[發(fā)明專利]一種快速降解高分子量聚氨基酸的方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103289083A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李皓;張梁;張超;康華;蔣慶
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: C08G69/48
• 分類號: C08G69/48
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 謝敏楠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物工程、高分子和微波化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種快速降解高分子量聚氨基酸的方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

聚氨基酸是指同一種氨基酸單體由化學(xué)法或微生物法合成的一類高分子聚合物，如ε-聚賴氨酸、γ-聚谷氨酸、聚天冬氨酸、聚鳥氨酸等。聚氨基酸有許多優(yōu)越的特性：（1）聚氨基酸作為一種生物大分子具有良好的生物相容性和組織親和性，能促進(jìn)組織修復(fù)和細(xì)胞生長；（2）聚氨基酸能在體內(nèi)酶的作用下降解為氨基酸,?容易被機(jī)體吸收、代謝，安全無毒；（3）聚氨基酸呈多價態(tài)離子，可以代替非致病性病毒作為基因治療的載體。（4）聚氨基酸抗有機(jī)溶劑腐蝕、耐熱、抗逆行性好；（5）聚氨基酸含有活性的胺基端和羧基端，很多氨基酸還帶有活性的側(cè)官能團(tuán)，容易進(jìn)一步改性和修飾；（6）聚氨基酸及其衍生物還具有明顯的壓電效應(yīng)，天然型聚L-氨基酸和聚D-氨基酸的立體結(jié)構(gòu)分別為右旋體和左旋體，它們對于相同的剪切力來說電極化方向相反。

目前，像γ-聚谷氨酸、ε-聚賴氨酸等微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的聚氨基酸已實現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。其中，γ-聚谷氨酸是由谷氨酸通過γ-酰胺鍵聚合而成的一種高分子陰離子聚合物，其側(cè)鏈上含有大量游離羧基，可發(fā)生交聯(lián)、螯合、衍生化等反應(yīng)，具有良好的成膜性、成纖維性、阻氧性、可塑性、粘結(jié)性、保濕性、吸附性和可生物降解等獨(dú)特的理化和生物學(xué)特性，是一種對人體和環(huán)境無毒害的生物相溶性新型天然高分子材料，可以作為保水劑、重金屬離子吸附劑、絮凝劑、緩釋劑以及藥物載體等制成不同相對分子量的產(chǎn)品，在化妝品、環(huán)境保護(hù)、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、沙漠治理等產(chǎn)業(yè)均有很大的商業(yè)價值和社會價值。

然而，經(jīng)發(fā)酵制備的線性γ-聚谷氨酸分子量很大（200,?000～1,000,?000?g/mol），直接應(yīng)用的話存在不少問題：分子量太大，水溶液粘度高，加工時不易處理；分子量太大導(dǎo)致過長的分子鏈易卷曲纏繞，部分活性官能團(tuán)難以被修飾；分子量太大，在體內(nèi)難以通過細(xì)胞膜等各種生物膜屏障，降低了生物利用度低；分子量越大，在體內(nèi)降解時間也會大大延長。因此，只有分子量較小（例如5,000～100,?000?g/mol）的γ-聚谷氨酸才容易加工和應(yīng)用，才能更好地發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，γ-聚谷氨酸通常采用酸熱水解法來降低分子量。一般情況下，分子量300,?000~500,?000?g/mol的γ-聚谷氨酸在pH1.0、100℃水中需要12小時才能降解到70,?000?g/mol以下，分子量為500,?000~700,?000?g/mol的在pH1.0、80℃水中則需要4天才能降解到100,?000?g/mol以下。該方法操作簡單、易于控制，但整個降解周期較長，所需水溫偏高，產(chǎn)物的分子量分布仍然較寬。在工業(yè)化生產(chǎn)過程中仍不免出現(xiàn)能耗過高、產(chǎn)品性質(zhì)不穩(wěn)定等問題。酶解法則相對條件溫和、效率更高，但降解時間并沒有顯著的縮短，作為降解催化劑的酶不易回收再利用，且容易受其它因素的影響（如溫度、pH值等）而失活，導(dǎo)致該降解法的成本偏高。

此外，分子量常常高達(dá)1,?000,?000?g/mol以上的膠原和蛋白質(zhì)也存在類似的問題。天然生物來源膠原和蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物——低分子量多肽或短肽在醫(yī)藥、美容及保健等領(lǐng)域有著廣泛的用途，但膠原和蛋白質(zhì)的降解較為困難，時耗、能耗及原料成本均較高，導(dǎo)致目前高純度的低分子量多肽或短肽仍然屬于市場上的高端稀缺產(chǎn)品。

微波降解這種降解方法已知可用于降解有機(jī)物、聚合物（如聚乙烯醇?殼聚糖），及天然高分子多糖、豆膠、淀粉等，也有報道其能用于加速蛋白質(zhì)的降解。在微波作用下，蛋白質(zhì)中的極性分子受微波作用，在微波場中運(yùn)動、摩擦產(chǎn)生熱量，促進(jìn)蛋白質(zhì)分子肽鍵斷裂，加速蛋白質(zhì)水解生產(chǎn)氨基酸。

然而，目前在應(yīng)用微波水解蛋白質(zhì)上面臨著瓶頸，主要是因為反應(yīng)條件偏高，對于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)來說存在高成本和設(shè)備損害的潛在風(fēng)險，不利于有該技術(shù)的實際應(yīng)用。例如，已報道的微波降解魚蛋白體系的鹽酸濃度高達(dá)4?mol/L，而降解絲蛋白可行的降解溫度在175℃以上。很顯然，過高的酸濃度會對生產(chǎn)設(shè)備造成嚴(yán)重的損害，而過高的反應(yīng)溫度會造成生產(chǎn)成本的大幅提高（包括能耗，高于100℃情況下體系溶劑的選擇以及由此引發(fā)的溶劑回收、產(chǎn)物提取與處理等方面問題）。因此，微波快速降解高分子量聚氨基酸、膠原及蛋白質(zhì)技術(shù)亟待進(jìn)一步優(yōu)化，降低反應(yīng)條件以利于產(chǎn)業(yè)化推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于根據(jù)天然膠原、蛋白質(zhì)及現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)的聚氨基酸存在的分子量過高的問題，提供一種相較于普通酸水解和酶水解更快速、更高效、能耗與成本也更低的降解方法。