谷氨酰胺是L-谷氨酸的C-羧基酰胺化物,在生命活动中起着重要的作用"它不仅是一种重要的生化试剂,同时也是一种有发展前途的新药"它是治疗胃溃疡!慢性胃炎的有效药物,还有增进脑神经机能的作用,可用来治疗神经衰弱,改善脑出血后遗留的记忆障碍,还能促进智力不足儿童的智力发育,防止癫痫病发作"日本已于1979年将其作为抗溃疡药物投放市场,疗效和经济效益十分显著[1]"其胃药制剂现已进入我国市场"近年来国外临床研究又有新突破,证明谷氨酰胺可以调节蛋白质合成,抑制蛋白质降解!刺激糖原合成,刺激细胞生长,激活免疫,提高生长激素水平[2~3]"普遍认为[3]谷氨酰胺是一种条件必需性氨基酸,目前已大量用于治疗运动员的运动综合症和高强度劳动或运动后的疲劳恢复,重建免疫系统;有利于治疗和支持肝脏功能,减少癌症治疗中化疗和放射性治疗的副作用;治疗腹部溃疡;维持大脑机能,治疗弱智,帕金森综合症和酒精中毒等[4~6]"谷氨酰胺的提取纯化研究可以提高产品质量!降低生产成本,在增加其应用范围方面有重要意义"谷氨酰胺的提取纯化通常根据其等电点!溶解度!分子大小!吸附剂作用以及发酵液的组成,采用不同方法进行分离纯化"
1 L-谷氨酰胺的经典分离方法
近年来,随着对谷氨酰胺的生理!生化!临床等方面研究的深入和发展,谷氨酰胺对生命活动的重要性正日渐突出"我国已经开始了谷氨酰胺发酵法小批量工业化生产,作为下游过程的分离纯化技术乃是影响其产品质量和成本的重要原因之一"谷氨酰胺发酵过程中的主要副产物是谷氨酸,而谷氨酰胺和谷氨酸两者分子结构和化学性质相近!分离困难,而且谷氨酰胺不稳定,分离过程中酸性条件下容易转化成谷氨酸,影响谷氨酰胺的成品质量[7~8]"国外80年代报道提取纯化率为30%,近来有专利报道实验室提取纯化率达70%以上[9]"
1.1浓缩结晶法 谷氨酰胺作为发酵的目的产物,溶解于发酵液中,而发酵液中还存在着谷氨酸等多种杂质"一次结晶法就是使发酵液通过絮凝!过滤和脱色等工序处理,料液经减压浓缩!结晶而制得一定纯度的谷氨酰胺成品"近年来,随着发酵液谷氨酰胺含量的提高,一次结晶法得到了一定范围的应用.
1.2冰析法 竹村等人对谷氨酰胺的提取方法进行了研究,将发酵液或其滤液冷却至0e以下,冰晶与谷氨酰胺晶体同时析出,向其中加入一定量的冷水,由于谷氨酰胺晶体的沉降速率较大,位于下层,而冰晶位于上层,很容易使用离心机加入分离"该方法获得的晶体与经典的减压浓缩法获得的晶体相比,色级!纯度和收率都有显著提高[10]"
1.3双柱法提纯谷氨酰胺 国内外一般采用对发酵液加絮凝剂过滤,滤液采用阳离子交换树脂直接吸附,阳离子和阴离子交换树脂组合处理,解吸液再通过活性炭脱色,减压浓缩得到晶体"但该方法的洗脱工艺是整个离子交换过程中决定产物纯度和收率的关键,采用分步解吸可以使谷氨酰胺与谷氨酸彻底分离[7]"
2 分离纯化谷氨酰胺的最新研究技术进展
谷氨酰胺分离纯化方面的最新研究主要集中在过滤技术的应用"通过对谷氨酰胺!谷氨酸性质的研究,掌握了不同条件下,两者在阳离子交换树脂上的反应情况,摸索出了分离谷氨酰胺和谷氨酸的最佳方法与条件,最终分离提取出符合药用标准的谷氨酰胺"
2.1过滤技术的应用 近年来随着分离提取方面技术的进步,钠滤!反渗透!超滤等技术已逐渐应用于发酵生产中"谷氨酰胺发酵滤液的质量也通过这些先进技术的应用有了很大提高,特别是钠滤和超滤技术的使用,基本上除掉了蛋白质等大分子杂质"反渗透技术的应用不仅达到了在较低温度下浓缩的目的,而且也可以除掉小分子量的杂质,减少浓缩过程中产生的杂质"
2.2两次重结晶法纯化谷氨酰胺 直接将发酵液进行絮凝!过滤,再通过超滤处理,减压浓缩后再用活性炭脱色,调溶液pH值到谷氨酰胺的等电点,浓缩使谷氨酰胺结晶析出,先除掉大量杂质"粗品加水溶解,使谷氨酰胺与少量的谷氨酸得以分离,再经过活性炭脱色,减压浓缩后结晶,此法制得的成品质量高,提取纯化总收率也远高于双柱法"
2.3单柱法分离谷氨酰胺和谷氨酸 谷氨酰胺PI=5.6!谷氨酸PI=3.2,而谷氨酰胺阳离子与谷氨酸阳离子一样都是一价离子,两者结构相似,在阳离子树脂上吸附差别不大"离子从树脂上解离的难易,除了受PI值影响外,还与树脂母体结构!洗脱剂离子浓度等因素有关"这些因素综合结果,使谷氨酰胺和谷氨酸一起从阳柱上被洗脱下来,然而,谷氨酰胺阳离子和谷氨酸阳离子有很大不同"碱性水溶液中,前者是一价离子,后者是二价离子,因此谷氨酰胺先洗脱下来,谷氨酸后洗脱下来[8]"
有文献报道[11]认为在pH为6~8之间时,谷氨酸98%以上是以一价负离子形式存在,而谷氨酰胺95%以上是以中性分子存在,因此在该pH值下与阴离子树脂进行交换,那么与树脂发生反应的就只有谷氨酸,而绝大多数的谷氨酰胺随溶液一起流过树脂从而使谷氨酸与谷氨酰胺得以分离"
3 谷氨酰胺的解离条件的研究
在谷氨酰胺!谷氨酸的分离过程中,谷氨酰胺的解离条件可能造成其部分水解"有文献报道[12],pH值为1.5时,谷氨酰胺含量随着放置时间的增加而减少,相反,谷氨酸的含量却随着放置时间的延长而增加,这是因为部分谷氨酰胺在pH=1.5时降解转化为谷氨酸"但也有人认为[13],强酸性离子交换树脂未显示出对谷氨酰胺的催化水解活性,而谷氨酰胺洗脱收率偏低,原因可能是在累积收集的洗脱液中,铵离子浓度过高而影响谷氨酸的仪器测定精度,而非谷氨酰胺离子交换过程中分离所致"
4 结束语
近年来,随着谷氨酰胺发酵水平的提高,发酵液中谷氨酸含量降低,谷氨酰胺提取纯化工艺完全可以简化为两次结晶法"特别是超滤和反渗透技术的应用为该工艺提供了技术保障"在发酵液谷氨酸含量较高的情况下,提取纯化工艺还是单柱法具有除去谷氨酸的优势,该工艺具有工业化应用前景"
参考文献
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