透明质酸的研究现状综述

第２６卷第２期　山东轻工业学院学报　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．２　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｍａｙ．　２０１２　２０１２年　５月　文章编号：１００４－４２８０Ｉ２０１２）０２－００１５－０４　透明质酸的研究现状综述　宋磊，王腾飞　（山东轻工业学院山东省微生物工程重点实验室，山东济南２５０３５３）　摘要：透明质酸（ｈｙａｌｕｍｎｉｃ　ａｃｉｄ，简称ＨＡ）是由葡萄糖醛酸和Ｎ－乙酰氨基葡萄糖胺为双糖单位交替连接而成的粘　多糖物质。本文论述了透明质酸的特性、应用、制备等研究现状，分析了目前存在的主要问题及解决途径，并对其　前景进行了展望。　关键词：透明质酸；兽疫链球菌；发酵法　中图分类号：Ｑ９４６　文献标识码：Ａ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏｆ　Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ　Ａｃｉｄ　ＳＯＮＧ　Ｌｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｔｅｎｇ—ｆｅｉ　（Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０３０３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ（ＨＡ）ｉｓ　ａ　ｌｉｎｅａｒ　ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ　ｃｈａｉｎ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｇｌｕｃｕｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ　（ＧｌｃＡ）ａｎｄ　Ｎ—ａｃｅｔｙｌｇｌｕｃｏｓａｍｉｎｅ（ＧｌｃＮＡｃ）ｍｏｉｅｔｉｅｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，Ｗｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅａｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ＨＡ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｒｅｓ￣：ａｒｃｈ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ；Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ　ｚｏｏｅｐｉｄｅｍｉｃｕｓ；ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　０　引言　透明质酸又名玻尿酸，是由（１—３）一２一乙酰　氨基一２一脱氧一１３一Ｄ一葡萄糖通过１３—１，４和１３　—１，３糖苷键与（１—４）一０一Ｂ—Ｄ一葡萄糖醛酸反　复交替连接而成粘性多糖物质＿ｌ　Ｊ。分子量小至几　万，大至数百万，分子中Ｎ一乙酰氨基葡萄糖和葡萄　一，　＼＼　糖醛酸的摩尔比为１：１，其结构如图１所示　。　１９３７年，Ｋｅｎｄｅｌｌ等　］从菌株发酵液中提取到　ＯＨ　ＨＡ，从此，人们对ＨＡ的分布、理化性质、化学结构、　。　生产工艺以及在医疗、化妆品和保健食品方面的应　用进行了广泛而深入的研究。　图１透明质酸分子结构　收稿日期：２０１２－０３－０８　基金项目：国家自然科学基金项目（３１１７１７２７）　作者简介：宋磊（１９８６．），男，山东省菏泽市人，山东轻工业学院在读硕士研究生，研究方向：微生物酶技术　１６　山东轻工业学院学报　第２６卷　１　透明质酸的特性及分布　透明质酸具有许多粘性多糖所共有的特性：在　常态下，呈白色，为无定形固体，无臭无味，有强吸湿　性，较难溶于水，不溶于有机溶剂。但较其它糖而　言，ＨＡ具有独特的性质，这是因为透明质酸直链轴　上葡萄糖醛酸和Ｎ一乙酰氨基葡萄糖之问糖苷键、氢　键及其与水溶液之问的交互作用，使得ＨＡ在空间　上形成半径为２００　ｎｍ的刚性螺旋柱形。一方面，柱　的内侧由于存在大量的羟基而产生强烈的亲水性；　另一方面，由于羟基的连续定向排列，又在透明质酸　分子链上形成高度的憎水区。正是由于ＨＡ分子的　亲水和憎水特性，使得ＨＡ浓度即使低于１０　也能　形成连续的三维蜂窝状网络结构。水分子在这个蜂　窝状网络内通过极性键和氢键与透明质酸分子相结　合而被固定在螺旋柱内，不易流失。因此透明质酸　可以像分子海绵一样可以吸附约为其自身重量　１０００倍的水分，是国际上公认的最好的保湿剂　。　在自然界中，ＨＡ广泛分布于高等动物的的各　种组织中。现在人们已经从脐带、皮肤、人血清、鸡　冠、关节液、脑软骨、眼玻璃体、鸡胚、人尿、动静脉壁　中分离到ＨＡ。在哺乳动物体内，以玻璃体、关节　液、脐带中的透明质酸含量最高　，鸡冠中的ＨＡ含　量和关节滑液中相似　。ＨＡ与蛋白质结合同其他　粘多糖共存，在眼玻璃体和关节滑液中，以溶解形式　存在；在鸡冠和脐带中，以凝胶形式存在。透明质酸　不仅存在于高等动物组织中，同时也存在于部分细　菌中。现已发现ＨＡ含量较高的细菌主要有绿脓杆　菌、产气杆菌和Ａ、Ｂ、ｃ溶血性链球菌　。　２透明质酸的应用　２．１　透明质酸在化妆品领域的应用　透明质酸具有良好的保湿作用，是高档化妆品　中最好的天然保湿成分添加剂。因为它是人体皮肤　组织中广泛存在的天然因子且相容性好，几乎可以　添加到任何美容化妆品中，从最初的膏霜、乳液、化　妆水到现在的浴液、粉饼、口红等　Ｊ，其优越的性能　引起了国际化妆品界的广泛关注。当将含有ＨＡ的　化妆品涂于皮肤表面时，透明质酸可在皮肤表面形　成一层粘弹性水化膜，该水化膜可以使皮肤角质层　光滑湿润，并阻隔外来细菌、灰尘和紫外线的侵入，　保护皮肤免受侵害；同时，透明质酸能渗入皮肤表皮　层，轻微扩张毛细血管、增加血液循环、改善中间代　谢、促进皮肤营养的吸收和废物的排放。此外，透明　质酸还具有较强的消皱功能，增加皮肤弹性，延缓皮　肤衰老。这便是透明质酸对皮肤的保湿和营养的双　重功效。　２．２透明质酸在医药领域应用　透明质酸及其盐类是构成人体细胞间质、眼玻　璃体、关节软骨、关节滑液等结缔组织的主要成　分　，由于透明质酸具有独特理化性质和生理功　能，在医学方面已得到广泛应用。在关节病治疗中，　通过补充外源性透明质酸，可以起到恢复滑液的润　滑功能，为病变的关节创造一个自我修复的时间，促　进关节的修复和功能的改善；在眼科手术中，将其注　入到前房后，可有效地支撑前房，涂布于眼内其他组　织表面及手术器材表面形成一层保护膜，可避免器　械的机械损伤；在外科手术中，透明质酸可用于预防　术后粘连和促进皮肤伤口的愈合；作为媒介ＨＡ在　滴眼液中也被广泛应用　ｌｏ］。ＪｔＬ￣＇ｔ－，透明质酸与其它　药物结合后，利用ＨＡ的受体发挥的靶向作用，可达　到定向和定时释放的。因此，随着医药科技逐渐发　展，透明质酸在医药领域的应用也将越来越广泛。　２．３　透明质酸在食品领域的应用　透明质酸在人体中的含量大约为１８ｇ左右，在　人体的生理活动中发挥着至关重要的作用。如果关　节腔、血管、心脏、眼、脑等组织器官中的透明质酸含　量下降，可能会导致关节炎、动脉硬化、脉搏紊乱和　脑萎缩等疾病。口服透明质酸可补充人体内ＨＡ的　不足，避免因人体内透明质酸的匮乏而引起的组织　和细胞的老化，特别是对维持老年人的健康具有明　显的特效。透明质酸通过消化、吸收，可延缓衰老，　使皮肤滋润光滑、柔软而富有弹性　；同时口服透　明质酸还可使人精力充足，富有青春活力。目前，口　透明质酸美容保健食品受到越来越多的人重视和接　受。　３透明质酸的制备　透明质酸的制备主要有以下两种途径：一是从　动物组织中提取；二是通过微生物发酵获得¨　。　３．１组织提取法　ＨＡ广泛存在于动物的各种组织细胞间质中，　如皮肤、关节滑液、软骨、眼玻璃体、鸡冠、鸡胚等。　其中以人的脐带、公鸡冠、关节滑液与眼玻璃体中透　明质酸含量最高。从组织中提取ＨＡ的一般方法　是：先将动物组织打成匀浆，然后用水和稀盐溶液进　行溶解，溶解液用氯化十六烷基吡啶沉淀，然后将所　第２期　宋磊，等：透明质酸的研究现状综述　１７　得的沉淀溶于氯化钠溶液中，再用三倍乙醇溶液沉　淀既得粗品，反复使用氯化十六烷基吡啶和乙醇纯　化，或通过凝胶、离子交换色谱方法精制。从人和动　物体内所得到的透明质酸粘度较高，保湿性能较好，　相对分子质量一般都大于６０万。目前高档化妆品　和医用级眼科使用的透明质酸大部分还是通过此方　法获得。但传统提取方法成本高，来源有限，纯化复　杂，难以满足日益扩大的需要　。　３．２发酵生产法　从上世纪７Ｏ年代，有人就开始利用微生物发酵　培养来制备透明质酸。日本资生堂于１９８５年首次　报道了使用兽疫链球菌生产透明质酸的方法。已报　道的常用的产透明质酸菌主要为伯杰氏手册中链球　菌的Ａ组与ｃ组，Ａ群主要是化脓链球菌等，系人　体致病菌，不宜作为生产菌种；Ｃ群链球菌为非人体　致病菌，比较适合于工业生产。目前，国外近年来利　用Ｃ群链球菌生产透明质酸早已达到产业化阶段。　通常，微生物法生产透明质酸的产量和质量主要取　决于以下几个方面：生产菌种的性能、培养基以及发　酵工艺的优化、发酵过程的控制及发酵下游的分离　提纯。　３．２．１高产菌种的选育　高产透明质酸菌株的选育是一项非常重要且必　须长期坚持的工作。目前我国对产透明质酸菌株的　选育主要还是立足于传统的人工诱变上，诱变选育　的一般方法是：从自然界或动物身上获得原始菌株，　经鉴定为兽疫链球菌并产透明质酸后，将该菌株作　为出发菌株进行ＮＴＧ、紫外线或采用两者复合诱　变，选择遗传稳定且高产透明质酸的菌株作为出发　菌株继续诱变，如此反复多次，便可提高透明质酸的　生产水平。但随着对兽疫链球菌产透明质酸机制的　不断深入研究，生物合成ＨＡ关键酶基因的克隆和　构建基因工程菌提高ＨＡ产量并控制其分子量成为　了现在研发的热点。　３．２．２培养基的选配　兽疫链球菌生产透明质酸对培养基的要求极为　苛刻。目前，工业上生产透明质酸的碳源主要是葡　萄糖，氮源是酵母粉、蛋白胨、牛肉膏或复合有机氮　源，但当培养基选配不当造成氮源和碳源比例失调　或生长因子不足时，兽疫链球菌的代谢途径就会改　变，底物葡萄糖将会更多的转化为乳酸或乙酸等副　产物，影响透明质酸的发酵生产水平。因此培养基　的选择是极其重要的。　３．２．３发酵工艺优化及发酵过程的控制　生产透明质酸的兽疫链球菌是兼性厌氧菌，而　透明质酸是兽疫链球菌荚膜的主要成分。当发酵液　中溶氧过多时，会造成对菌体的伤害，溶氧不足会造　成因缺乏对兽疫链球菌的刺激而导致菌体不产生荚　膜，降低透明质酸的产量。影响发酵液中溶氧水平　的工艺因素主要是转速和通气量。此外，不同的温　度、转速和ｐＨ会对透明质酸的分子量有很大的影　响。研究透明质酸发酵动力学可以掌握其发酵生产　过程中的规律，从而可以通过优化和控制发酵过程　来提高透明质酸的生产水平和效率。　３．２．４发酵液中透明质酸的分离和提纯　下游分离纯化工艺是获得高分子量、高纯度透　明质酸的关键环节，是制约很多企业生产高标准　ＨＡ的瓶颈。透明质酸发酵液非常的粘稠，是一个　复杂的多相体系，流体性质属于非牛顿流体性质。　发酵液中悬浮的固形物主要有：发酵产物透明质酸、　菌体、多种杂蛋白和培养基中残留成分及其他代谢　产物，很难将ＨＡ和发酵液中其他成分快速而有效　地分离，同时发酵液中菌体白溶会产生透明质酸酶　降解ＨＡ，使ＨＡ分子量大大的降低¨　。因此，找到　适宜的分离纯化工艺对制备高标准的透明质酸具有　重要的意义。　４展望　发酵法生产透明质酸成本低、提取工艺简单，已　形成规模化生产，有很广阔的市场前景。国际市场　上化妆品级的ＨＡ为１０００一一２０００￥／ｋｇ，而药用的　ＨＡ为６０００～２００００￥／ｋｇ。１９８５年ＨＡ在国际市　场的总销售额为１亿美元，１９９０年上升为２亿多美　元，１９９５年国际市场ＨＡ的总销售额就已达６亿美　元，统计资料显示，２００４年全球透明质酸应用的相　关市场规模大约为３０亿美元，药物化妆护肤产品添　加物和医疗类产品市场各占一半。欧洲、美国和日　本是生产和使用透明质酸产品的最大市场，预计未　来每年将以１５％的比例持续增长。目前，国内透明　质酸年需求量在５吨左右。国外自２０世纪８０年代　实现了发酵法生产透明质酸，生产的厂家由原来的　十余家增加到上百家，而且规模也越来越大。反观　我国，透明质酸的生产水平和生产效率都较低，通过　微生物发酵法生产ＨＡ的厂家较少，这严重制约了　我国透明质酸发展和应用。目前，我国透明质酸生　产发展存在的主要瓶颈和需要解决的问题主要有以　下几个方面：　（１）菌种产量低：我国有文献报道，在实验室水　平上产量能达到６～８　ｇ／Ｌ左右，但是应用到产业以　ｌ８　山东轻工业学院学报　第２６卷　后，受原料和发酵条件等影响，产量可能会低很多，　距离国际上的工厂发酵水平８—１Ｏ　ｇ／Ｌ以上还有很　大的差距。因此采用传统的诱变育种或基因工程手　段获得高产的菌种是一个重要的应用研究方向。　（２）分子小且不均一：影响透明质酸分子大小　因素有很多，据文献报道，在发酵过程中，溶氧、ｐＨ、　温度都可以影响分子的大小。　（３）发酵工艺不成熟：动力学是应用现代发酵　技术的基础，对其进行研究，可以了解发酵过程的规　律，从而对生产过程进行优化和控制，以获得高底物　转化率和高生产强度。　（４）发酵机理不清楚：据现有的文献报道，仅有　很少的底物可以转化为透明质酸，尽管透明质酸的　合成途径的研究已进行到分子水平，但还没有一套　可行且能有效的大幅提高透明质酸产量的理论。　参考文献：　［１］凌沛学．透明质酸［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社，２０００．　［２］Ｌａｕｒｅｎｔ　Ｔ　Ｃ．Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｏｆ　ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ．Ａｃｔａ　Ｏｔｏｌａｒｙｎｇｏｌ（Ｓｔｃｏｋｈ）　［Ｊ］，ｓｕ＃，１９８７（４４２）：７Ｉ２４．　［３］　Ｋｅｎｄｅｌｌ　Ｆ　Ｅ，Ｈｅｉｄｅｌｌｂｅｒｇｅｒ　Ｍ，Ｄａｗｓｏｎ　Ｍ　Ｈ．Ａ　ｓｅｒｏｌｏｇｉｅａｌｌｙ　ｉｎａｃｔｉｖｅ　ｐｏｌｙｓａｅｅｈａｒｉｄｅ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｕｃｏｉｄ　ｓｔｒａｉｎｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｐ　Ａ　ｈｅｍｏｌｙｔｉｃ　ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ［Ｊ］．Ｊ　Ｂｉｏｌ　Ｃｈｅｍ，１９９７（１１８）：６１－６９．　［４］吴东儒．糖类的生物化学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１．　［５］Ｐｏｇｒｅｌ　Ｍ　Ａ，Ｉ．ｏｗｅ　Ｍ　Ａ，Ｓｔｅｒｎ　Ｒ．Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ（ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ）ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｓａｌｉｖａ［Ｊ］．Ａｉｃｈ　Ｏｒａｌ　Ｂｉｏｌ，１９９６，４１：６６７－６７１．　［６］王栋日本人工合成透明质酸［Ｊ］．化工学报，２００２（１）：ｌ６　［７］张豁中，温元麟．动物活性成分化学［Ｍ］，天津：天津科学技术　出版社。１９９５．　［８］徐红，陆志华．透明质酸钠在化妆品中的应用［Ｊ］．中国生化药　物杂志，１９９８：（５）：２２２－２２３．　［９］　范明．透明质酸对膝关节骨关节炎滑液中细胞因子含量的影　响［Ｄ］．青岛：青岛大学，２００５．　［１Ｏ］　毕莹．透明质酸钠预防外科手术后粘连的薄膜研究［Ｄ］．青　岛：青岛大学，２００２．　［１１］杨素珍，陈贵锐．透明质酸的特性及在食品中的应用［Ｊ］．食　品工业科技，２００８，２９（６）：３１７－３２０．　［１２］岩石修造．日本眼科纪要［Ｊ］．眼科，１９８７（３８）：９２７．　［１３］鲁念慈，谭天伟．透明质酸的制备及其应用［Ｊ］．功能高分子　学报，２００１，１４（３）：３７０－３７６．　［１４］　隗苗苗，崔波，孙洪波，等．大葱油的提取及测定方法的研究　进展［Ｊ］．山东轻工业学院学报，２０１０，２４（３）：１－３．