微生物发酵法生产透明质酸的研究
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摘要 ：D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的双糖单位玻尿酸（Hyaluronan），又称糖醛酸、透明质酸，透明质酸是一种在体内广泛存在的粘多糖，与其它粘多糖不同，它不含硫。本文重点介绍了透明质酸（玻璃酸）（hyaluronicacid，HA）的来源、结构、理化性质，及发酵法生产透明质酸。
关键词 ：透明质酸 结构 理化性质 种类
一、透明质酸简述
透明质酸是一种酸性粘多糖，1934年美国哥伦比亚大学眼科教授Meyer等首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。透明质酸以其独特的分子结构和理化性质在机体内显示出多种重要的生理功能，如关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质，水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。人类皮肤成熟和老化过程也随着透明质酸的含量和新陈代谢而变化，它可以改善皮肤营养代谢，使皮肤柔嫩、光滑、去皱、增加弹性、防止衰老，在保湿的同时又是良好的透皮吸收促进剂。与其他营养成分配合使用，可以起到促进营养吸收的更理想效果。
二、透明质酸的结构及理化性质
2.1 透明质酸（Sodium Hyaluronate）化学名：（14）-O-β-D葡萄糖醛酸-（13）-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D葡萄糖。
结构式：
分子式：（C14hr20N Na O11）n;分子量：（401.3）n
2.1.1一级结构
HA为一链状聚合物，由（1-β-4）D-葡糖醛酸（1-β-3）N-乙酰基氨基葡糖的双糖单位重复连接组成，结构如图 1
电子显微镜下观察证实 HA 为一线性单链，在水溶液中扩展成随机的线圈状，线圈的直径约500nm。HA 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成负离子，等空间距离负离子的相互排斥，使其分子在水溶液中处于松展状，占据了大量空间，可结合本身1000倍的水。当浓度达到 0.1%时，HA分子即可相互缠绕，形成网状结构，赋予HA溶液特异的流变学性质，该特性是 HA 具有粘弹性和发挥生理功能的基础。
2.1.2 二级结构（螺旋结构）
HA 分子在水溶液中呈单螺旋状态，分子内的氢键使其形成螺旋结构，如图 2 所示。
HA 分子在水溶液中以数种对称体存在，如二折体（即分子链中每一扭含 2 个双糖）、三折体或四折体形式存在。
2.1.3 三级结构（网状结构）
在 HA 二级结构的研究中，发现当 HA 达到一定浓度时，HA 分子间具有相互作用，形成双螺旋结构，浓度更高时形成网状结构。HA 分子中每个三糖单位均有一块疏水区域，该区域由 8 个 CH（相当于一个正辛烷）组成。无数个这样的疏水区域有规律地交替分布在 HA 大分子的对应面上。在高浓度时，HA分子间的疏水区域相互作用可构成双螺旋结构。
2.2 理化性质
透明质酸钠为白色或类白色粉末或纤维状物，有引湿性。微溶于水，不溶于有机溶剂。
2.2.1 流变学特性
HA水溶液由于分子内和分子间的作用，其溶液具有特殊的理化性质如粘弹性、非牛顿流体特性（假塑性）、依数性等。
2.2.2 降解反应
HA大分子容易在酸、碱性、氧化剂和高温等条件下降解，另外紫外线、超声波、射线、金属离子等因素也对HA具有降解作用。
2.2.3 交联反应
HA 分子中的羧基、羟基和乙酰氨基可与交联剂如碳二亚胺、酰肼、醛和醇等发生反应，生成交联大分子，在预防粘连、软组织填充、粘弹性补充疗法和给药体系中得到广泛的应用。
2.2.4 酯化与成盐反应
HA分子羧基可与惰性醇（脂肪醇、芳基脂肪醇、环状脂肪醇等）酷化，羧基酷化后可提高HA的稳定性，抵抗透明质酸酶的降解。HA分子中的羧基可同锌、钠等金属离子成盐。
三、透明质酸生产方法的分类及简述
透明质酸的生产过程和技术决定了质量优劣的差异，所以在使用上一定要是正确来源生产的产品才能有治疗的功效。一般而言，提炼的方法有三种：动物组织提炼，化学合成，微生物发酵。
1、动物组织提取法
是最早采用的生产方法，几乎所有的动物组织中均含有HA，但主要原料是鸡冠和牛眼玻璃体等。用丙酮或乙醇将原料脱脂、脱水，用蒸馏水浸泡、过滤，然后以氯化钠水溶液和氯仿溶液处理，之后加入胰蛋白酶保温后得到混合液，最后用离子交换剂进行处理、纯化得到精制的透明质酸。 由于动物组织提取工艺原料来源受限，提取率极低，仅1%左右， 提取工艺复杂，生产成本高，致使透明质酸价格昂贵，达5000美元/公斤， 限制了透明质酸在医药和化妆品中的应用。
2、化学合成法
采用天然酶聚合反应;首先使用多糖类聚合物合成“透明质酸氧氮杂环戊烯衍生物”，然后添加水分解酶，制造出衍生物和酶的复合体，最后在90度摄氏反应液中清除其中的酶，就合成了透明质酸。采用人工合成法可大大降低透明质酸的制造成本，但结构不精纯。
3、微生物发酵法
在20世纪80年代，Kendall等，在链球菌等菌株中采用发酵法或酶解法得到HA。它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为主要成分的荚膜而形成的，即为微生物发酵法得到HA。以工业化生产为目的的发酵透明质酸研究始于80年代初期，在借鉴前人对某些链球菌产生透明质酸荚膜这一重要发现，利用现代液体深层发酵技术和设备，对菌种、培养基、各种发酵参数条件进行了优化，并对细菌生物合成透明质酸的代谢过程进行了深入研究，使发酵产率和透明质酸的Mr有了大幅度的提高，发酵法已成为透明质酸生产的主流工艺。斜面种子37℃培养16～24h;母瓶种子液的培养取面菌种，接种于装有灭菌培养液230ml的1L锥形瓶中，37℃培养12～14h，光镜观察菌体生长良好，无杂菌污染，即可接种于种子罐中;种子罐种子液的培养按摇瓶种子液的配方配制培养液100L，加入种子罐中，通蒸汽加热，121℃灭菌15min。冷却至37℃，用压差接种法，将摇瓶种子液接种于种子罐中，通气量30L/min，搅拌300rpm，36±2℃培养12～14h。光镜观察菌体生长良好，无杂菌污染，即可待接种于发酵罐中;在发酵罐培养基中维持通气量500～600L/min，搅拌转速200rpm，37℃发酵24～30小时，在发酵过程中，发酵液的pH值不断下降，加5mol/L氢氧化钠溶液，调pH6.5～7.5。发酵后期，葡萄糖浓度下降至0.5%以下，pH值下降很慢或不再下降时，即为发酵终点。发酵结束后，过滤除去菌丝体和杂质，然后用醇沉淀法等简单操作即得到高纯度的产物。采用发酵法制造的透明质酸，优点是能按商品设计来设定分子量大小。发酵法的关键在于菌种的选择，多选用链球菌。通过对菌种进行筛选、诱变，对发酵原料、发酵条件、灭菌工艺不断进行改进和优化，获得了高产率和高分子量的菌株，使HA发酵产率取得突破性提高：从3.0克/升提高至6.0克/升;随后，又利用新的代谢调控手段，分析了HA在菌体内的生物合成路线，并通过调控菌种生长速率与HA合成速率的比例，然后采用添加特种生长因子的方法，进一步优化发酵培养液配方，最终使HA的发酵产率又获得较大提高，达到8.0克/升。同时，微生物发酵生产的HA各项指标均达到甚至超过《欧洲药典》的相关要求。
发酵法生产透明质酸具有产量不受动物原料资源限制，成本低，分离纯化工艺简捷，易于规模化生产等优点，是透明质酸生产的发展方向。
参考文献：
[1] 陈乌桥，刘祖同，孔金明等.透明质酸产生菌的诱变育种及发酵条件[J].清华大学学报，1994，34 （6）：63-67.
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