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1. 技术背景
甘油葡萄糖苷(Glucosylglycerol,GG),是一种多功能细胞激活剂,由葡萄糖和甘油通过糖苷键连接而成。GG最初是在日本米酒中发现的,但含量仅为0.5%。随后,在异养假单胞菌生产的味精,耐盐蓝细菌和抗旱植物(如罗密木,卷柏等)中也检测到了GG的存在。
GG具有广泛的应用价值,可用于化妆品、食品、保健品等产品中。
在不同的糖苷键连接方式使GG具有不同的结构,迄今已鉴定出六种结构不同的GG。其中α型的有:2-αGG,2S-1-αGG,2R-1-αGG,β 型的有2-βGG,2S-1-βGG,2-βGG。但作为天然渗透压抵抗分子的是2-α-GG,它是微生物在胁迫条件下合成的一种渗透保护物质,同时还是一种大分子稳定剂。德国Bitop公司文献研究中也表明,GG在自然界中通常以兼容性保护分子的作用存在,即它可以保护细胞免受高温、干旱,高渗环境的威胁。
图1 甘油葡萄糖苷的结构式
αGG具有多种功能,因此市场广阔。
(1)具有保湿,抗氧化,增加皮肤弹性的作用,可用于化妆品行业;
(2)它的甜度约为蔗糖的55%,αGG存在于口腔中时,细菌不容易产酸,因此可以作为非致龋性甜味剂添加到食品中;
(3)它还具有抑制二糖分解,降低血糖的功效,可用于人体保健产品;
(4)它作为一种天然的大分子稳定剂,也可以用作酶的保存。
GG具有重要的研究意义和应用价值。由于GG加入化妆品中,其配方成本价格提高,因此GG应用量较少。目前,常用的生产技术有化学合成法、生物体内合成法和生物催化法。
无论是化学合成法或是生物体内合成法,在2-α-GG的生产过程中都存在较大的难度,很难达到工业化生产水平。化学法用到大量的有机溶剂,所产生的产品中杂质较多,增加下游分离的压力,2-α-GG的含量较低,产物以1-α-GG为主;生物体内合成法所得的2-α-GG含量较低,规模化生产成本较高,不便于该原料的推广。因此,本研究团队开发了新型的生物催化方法,用于2-α-GG的量产。
2. 生产工艺优势
本产品通过催化蔗糖磷酸化酶来合成。
蔗糖磷酸化酶是一种催化转移葡萄糖苷键的特异性酶,在食品工业应用较为广泛。主要存在于长双歧杆菌 Bifidobacterium longum、巨 大 芽 孢 杆 菌 Bacillus megaterium、变异链球菌Stococcusmutans等微生物中。
反应条件pH=7,以蔗糖和甘油为底物,蔗糖磷酸化酶可以将底物转化为GG和果糖,GG产率可达90%。另一优势为以蔗糖作为糖基供体催化合成2-α-GG中,蔗糖磷酸化酶的作用下,通常不会发生类似某些转糖苷酶催化糖苷合成中产物水解现象,便于工业化生产。
图1. 利用蔗糖磷酸化酶合成甘油葡萄糖苷
催化结束后,进一步采用集成膜系统和连续离子交换系统对产品进行分离纯化,除去甘油、葡萄糖和果糖,得到最终产品,产品中2-α-GG纯度达到75%以上,含量超过55%,达到国际先进水平。
3. 绿色可持续分析
萱嘉基于生物催化技术和现代分离技术,利用先进的工程设备高效生产2-α-GG,工艺绿色清洁,符合国家战略发展要求,优势如下:
(1)本产品生产过程中的原料均源于天然,原料种类和来源如下表所示:
表1. 生产中所需原材料及来源
(2)高密度发酵工艺获得高表达酶,在水溶液中进行催化反应,反应效率高,时空产量可达到12.5 g/(L·h)(产量150 g/L);
(3)分离采用集成膜系统,常温下即可操作,整个过程为物理变化过程;无相变化减少能耗;选择性高,同时完成浓缩和纯化。
(4)精制采用连续离子交换系统,自动化系统匹配性强,且操作弹性高;产品收率、纯度高,稳定;三废排放量极少,减轻环保压力。
4. 2α-GG 测试结果
4.1 萱嘉GG及市场同类产品的HPLC分析结果
表2. 样品中甘油葡萄糖苷的含量、纯度计算结果
调研市场7家GG产品进行分析,对α型GG的含量和纯度进行分析,萱嘉2α-GG含量和纯度最高,不亚于进口及国内众多GG厂家。
4.2 GG 抗炎效果
阳性对照为甘草酸二钾,不同浓度GG对透明质酸酶抑制作用,GG具有消炎效果。
4.3 GG 生物无毒性
DMSO在2%时,对皮肤的角质细胞已表现出细胞毒性,甘油和GG结构相似,两者在4%添加量内对皮肤角质细胞无细胞毒性,萱嘉GG是具有与甘油相同安全性的原料。
参考化妆品安全技术规范中原料眼刺激性评价,阳性和阴性对照在要求范围内,5%和2%GG对兔角膜细胞的刺激性分别为76.01%和97.13%,即GG是一款对眼刺激性低的原料。
4.4 GG的伤口修复效果
结合表中角质细胞划痕面积百分比及不同时间划痕图,可知较低添加量0.5%GG已具有一定的修复作用。
4.5 GG的保水效果
称重法测试失水率可表征原料的保水能力。选用2%GG、2%甘油、0.1%HA、超纯水(阴性)进行失重测试,(水的失重-原料失重)百分比如图标示,2%GG的保水能力优于2%甘油,且在9h内2%GG的保水能力与0.1%HA相当。