_聚谷氨酸的研究进展

γ-聚谷氨酸的研究进展

王浩1 杨丽萍2 乔君2 赵祥颖2 刘建军1,2

（1.山东轻工业学院食品与生物工程学院济南 250353 ）

（2.山东食品发酵工程重点实验室济南 250013）

摘 要：γ-聚谷氨酸(Po l y-γ-gl u t a m i c a c i d；γ-P GA)是以L-、D-型谷氨酸为单体通过γ-酰胺键聚合而成的一种均聚氨基酸聚合物。γ-聚谷氨酸具有水溶性、可生物降解性和可食用性且对人和环境无毒的诸多优点，这使得γ-聚谷氨酸及其衍生物在食品、化妆品、医药和农业等领域具有广阔的应用前景。

关键词：γ-聚谷氨酸 生产 应用

γ-聚谷氨酸[Poly(γ-glutamic acid),γ-PGA]是由D-/L-谷氨酸通过γ-酰胺键聚合而成的一种高分子阴离子多肽型聚合物。生物合成的γ-聚谷氨酸的立体构型分为γ-聚D-谷氨酸(γ-D-PGA)、γ-聚L-谷氨酸(γ-L-PGA)和γ-聚D/L-谷氨酸(γ-D/L-PGA)3种。γ-聚谷氨酸主链上含有大量游离羧基，可发生交联、螯合、衍生化等反应，具有强水溶性、生物相容性、生物降解性等，随着人们环保意识日益增强，γ-聚谷氨酸作为可生物降解高分子材料已备受关注。本文介绍了γ-聚谷氨酸的结构性质、生产方法、研究历史、现状及应用前景。

1 γ-聚谷氨酸的结构与性质1.1 γ-聚谷氨酸的结构

γ-聚谷氨酸是一种通过微生物合成的均聚氨基酸化合物，由L-谷氨酸（L-Glu）、D-谷氨酸（D-Glu）单体通过酰胺键聚合而成的一种多肽分子[1]，通常是由500~5000个左右的谷氨酸单体组成，相对分子质量在100~1000kD之间，其结构式如图1所示。

图1 γ-聚谷氨酸的结构式

γ-PGA是一种不寻常的阴离子异形肽，目前的初步研究认为它的基本骨架是由γ-酰胺键连接而成的直链纤维分子，没有典型的肽链结

Study of Poly-γ-glutamic acid

Wang Hao1, ZhaoXiang-ying2, LIU Jian-jun1,2*

（1.College of Food and Bioengineering,Shandong Institute of Light Industry,Jinan,250353）（2.Food& Fermentation Engineering Key Lab of Shandong Province,Jinan,250013）Abstract：Poly-γ-glutamic acid is a compound of equal poly amino acid that consist of L- and D-glutamic acids through γ-glutamyl bonds.γ-PGA is water-soluble, biodegradable, edible and non-toxic toward human and the environment. Therefore, potential applications of γ-PGA and its derivatives have been of interest in abroad range of industrial fi elds such as food, cosmetics, medicine and agriculture.

Key words：γ-PGA; production; application

构，也不是一种环状多肽，链之间存在大量氢键。杨革等研究表明了γ-PGA是α-螺旋和β-折叠含量都较多的生物大分子，γ-PGA形成的宏观结构为非晶态，其链分子排列取向大致与γ-PGA轴平行，不过排列的规则性较差，结合较为松弛。

1.2 γ-聚谷氨酸的性质

1.2.1 吸水特性

由于γ-PGA极易溶于水，因此其具有很好的吸水特性。γ-PGA的水浸液在土壤中具有一定的保水力和较理想的释放效果，有明显的抗旱促苗效应。

1.2.2 生物可降解性

生物可降解性是γ-PGA的特性之一。所有γ-PGA产生菌株都可以以γ-PGA作为营养源进行生长。

1.2.3 γ-PGA的水解特性

γ-PGA的水溶液在10mL、浓度为6mol/L 的HC1中，抽真空封口，105℃的烘箱的条件下可以水解为谷氨酸。吕莹等的研究表明，水解17h、25h、48h的结果一致。此特性可用于γ-PGA纯度的测定。

2 γ-聚谷氨酸的生产方法

2.1 化学合成法

最早，γ-PGA制备采用传统的多肽合成法，即将谷氨酸逐个连接或采用片段组合连接成肽，这个过程一般包括基团保护、活化、偶接和脱保护等步骤。但是化学合成法工艺路线长，副产物多，收率低，因此要获得高纯度的、能用作药物载体的γ-PGA，该法是不可取的。

2.2 酶转化法

酶转化法为一步酶促反应，可避免全合成途径中复杂的反馈调节作用，使γ-PGA积累到相当高的浓度，可得到高含量产物、低含量杂质的反应液，有利于产物的分离纯化，并且工艺路线简单、周期短，容易大规模生产，可大大降低生产成本。

酶转化法由于工艺路线简单、生产周期短，容易实现大规模生产，但是采用酶转化法合成的γ-PGA分子量小，而且谷氨酸转肽酶在微生物菌体中的含量和活力都较低，这就大大制约了该法在实际生产中的应用。

2.3 提取法

提取法是用乙醇等有机溶剂将生物质中的γ-PGA分离提取出来。日本传统的发酵食品纳豆的粘液中含有丰富的γ-PGA，早期日本生产的γ-PGA大多是从纳豆中提取的。纳豆中所含γ-PGA的含量有波动、副产物多、提取工艺复杂，成本较高，也不利于大规模生产。

2.4 微生物发酵法

微生物发酵法是通过大量培养菌体后收集发酵液，最后分离出γ-PGA。该法具有培养条件温和，生产周期短，目标产物产量高以及产物分子量适宜等优点，是目前国内外关于γ-PGA生产研究的热点。目前日本味之素株式会社和台湾味丹公司已利用该法进行γ-PGA的商业化生产。

3 发酵法生产γ-聚谷氨酸的研究历史及现状3.1 γ-聚谷氨酸的合成菌

目前发现的γ-P G A生产菌株主要是芽孢杆菌属，包括枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、炭疽芽孢杆菌(B.a n t h r a c i s)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、短小芽孢杆菌(B.brevis)、耐热芽孢杆菌(B.thermotolerant)和解淀粉芽孢杆菌(B.anmloliquefaciens)。根据培养基中是否提供L-谷氨酸，可将菌株分为两大类：一类为需要在培养基中添加L-谷氨酸前体的L-谷氨酸依赖型，另一类为不需要在培养基中添加L-谷氨酸前体的L-谷氨酸非依赖型[2]。

3.2 发酵条件的控制

不同菌株对碳源、氮源、通氧量、搅拌速度、金属离子、微量元素、前体物质、生物素等的需求存在差异。以谷氨酸依赖型的地衣芽孢杆菌ATCC9945A和非依赖型的地衣芽孢杆菌A35为例简述培养条件对γ-聚谷氨酸产量的影响。