[发明专利]一种快速降解高分子量聚氨基酸的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物工程、高分子和微波化学领域，具体涉及一种快速降解高分子量聚氨基酸的方法和应用。

背景技术

聚氨基酸是指同一种氨基酸单体由化学法或微生物法合成的一类高分子聚合物，如ε-聚赖氨酸、γ-聚谷氨酸、聚天冬氨酸、聚鸟氨酸等。聚氨基酸有许多优越的特性：（1）聚氨基酸作为一种生物大分子具有良好的生物相容性和组织亲和性，能促进组织修复和细胞生长；（2）聚氨基酸能在体内酶的作用下降解为氨基酸, 容易被机体吸收、代谢，安全无毒；（3）聚氨基酸呈多价态离子，可以代替非致病性病毒作为基因治疗的载体。（4）聚氨基酸抗有机溶剂腐蚀、耐热、抗逆行性好；（5）聚氨基酸含有活性的胺基端和羧基端，很多氨基酸还带有活性的侧官能团，容易进一步改性和修饰；（6）聚氨基酸及其衍生物还具有明显的压电效应，天然型聚L-氨基酸和聚D-氨基酸的立体结构分别为右旋体和左旋体，它们对于相同的剪切力来说电极化方向相反。

目前，像γ-聚谷氨酸、ε-聚赖氨酸等微生物发酵法生产的聚氨基酸已实现了大规模工业化生产。其中，γ-聚谷氨酸是由谷氨酸通过γ-酰胺键聚合而成的一种高分子阴离子聚合物，其侧链上含有大量游离羧基，可发生交联、螯合、衍生化等反应，具有良好的成膜性、成纤维性、阻氧性、可塑性、粘结性、保湿性、吸附性和可生物降解等独特的理化和生物学特性，是一种对人体和环境无毒害的生物相溶性新型天然高分子材料，可以作为保水剂、重金属离子吸附剂、絮凝剂、缓释剂以及药物载体等制成不同相对分子量的产品，在化妆品、环境保护、食品、医药、农业、沙漠治理等产业均有很大的商业价值和社会价值。

然而，经发酵制备的线性γ-聚谷氨酸分子量很大（200, 000～1,000, 000 g/mol），直接应用的话存在不少问题：分子量太大，水溶液粘度高，加工时不易处理；分子量太大导致过长的分子链易卷曲缠绕，部分活性官能团难以被修饰；分子量太大，在体内难以通过细胞膜等各种生物膜屏障，降低了生物利用度低；分子量越大，在体内降解时间也会大大延长。因此，只有分子量较小（例如5,000～100, 000 g/mol）的γ-聚谷氨酸才容易加工和应用，才能更好地发挥其独特的优势。

目前，γ-聚谷氨酸通常采用酸热水解法来降低分子量。一般情况下，分子量300, 000~500, 000 g/mol的γ-聚谷氨酸在pH1.0、100℃水中需要12小时才能降解到70, 000 g/mol以下，分子量为500, 000~700, 000 g/mol的在pH1.0、80℃水中则需要4天才能降解到100, 000 g/mol以下。该方法操作简单、易于控制，但整个降解周期较长，所需水温偏高，产物的分子量分布仍然较宽。在工业化生产过程中仍不免出现能耗过高、产品性质不稳定等问题。酶解法则相对条件温和、效率更高，但降解时间并没有显著的缩短，作为降解催化剂的酶不易回收再利用，且容易受其它因素的影响（如温度、pH值等）而失活，导致该降解法的成本偏高。

此外，分子量常常高达1, 000, 000 g/mol以上的胶原和蛋白质也存在类似的问题。天然生物来源胶原和蛋白质的降解产物——低分子量多肽或短肽在医药、美容及保健等领域有着广泛的用途，但胶原和蛋白质的降解较为困难，时耗、能耗及原料成本均较高，导致目前高纯度的低分子量多肽或短肽仍然属于市场上的高端稀缺产品。

微波降解这种降解方法已知可用于降解有机物、聚合物（如聚乙烯醇 壳聚糖），及天然高分子多糖、豆胶、淀粉等，也有报道其能用于加速蛋白质的降解。在微波作用下，蛋白质中的极性分子受微波作用，在微波场中运动、摩擦产生热量，促进蛋白质分子肽键断裂，加速蛋白质水解生产氨基酸。

然而，目前在应用微波水解蛋白质上面临着瓶颈，主要是因为反应条件偏高，对于大规模工业化生产来说存在高成本和设备损害的潜在风险，不利于有该技术的实际应用。例如，已报道的微波降解鱼蛋白体系的盐酸浓度高达4 mol/L，而降解丝蛋白可行的降解温度在175℃以上。很显然，过高的酸浓度会对生产设备造成严重的损害，而过高的反应温度会造成生产成本的大幅提高（包括能耗，高于100℃情况下体系溶剂的选择以及由此引发的溶剂回收、产物提取与处理等方面问题）。因此，微波快速降解高分子量聚氨基酸、胶原及蛋白质技术亟待进一步优化，降低反应条件以利于产业化推广。

发明内容

本发明的目的在于根据天然胶原、蛋白质及现有工业生产的聚氨基酸存在的分子量过高的问题，提供一种相较于普通酸水解和酶水解更快速、更高效、能耗与成本也更低的降解方法。