外线照射而产生的活性氧自由基,起到防晒和修复的作用[15]。
由于透明质酸具有以上诸多优点,故其被当作最理想的天然保湿因子而广泛地应用于化妆品中,以达到保湿润肤、抗皱防晒的作用。
添加量一般为0.05%~0.50%[15]。
3.2 透明质酸在保健品中的应用由于透明质酸具有保水、润滑、促进伤口愈合和保护细胞等多种特性,故人体内透明质酸的减少会导致关节炎、皮肤老化、皱纹增多等诸多问题,因此,目前口服透明质酸补充内源性透明质酸被认为是美容保健、延年益寿的有效途径之一[16]。
口服透明质酸的理论依据是:透明质酸经口服消化后能够增加人体内合成透明质酸的前体,从而使体内透明质酸合成量提高,并定位到皮肤等组织中,发挥其作用。
目前,已有多种形式的口服透明质酸产品问世,如片剂、胶囊剂和口服液等[16]。