γ-聚谷氨酸应用

γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用

γ-聚谷氨酸[y-poly(g1utamic acid)，γ-PGA]，是由L-谷氨酸[L-Glu]、D-谷氨酸[D-Glu]通过γ-酰胺键结合形成的一种高分子氨基酸聚合物，其结构

式如图1(略)。

γ-聚谷氨酸的合成方法较多，有传统的肽合成法、二聚体缩合法、纳豆提取法和微生物发酵法等。由于化学合成法难度很大，没有工业应用价值，因此对于γ-聚谷氨酸合成方法的研究主要集中在微生物发酵领域。而对于微生物生产γ-聚谷氨酸的研究，日本一直走在各国的前列，最初是利用纳豆菌对谷氨酸进行聚合而成的。近年，我国、美国等国家也开展了微生物发酵法合成广聚谷氨酸的研究。能发酵生产γ-聚谷氨酸的菌种较多，有地衣杆菌、枯草芽孢杆菌等菌种，而以枯草芽孢杆菌发酵生产γ-PGA的研究居多。在我国，浙江大学、南京工业大学等高校已经开始对微生物发酵法生产广聚谷氨酸进行研

究。

γ-聚谷氨酸作为一种高分子聚合物，具有一些独特的物理、化学和生物学特性，如生物可降解性、良好生物相容性、强保水性、对人体无毒害等特性。这些特性决定了γ-聚谷氨酸在农业、食品、医药、环保、化妆品工业、烟草、皮革制造工业和植物种子保护等领域的广泛用途。

1 γ-聚谷氨酸的性质

1.1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，王传海等对γ-PGA 的吸水性能进行了研究，结果表明，γ-PGA的最大自然吸水倍数可达到1108.4倍，比目前市售的聚丙烯酸盐类吸水树脂高1倍以上，对土壤水分的吸收倍数为30-80倍。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。在0.206mol/L浓度的PEG(6000)模拟渗透胁迫条件下，γ-PGA仍有较强的吸水和保水能力，可明显提高小麦和黑麦草的发芽率，用其直接拌种也能显著提高种子的发芽率。γ-PGA的吸水性和保水性可使γ-PGA 被广泛应用于干旱地区保水以及沙漠绿化。

1.2 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。在B.1ichenrmis9945a的培养液中存在一种与γ-PGA降解有关的解聚酶。其它自然菌株也具有降解γ-PGA的能力。以γ-PGA作为唯一碳源和氮源对可降解γ-PGA的菌株进行筛选，结果筛选出至少12株可降解γ-PGA的菌株。由此可知，发酵生产γ-PGA的培养时间对产量有较大的影响，时间过长会导致γ-PGA分子被酶解而损失。

1.3 γ-PGA的水解特性

γ-PGA的水溶液在10mL、浓度为6mol/L的HCl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 微生物发酵法生产广PGA

γ-PGA生物合成的研究主要集中在芽孢杆菌属的细菌B.anthracis和B.anthracisAT℃9945a、且lichen扣rmisAT℃9945(以前叫B.subtilisAT℃9945)等菌株上。根据细胞生长的营养要求是否需要L-谷氨酸，可以把γ-PGA 产生菌分为两大类：一类是L-Glu依赖型，这类菌种主要有B.anthracis、且subtilisMR-141、且lichen!formisAT℃9945、且lichenrmisAT℃9945a、且subtilis IF03335、且subtilisF-2-01和Madla和Prasertsan等从温泉中筛选出的B.thrmotolerantWD90.KTl2.KF.41等；一类是非L-Glu依赖型，如B.subtilis5E、且subtilisvapolyglutamicum、且licheni-/OrmisA35、

B.subtilTAM4等。 B.1ichenIiform/s9945a发酵生产产聚谷氨酸

1942年发现且lichenIiform/s9945a能够生产γ-PGA，接着相关培养基设计和发酵条件优化的研究相继展开。研究表明，盐浓度、L-Glu、甘油和柠檬酸是生产γ-PGA的主要影响因素，Mn2+和Ca2+对γ-PGA的产生也有显著影响。

最优培养基组成如下：柠檬酸12g/L，甘油80g/L，NH

4Cl

7

g/L，MgSO

4

0.5批，

FeCl

30.04ga.，K

2

HPO

4

0.5gA，pH=7.4。2-3天培养后，γ-PGA的产量为15 g/L。

B.1icheniformis9945a在此培养条件下，产量较低，可能是由于没有找到最适

的碳氮源、生长因子等。在随后的研究中，产量高于15g/L。

2.2 B..subtilis[F03335发酵生产广聚谷氨酸

B.subtilis IF03335是从一种传统的日本食品“纳豆”中分离出来的，是一种L-Glu依赖型菌株。外源的L-Glu仅仅是作为γ-PGA合成酶的激活剂，而用于合成γ-PGA的谷氨酸则是TCA循环的中间代谢物。利用这种细菌发酵生产γ-PGA，产量随培养条件的不同而不同，其范围为20～50g几。典型的培养基组成为：L-Glu30g/L，柠檬酸20g/L，硫酸铵5g/L，培养周期96h。这个菌株以外源的L-Glu作为合成γ-PGA的激活剂，而合成γ-PGA的主要前体来源于TCA循环，因此，可以尝试直接加入TCA循环中间代谢物，考察γ-PGA的产量，选出最佳前体添加物，以进一步提高产量。

2.3 B.subtilisZJU.7发酵生产产聚谷氨酸

B.subtilisZJU-7是从中国传统食品豆腐乳中分离出来的，是一种L-Glu 依赖型菌株，发酵生产γ-PGA时必须加入外源谷氨酸。其最适碳源和氮源分别是蔗糖和胰蛋白胨，在含有60矽L蔗糖、60肌胰蛋白胨和80g/LL-Glu的培养液中37℃培养24h后，γ-PGA的产量为54.4g/L。这是目前报道过的’最高产量。然而，考虑到工业化生产，营养成本较高，生产成本也随之提高。因此，利用农副产品或者含有L-Glu的各种废料生产γ-PGA，降低其生产成本后，有

望工业化。

2.4 偶联发酵法生产γ-聚谷氨酸

大多数γ-PGA产生菌都属于谷氨酸依赖型的。为了避免外源谷氨酸提取分离的成本，开始了偶联发酵生产),-PGA的研究，并取得了一定的成果。偶联培养生产γ-PGA体系包括L-Glu的产生菌Corynebacteriumglutamic-um S9114和γ-PGA产生菌BacillusSubtilisZJU-7。BacillusSubtilisZJU-7利用Corynebacteriumglutamicua S9114代谢产生的L-Glu进行γ-PGA的合成。

Corynebacteriumglutamicum S9114培养产生L-Glu后，将Bacillus SubtilisZJU-7接种到含有L-GIu的培养液中37℃，pH=7.0时培养24 h后，得到γ-PGA的最高产量为32.8g/L。此种方法中，L-Glu无须分离纯化，且其发酵液中的残糖等营养成分可以进一步被利用，大大的减少了生产成本。然而，

γ-PGA产量有待于提高。