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右旋糖酐制备及其应用研究进展

更新时间:2016-07-05

0 前言

右旋糖酐(Dextran),也称葡聚糖,是一种以葡糖苷键连接形成的高分子化合物。1869年Scheibler认为它与淀粉和糊精类的物质相似,故将其命名为多缩葡聚糖,即右旋糖酐。它是经某些细菌(如肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、荚膜醋酸菌(Acetobacter capsulatum))发酵蔗糖转化合成的高分子葡聚糖,主链是以 α-D-(1→6)糖苷键连接,侧链分支点是由α-D-(1→3)和α-D-(1→2)连接,相对分子质量范围很广,从5×104~3×108不等,故右旋糖酐及其衍生物广泛应用于医药、食品等多个领域,市场需求量大。

目前国内临床级右旋糖酐主要是由微生物发酵合成高分子葡聚糖,经酸水解为中、低分子量右旋糖酐,再通过乙醇沉淀获得不同分子量的右旋糖酐产品。该方法的不足之处是不仅能源消耗大,而且获得的产品分子量分布范围宽、蛋白及氯离子残留,限制了右旋糖酐的临床使用。因此,越来越多的国内外学者都在探求一种低能耗且可获得高品质右旋糖酐的生产方法,致力开发右旋糖酐制备新工艺。本文对右旋糖酐生产工艺的研究进展及在各行业中的应用进行了综述。

1 右旋糖酐的制备

1.1 右旋糖酐的制备方法

右旋糖酐制备方法主要有微生物发酵法和酶合成法。微生物发酵法是目前国内右旋糖酐生产的主要方法,即直接利用肠膜明串珠菌发酵高浓度蔗糖转化合成右旋糖酐,经乙醇沉淀获得粗酐,再利用盐酸将高分子量右旋糖酐水解为不同分子量右旋糖酐,经中和、脱色压滤、乙醇逐级划分、喷雾干燥等一系列操作获得右旋糖酐产品。利用酶工程技术生产右旋糖酐是目前较为先进且研究关注较多的工艺技术,该法与传统的发酵法相比,具有连续化生产、高效无污染、专一性强、产品分子量易控制、杂质含量低等优点。酶法合成右旋糖酐分为2个步骤:①胞外右旋糖酐蔗糖酶的制备及纯化;②右旋糖酐的合成。随着生物工程技术的迅速发展和逐渐成熟,分子技术以及固定化技术为酶法合成右旋糖酐提供了理论和技术支持。

1.2 微生物发酵法

生产菌株最主要的有明串珠菌和链球菌。工业上通常使用肠膜明串珠菌生产右旋糖酐。在国外,右旋糖酐的商业生产菌株为美国 NRRL研究所的NRRLB-512F株,该菌株属于链球菌属,其机理是细胞分泌右旋糖酐蔗糖酶至胞外,分解蔗糖合成右旋糖酐。此外,右旋糖酐的生产菌株还有其他很多类型,如柠檬色明串珠菌NRRLB-742、肠膜明串珠菌 NRRLB-1299、肠膜明串珠菌 NRRLB-1142、肠膜明串珠菌NRRLB-1355、链球菌6715等。中国医学科学院血液研究所从 1957年开始对国产右旋糖酐进行了系统的研究,筛选了肠膜明串珠菌-1226作为推广菌种[1-2],该菌种是目前国内生产右旋糖酐应用较多的菌种。

右旋糖酐的微生物发酵技术较为成熟,一般蔗糖转化率可达 90%以上。该法是以高浓度(10%~20%(w/w))蔗糖为主要成分的培养基,经肠膜明串珠菌 L.M-0326(1985年中国医学科学血液研究所筛选出来的)发酵进行工业化生产[3]。在国外,Goyal和Katiyar在 1995年研究了肠膜明串珠菌NRRLB-512F制备右旋糖酐蔗糖酶的最适条件是在23℃下静置培养[4]。Lazia等[5]研究了 pH值、通风对肠膜明串珠菌合成右旋糖酐的影响,研究结果表明pH值为5.5时细菌分泌的右旋糖酐蔗糖酶的活性最稳定且最高;溶氧与耗氧量基本相等的条件下最有利于右旋糖酐的合成。Nuwan等[6]研究了补料分批培养发酵方式(流加蔗糖溶液)可降低发酵液粘度,对右旋糖酐的合成起到促进作用,最终右旋糖酐浓度和生产强度分别达到55 g/L、2.75 g/(L·h)。国内,张洪斌[3]、李清娣[7]等探讨了发酵生产右旋糖酐的工艺条件及影响产品质量的因素,考察了发酵液粘度、pH值、温度、培养基组分及浓度等条件对右旋糖酐合成和分子量变化的影响。井明冉[8]探讨了蛋白胨用量对右旋糖酐生产的影响。廖威等[9]从糖厂分离了一株产右旋糖酐的肠膜明串珠菌,对其发酵培养基及发酵条件进行探究。张洪斌等[2]还研究了肠膜明串珠-0326发酵法制备右旋糖酐的工艺条件,并通过发酵时间的控制直接获得不同分子量的右旋糖酐,为实现定向发酵法来控制产物的分子量提供基础数据,提出了通过改变发酵工艺的条件来提高产品产量及质量[10-11]。王冶业等[12]以固定化技术为基础,以聚乙烯醇为载体固定菌体发酵生产。研究发现:相比传统菌种游离发酵生产右旋糖酐,固定化方法具有周期短、产率高、可连续生产的优点。常国炜等[13]开发了新型右旋糖酐分子量可控发酵生产技术,通过右旋糖酐蔗糖酶和右旋糖酐水解酶的协同作用,实现了一步法高效直接生产目标分子量的右旋糖酐产物,微分子量(5000~7500 u)右旋糖酐浓度和生产强度分别可达 107.8 g/L和 2.63 g/(L·h)。

酶法合成右旋糖酐,实际上是将右旋糖酐蔗糖酶的生成和右旋糖酐的合成分开在不同的反应器中进行的。因此,要获得高产量的右旋糖酐,首先必须获得高右旋糖酐蔗糖酶活性的生产菌株。国内外对产DSase的基因工程菌已有较多的报道(见表1),意在获得DSase酶活更高、生产能力更强的菌株。但表 1数据表明目前的研究结果还有待进一步提高。在国内,王育等[16]构建了dexYG+pRT-28a重组质粒,将其成功导入E.coli BL21(DE3)受体菌,通过定点突变技术与分子截短技术对右旋糖酐蔗糖酶基因改造进行探索。在后基因组时代基于蛋白质家族中的海量数据分析,通过有效的基因改造促进右旋糖酐蔗糖酶合成多样化右旋糖酐快速发展。

1.3 酶合成法

右旋糖酐生物合成的基本原理是由特定的细菌分泌右旋糖酐蔗糖酶(Dextransucrose, DSase, E.C 2.4.1.5)催化水解蔗糖为葡萄糖基和果糖,然后将葡萄糖基聚合成不同分子量的右旋糖酐[14]。酶合成右旋糖酐具有稳定性好、产品品质均一、分子量大小易控制、酶可重复利用等优点。早在 20世纪末,El-Sayed等[15]利用诱导分离出的右旋糖酐蔗糖酶来制备右旋糖酐,提高产品质量,改善生产环境。Pharmacia等一些国外企业已经可生产出高品质的右旋糖酐,国内企业生产的右旋糖酐质量还有待进一步提高。

目前国内右旋糖酐产品的传统生产工艺流程为:微生物发酵→乙醇沉淀→捏洗→盐酸水解→等级划分→烘干。由于工艺中需要利用盐酸进行水解,因此存在如下缺点:①酸水解过程中引入氯化物,造成产品质量低,限制了产品的临床使用;②强酸和高温条件均会影响产品的外观颜色和产品分子量的分布,反应过程控制难;③产品总产率低,需要进行分级醇沉回收产品,操作难度大;④排放液中含大量果糖,废液处理难,给环境造成污染。

1.3.1 右旋糖酐蔗糖酶的研究进展

微生物发酵法制备右旋糖酐过程中菌体和产物缠绕在一起,难以分离,给后续的分离造成了一定的困难。该方法的基本原理是细菌分泌右旋糖酐蔗糖酶到胞外,右旋糖酐酶再转化蔗糖为右旋糖酐,每一步需要的最适条件不一样。因此,微生物发酵过程中具有很多的不确定性,很难保证右旋糖酐产量和质量稳定性。

蓄集峡水利枢纽工程建于青海省西北部,行政隶属海西蒙古族藏族自治州德令哈市蓄集乡,蓄集峡水利枢纽工程德令哈市东北约60 km的巴音河上。岸坡引水发电洞穿过的地层主要为石炭系上统宗务隆山群板岩、大理岩和灰岩及震旦系亚群片岩、灰岩等,进出口局部为第四系崩坡积物和冲洪积物。

表1 右旋糖酐酶法合成菌

原始菌株 处理方法/基因模板 表达菌株 重组菌/酶特性L.M.N R R L B-5 1 2 F M C N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍诱变[17] L.M.N R R L B-5 1 2 F M C-1 6 所产酶的性质和原始菌相同,酶活比原始菌高,为2 0~2 5 I U/m L L.M.N R R L B-1 2 9 9 d s r B[18] E.c o l i D H 1 1 6 8 k u,产物只检测到α-(1,6)糖苷键,与原始菌相比,不含α-(1,2)糖苷键L.M.N R R L B-5 1 2 F M C M F m c m d s[19] E.c o l i D H 5 α 1 7 0 k u,催化产物含大量α-(1,6)糖苷键和α-(1,3)糖苷键支链L.M.L c c 4 d s r D[20] L a c t o c o c c u s l a c t i s M G 1 3 6 3 1 6 5 k u,最高酶活5 I U/m L L.M.N R R L B-1 2 9 9 C B 4 d s r B C B 4[21] E.c o l i B L 2 1(D E 3)p l y s S 仅α-(1,6)糖苷键,1 6 3 k u,0.1 4 7 I U/m L L.M.-0 3 2 6 d s r Y G[22-23] E.c o l i B L 2 1(D E 3) 最高可达3 5.6 2 I U/m L L.M.s u b s p d e x t r a n i c u m d s r D[24] E.c o l i R o s e t t a(D E 3) 1 7 0 k u,1.2 I U/m L L.M.C G M C C 1.5 4 4 d s r X[25] E.c o l i B L 2 1(D E 3) 1 6 7.5 7 k u,8.8 I U/m L

1.3.2 酶法合成右旋糖酐的过程调控

最后,对相关工艺文件进行标准化及要求现场操作者按工艺进行操作,检验时增加MT磁粉检测。经改善后,小吨位铸造引导轮的感应淬火裂纹发生率大幅降到0.15%以下,改善效果明显有效。

右旋糖酐蔗糖酶固定化技术制备右旋糖酐是目前比较先进的右旋糖酐制备方法。Berensmeier等[29]利用海藻酸钠与石英砂作为混合载体固定化右旋糖酐蔗糖酶,动力学研究表明该法固定化酶失活较快。Petronijevic等[30]利用带苯酰基的纤维素作为载体,采用在表面交联固定右旋糖酐蔗糖酶,取得较好的效果,并可用Triton X-100再生,但产品分子量控制有待研究。国内,张洪斌等[31]以海藻酸钠-琼脂混合物作为载体固定右旋糖酐蔗糖酶,固定化酶可以在较长时间内表现出高活力,第6批次转化率仍在40%左右,并发现海藻酸钠-琼脂混合载体与酶液体积比为2∶1时,固定化酶表现出的转化率最高,固定化酶最适反应温度为40℃,最适反应pH值为5.4。同时他也对粉状与珠状壳聚糖的制备及粉状载体固定化右旋糖酐蔗糖酶进行了研究[32]。用于固定化且效果优良的材料还有Eupergit C 250L、羟基磷灰石以及丙烯酰胺等,也都应用于右旋糖酐蔗糖酶固定化生产中,但是丙烯酰胺等是有毒化学材料,影响产品的实际应用。因此开发安全、稳定、高效的固定化材料也是右旋糖酐生产技术发展的方向之一。

文献[39-41]报道了利用膜分级超滤可在不添加有机溶剂的条件下,有效地控制右旋糖酐产品的分子量分布,从而取代传统的乙醇沉淀法。研究结果表明膜分离法无需使用酒精,产品总收率为51%,生产1 t右旋糖酐产品可回收1.1 t果糖,废液排放也达标,所得试验产品分子量分布系数较小,分级精度比传统工艺提高了 11%。显而易见,膜分离制备右旋糖酐产品具有无需使用乙醇、易纯化、易操作的优点,但电耗较高,各类膜的维护保养要求也较高,需要精确操作,否则容易造成膜损坏;各类膜均为高分子材料,有老化周期,适宜连续使用。

嫁接应该选择在晴朗的下午进行,将砧木3片以上部分切掉,保留2片真叶,取茄子幼苗一心一叶,确保切口与砧木接口相近,然后将插穗紧贴在切口上,用嫁接夹固定好,放在营养钵中灌溉透水,移入高温小拱棚内密闭培养。

然而,要将酶法制备右旋糖酐实现产业化还需解决以下几个难点:①由于肠膜明串珠菌发酵时产生的酶与细菌及其产物右旋糖酐互相缠绕,获得游离右旋糖酐蔗糖酶困难。蔗糖既是右旋糖酐蔗糖酶合成右旋糖酐的底物,也是细菌分泌右旋糖酐蔗糖酶的诱导剂,当降低培养基中蔗糖浓度时,可控制右旋糖酐的合成,但同时也会降低右旋糖酐蔗糖酶酶活性。Richard等[36-38]用酶阻断剂来阻止酶生产过程中出现的右旋糖酐,阻断剂是蔗糖的类似物和蔗糖衍生物,取得了一定的效果。②酶合成反应控制条件苛刻。如果要得到分子量分布均匀且不需要乙醇分级的右旋糖酐产品,需要考虑多方面因素的影响,是未来需要解决的问题。③酶法合成右旋糖酐的区域均一性和选择性等机理还不明确[14],合成的产物均一性(直链和支链等差异)和分子量分布无法控制,后续分离难。

酶法合成右旋糖酐的过程调控对产品的产量和质量起着重要作用。合成过程主要受底物浓度、酶量、反应温度和pH等条件的调控[14]。Santons等[26]研究了在L.M. B-512F发酵生产右旋糖酐的最适条件下右旋糖酐蔗糖酶酶量达40 g/L,酶活力为4.17 IU/mL,合成的右旋糖酐浓度为8.17 g/L,但当蔗糖浓度高于40 g/L时,产物和菌体分离困难。Kim等[27]研究发现在一定蔗糖摩尔浓度范围内,L.M.B-512FMCM 生物合成的大分子右旋糖酐(>106 u)随着蔗糖摩尔浓度增加而逐渐减少,而生成的小分子右旋糖酐(<105 u)逐渐增加,否则反之。温度对分子质量大于106 u的右旋糖酐的分子量影响不大,但对产物的支链数量有重要影响。当pH值在4.5~6.0内时,pH值对右旋糖酐产物的分子量和分支程度影响不明显。Falconer等[28]研究了体系中右旋糖酐蔗糖酶、蔗糖以及温度对合成不同分子量右旋糖酐的影响,研究发现合成的右旋糖酐分子量大小与反应体系中的酶含量呈负相关关系,而蔗糖浓度和发酵温度则与之成正相关关系。

2 右旋糖酐产品的提取

3) 控制段表示数据的字节数,在通用板卡向分油机板卡的数据发送中,LED状态指示的数据以及LCD显示数据是包含在一个数据报文中的,其中液晶显示为20个字符用ASCII码表示,每个字符占用一个字节,另加显示的第几行占用一个字节,10只LED状态指示占用一个字节,因此控制段此时为22个字节。

蔗糖转化合成右旋糖酐的理论产率为蔗糖的47.3%,但在实际的生产中右旋糖酐收率仅为20%~30%,产物收率低。国内传统工艺生产1 t右旋糖酐需要回收50~60 t的乙醇,其中生产消耗约5 t以上,且含约1.2 t果糖废液难以低成本回收,需要进行废水处理,右旋糖酐的总收率为 51%~55%[39]。该工艺不仅能耗大,对环境也造成很大污染,而且得到的右旋糖酐产品分子量分布不确定、产品杂质多、结构(链长和支链)有差异等,造成临床制剂生产的困难。

在我国现有的刑法体系下,刑法分则第五章“侵犯财产犯罪”的各个罪名中,立法者在描述犯罪对象时均使用了“财物”一词。按照体系解释的原则,至少在第五章的每个罪名中,“财物”应做统一内涵式的理解。不能认为诈骗罪的对象包括财产性利益,而盗窃罪的对象不包括财产性利益,这样的解释方法是违反罪刑法定原则的。由此可知,盗窃罪的犯罪对象同样也包括财产性利益。

梁达奉[33]、吴兆鹏[34]等构建组成型表达右旋糖酐酶的毕赤酵母基因工程菌株,无需甲醇诱导,制备出性能优异的右旋糖酐酶;而其团队开发的新型分子量右旋糖酐可控发酵技术巧妙地利用了右旋糖酐蔗糖酶合成大分子右旋糖酐和右旋糖酐酶分解大分子右旋糖酐在发酵过程中的协同作用。近年来就有人提出分别获得这2种游离酶,在反应器中获得特定分子量右旋糖酐。姚日生等[35]考察了右旋糖酐酶用量对右旋糖酐相对分子量的影响,研究用海藻酸盐固定右旋糖酐蔗糖酶,在该酶合成右旋糖酐时加入右旋糖酐酶降解大分子右旋糖酐,来调节产物的分子量。结果表明右旋糖酐的重均相对分子质量随右旋糖酐酶用量的增加而减小,并且酶用量对产物相对分子质量的影响是非线性的。

由于膜分离制备工艺还不够成熟,当前企业多采用乙醇分级沉淀的工艺对不同分子量的右旋糖酐进行提纯。尽管采取了很多措施去改善传统工艺的弊端,却仍不能彻底解决产品质量问题。因此,要想得到一种经济可行的右旋糖酐制备工艺,提取、分离纯化工艺是极为关键的。所以提取、分离纯化工艺也是未来右旋糖酐研究需要解决的问题。

3 右旋糖酐的应用前景

3.1 在医药上的应用

右旋糖酐因其具有安全、无毒、生物相容性好等优点,可用于代血浆或补铁剂。相对分子质量为70000、40000和20000 u的临床右旋糖酐目前有效地应用于中度失血[42]。作为补血剂的右旋糖酐铁是一种常用抗贫血药,国内外药典或兽药典均有收载,各药典或兽药典均指明,本品是微分子右旋糖酐(重均分子量5000~7500 u)与氢氧化铁的络合物。由于右旋糖酐含有大量活泼的羟基,易于改性,其以右旋糖酐基水凝胶的形式应用于组织工程材料方面。作为一种新型的药物控释载体,其因具有载药量大、易吸收、给药方便及性能稳定的优点受到很多学者的关注和重视[43]。右旋糖酐自身特有的高分子优势也为其作为新型的医用敷料提供了新依据[44]

3.2 在食品中的应用

右旋糖酐在食品行业中主要用在饮料和糕点制作的稳定剂、保湿剂、增稠剂和增量剂。低热葡聚糖在日本中各类食物中的纤维产量位居第 2,由于其持水性和粘稠性,可作为清凉饮料、果汁饮料等的低热量食品添加剂[45]

3.3 在工业方面的用途

右旋糖酐在石油钻井中用作增稠剂,效果比淀粉和羧甲基纤维素钠(Carboxy Methyl Cellulose,CMC)效果好。右旋糖酐也可用于精细化工,制成交联葡聚糖凝胶,广泛用于分子筛色谱技术中[45]

3.4 作为生物絮凝剂的应用

右旋糖酐除了应用在医学和工业领域外,也可合成高效、环保的新型生物多糖絮凝剂,前景十分广阔。生物絮凝剂性能与右旋糖酐分子量及其改性作用有关,张洪斌[46]等人在高分子右旋糖酐生产工艺基础上进行一定的改性反应,获得了具有良好絮凝性能的生物多糖絮凝剂。

内筒采用管鞋超前设计。管鞋超前就意味着内筒最前端管鞋具有“吃入”地层的能力,否则将会影响整体钻进取心效率。因此,将以往取心钻具中的卡簧座进行优化设计,使其既能放置岩心卡取工具又能高效“吃入”地层。

4 结语

右旋糖酐及其衍生物广泛应用于医药、兽药、食品、石油、精细化工、日用化工、金属选矿等众多行业。我国右旋糖酐的市场规模近几年增长较快,每年增长速度都在15%以上,且需求量大。2016年国内右旋糖酐的消费量近1万t。伴随着经济的快速增长及庞大的人口基数,也会带动右旋糖酐全球市场的发展。目前的临床级右旋糖酐的生产都是经过微生物发酵后经乙醇沉淀再采用酸水解,不仅能耗大,而且由于氯离子的存在产品质量不高。随着近年来糖生物学的不断发展,许多研究者致力于将酶合成法应用于分子量可控的右旋糖酐的制备,通过酶合成及调控,生产适用于各个行业领域的中、低分子量的右旋糖酐。另外,目前右旋糖酐的分离提取、质量标准控制难,结构测定仍有一定的困难,制约了右旋糖酐的开发利用。因此,寻求一种高效的右旋糖酐分离纯化技术非常急迫,这也是未来右旋糖酐制备的发展方向之一。相信在不久的将来,随着基因工程技术、酶工程技术、固定化技术、膜分离技术的发展,将会大大提高可控分子量右旋糖酐的生产效率,满足食品、医药、化工等多个行业的要求。

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张九花,常国炜,马步,黎志德,梁达奉
《甘蔗糖业》 2018年第02期
《甘蔗糖业》2018年第02期文献

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