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《南京工业大学》 2003年
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γ-聚谷氨酸及高吸水树脂的制备研究

张新民  
【摘要】:γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一种阴离子聚肽,由D-和L-谷氨酸单体通过α-NH_2和γ-COOH之间的酰胺键连接而成。它来自非石油资源与对环境无害等特点,而且具有很好的水溶性、生物相容性及生物可降解性,因此,近年来γ-PGA及其衍生物的研究引起了国内外的关注,它在医药、化工、环保和农业等领域显示出十分广阔的应用前景。本论文系统地研究了γ-聚谷氨酸制备技术,自主筛选并改良获得了一株高产γ-PGA生产菌株,较深入研究了其生物聚合机理,提出了有别于前人的γ-聚谷氨酸代谢机理。γ-聚谷氨酸生成浓度、产物合成的速率和对底物的转化率均达到了国际先进水平。 鉴于高吸水树脂在国民经济生活中具有重要作用,本论文还研究了由γ-PGA制备高吸水树脂的工艺及产品的吸液特性,并初步探讨了它在农业园艺中的应用。 本论文主要工作如下: 以L-谷氨酸分离培养基为特定的“筛子”;通过大量的筛选和工作,获得了一株高产γ-PGA的菌株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)N X-2。目前该菌株及相关的γ-PGA生产工艺已申请了国家发明专利,保藏号为CGMCC0833。 NX-2对培养基碳源的利用表现出独特的性能。碳水化合物对NX-2菌株合成γ-PGA至关重要,当培养基中没有碳源,NX-2不能合成γ-PGA。当培养基中加入葡萄糖,蔗糖,麦芽糖或淀粉,NX-2分泌γ-PGA,其中,葡萄糖和蔗糖是最有效的碳源。NX-2菌株对淀粉的利用性以及利用淀粉分泌γ-PGA的能力很独特,迄今未见报道。而乳糖的作用和其他单糖或双糖的作用又不一样,培养基中加入乳糖,不能使NX-2菌株启动γ-PGA的合成途径。柠檬酸是目前大多数γ-PGA生产菌株合成γ-PGA所用的碳源,但NX-2对柠檬酸的利用性很差,在柠檬酸为碳源的发酵液中也未能检测到γ-PGA,这反映出NX-2独特的代谢体系。甘油也是NX-2合成γ-PGA的良好碳源,培养基中加入3%甘油,NX-2可积累24.3g/L的γ-PGA。 探讨了培养基中谷氨酸的作用,外源谷氨酸对γ-聚谷氨酸生产是必不可少的。γ-聚谷氨酸生成浓度随培养基中谷氨酸的浓度增加而增加,当谷氨酸添加 摘要 浓度为70留L,丫一聚谷氨酸生成浓度可达41留L,但对谷氨酸的表观转化率只 有58%,当谷氨酸添加浓度为30岁L,经24小时短的培养时间内,Y一聚谷氨酸 生成浓度可达30.29/L,生产率高达1 .26留比(为迄今报道最高值),,对对谷 氨酸的表观转化率101%。从这些实验结果可推断:Y一聚谷氨酸分子中谷氨酸 单体来源来自两方面:一方面来源于培养基中供给的谷氨酸,另一方面来自于菌 体对葡萄糖的代谢转化而成的谷氨酸。 对Y一PGA培养基进行优化,其最佳组成为(叭):葡萄糖30,酵母膏5,谷 氨酸30,凡HPO40.5,MgSO4O.1。在此条件下,实现了Y一PGA的高效合成。和 文献报道的菌株相比,NX一2菌株转化率高,生长速率快和营养消耗低,具有明 显的优越性,这为低成本生产Y一PGA奠定了良好的基础。 采用红外光谱、核磁共振和酶法等技术对产物进行结构表征,证明所获产物 为卜PGA,化学结构如下: 「价日刁 十:之亏日\CHZ之C卜衬 1 1 p 11! 匕曰二0」。 以Y一PGA为原料,乙二醇缩水甘油醚为交联剂,制备了Y一PGA高吸水树脂, 其最佳工艺条件为:PGA浓度12%,pHS.0,反应温度60℃,反应44一48h,在最 优条件下,制备获得的丫一PGA高吸水性树脂的吸水率为9509/g。首次探讨了该 反应的机理,用高分辨率魔角旋转核磁共振(HR/MAS NMR)从结构上证明了该交 联反应是利用交联剂的环氧基和¥一PGA侧链的游离梭基起酷化反应,形成网络结 构,从而获得吸水保水能力强的吸水树脂。 首次研究了丫一PGA吸水树脂在农业领域中的应用。Y一PGA吸水树脂对土壤 水分的吸水率为30一80倍。Y一PGA的水浸液在土壤中有较强的保水力和较理想的 释放效果,具有明显的抗旱促苗效应。用不同浓度PEG(6000)试剂(聚乙二醇)模 拟土壤吸水力的种子发芽试验表明,Y一PGA有较强的吸水和保水能力,可明显提 高小麦和玉米的发芽率。丫一PGA的直接拌种试验和Y一PGA水浸液的鲜切花保鲜 试验表明犷PGA对提高植物种子发芽率和延长保鲜期都有显著效果。
【学位授予单位】:南京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TQ324

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【参考文献】
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