纳豆芽孢杆菌发酵聚谷氨酸过程中
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二○一四年五月二十二日
谷氨酸脱氢酶钙调机制研究
陕西师范大学硕士毕业论文答辩
汇报内容
研究背景与意义
1
谷氨酸脱氢酶钙调节机制研究
3
谷氨酸脱氢酶基因的验证
2
钙离子对发酵的调控作用
4
结论与展望
5
研究背景与意义
1
研究背景与意义
γ-PGA是由L-谷氨酸(L-glutamic acid)或D-谷氨酸(D-glutamic acid)单体通过α-氨基与γ-羧基缩合而成的多肽分子,其结构式如图所示。
微生物发酵法
化学合成法(γ-PGA、α-PGA)
γ-PGA
L-Glu
D-Glu
+
γ
α
γ
α
微生物
发酵
聚谷氨酸概述
研究背景与意义
安全、无味、可食用
超强吸水性(5000倍)
可螯合金属
生物可降解性
对肠道酶不敏感
聚谷氨酸在食品中的应用
矿物元素吸收促进剂;食品抗冻剂;食用胶囊;遮盖改变不良味觉;食品稳定剂;增稠剂等。
γ-PGA可以改变食品的生理特性、物理特性和味觉功能,基于以上特性,其作为配料在食品加工业具有很大的发展潜力,如应用于果汁、面包、蛋糕、意大利面等。
研究背景与意义
聚谷氨酸产生菌
纳豆食品
纳豆激酶
聚谷氨酸
γ-PGA发现于1937年,从一种致病的革兰氏阳性细菌炭疽芽孢杆菌的荚膜中分离得到。其后发现了多种芽孢杆菌均能产生这种物质,主要包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和短小芽孢杆菌。由于枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的易培养性和生物安全性,目前对于这两种菌生产γ-PGA的研究报道较多。
在聚谷氨酸的发酵生产中,纳豆芽孢杆菌作为一类从纳豆发酵食品中分离出来的主要菌株,在生产食品级γ-PGA中发挥了巨大的作用。
纳豆芽孢杆菌
研究背景与意义
金属离子对聚谷氨酸发酵的影响
金属离子
生产菌株
调控作用
Mn2+
B. licheniformis NCIMB 11709、 NX-2
产生不同程度的γ-PGA的D-异构体;
延长细胞活力
K+
Bacillus sp. RKY3
激发菌体细胞的生长及γ-PGA的产生
Mg2+
Bacillus sp. RKY3
激发菌体细胞的生长及γ-PGA的产生
Na+
B. subtilis chungkookjung
有效减少泡沫,降低粘度,改善溶氧及传质;降低γ-PGA的分子量大小
Ca2+
Bacillus subtilis HSF 1410
降低γ-PGA发酵液的粘度;提高γ-PGA产量;不会引起γ-PGA分子量的变化
表1-1 不同金属离子对发酵的调控作用
研究背景与意义
L-Glu主要是由α-酮戊二酸和NH4+由GDH催化合成,接着,ATP被谷氨酸依赖的ATP水解酶水解为ADP和Pi,然后磷酸基团结合到小分子γ-PGA的C-末端,之后D-或者L-谷氨酸的氨基端与C端磷酸化了的小分子γ-PGA发生亲核攻击,生成Pi并延伸γ-PGA链。
前期研究发现,Ca2+添加后,菌体内α-酮戊二酸节点上的谷氨酸脱氢酶与未加入Ca2+相比,酶活显著提高,因此α-酮戊二酸更多地流向了与NH4+形成谷氨酸,合成更多的γ-PGA。
谷氨酸依赖的ATP酶
PGA聚合酶
聚谷氨酸的生物合成途径
图1-1 γ-PGA生物合成途径
谷氨酸脱氢酶
研究背景与意义
钙离子可以调控谷氨酸脱氢酶活性
钙是重要的胞内第二信使,钙调节作用主要通过钙结合蛋白来实现。
Ca2+介入了蛋白分泌,细胞运动,中间代谢,离子通道活性和基因表达等生命过程。
钙离子在生物体内合成代谢中,可影响GDH的活性。
在有1mM钙离子存在下,NADPH-GDH被激活(L-谷氨酸合成方向),而NADH-GDH(L-谷氨酸分解方向)被抑制,α-酮戊二酸的氨基化反应的平衡,随之转变。
一种拥有一段EF-loop修饰区,具有明显的Ca调节蛋白的特征的GDH已经被发现。
· 谷氨酸脱氢酶活性调控机制复杂,不同菌种中调控机制不同
Bacillus subtilis natto 中谷氨酸脱氢酶活性调控机制目前尚无研究
立题依据
γ-PGA是一种由微生物发酵生产而得的高分子物质,具有良好的水溶性、生物相容性和生物可降解性,因此在食品、农业、化妆品、制药业以及环保等领域应用非常的广泛。
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