γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用

γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用

来源:中国化工信息网

2009年1月21日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.anthracisA T℃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，NH4Cl7g/L，MgSO40.5批，FeCl30.04ga.，K2HPO40.5gA，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。2.5 固体发酵生产产聚谷氨酸目前，大多数研究都集中在液态发酵生产广聚谷氨酸。利用原料大豆接种纳豆芽孢杆菌生产广聚谷氨酸将填补固体发酵产广聚谷氨酸这一空缺。胡荣章等，采用的菌株为枯草芽孢杆菌。而沙长青等利用大豆接种纳豆芽孢杆菌固体发酵生产广聚谷氨酸。采用的方法是：先将大豆浸泡，再灭菌，然后接种发酵1～2个昼夜，用生理盐水搅拌提取分泌于大豆表面的广聚谷氨酸，离心分离后，超滤浓缩，乙醇沉淀提取，得到产品。固态发酵中，发酵培养底物无须精制，成本低，来源广。发酵产物中除了γ-PGA外，还含有维生素K2和纳豆激酶芽孢杆菌等有用物质。吴永平等的研究表明，固体发酵中，可以调节谷氨酸钠、尿素、柠檬酸钠、淀粉的配比以提高产聚谷氨酸的产量。在黄豆饼粉：麸皮：1：1(质量比)、谷氨酸钠318g/kg、尿素28.3g/kg、柠檬酸钠24g/kg、淀粉46g/kg的条件下，产量达75.3g/kg。由此，固态发酵产量较高，而且主要原料较为廉价，开发前景广阔。3 γ-聚谷氨酸的应用通过微生物聚合生产的广聚谷氨酸是一种高分子量的聚合物，它的分子链上有大量游离羧基，使其具有一般聚羧酸的性质，如强吸水、能与金属螯合等特点，此外，大量的活性位点便于材料的功能化，如部分交联后生成高吸水树脂，因此用途十分广泛。γ-PGA由于其独特的理化和生物学特性，被广泛用于医药制造、食品加工、农业、绿化和植物种子保护等许多领域，具有极大开发价值和应用前景。3.1 产聚谷氨酸在农业中的应用产聚谷氨酸良好的生物可降解性和强的吸水性，展示了其在农业方面应用的巨大潜力。由于沙漠及缺水地区水分较少，植物种子很难发芽，绿化较为困难。为此，日本九州大学农学系教授原敏夫等人，以日本的纳豆丝(聚谷氨酸)为原料，开发出了一种吸水性极强的纳豆树脂(可吸自重5000倍的水)，从而使沙漠及缺水地区绿化有了理想的种子包衣材料。只要用这种树脂把植物种子包起来，在沙漠及缺水地区种植，可很快发芽，效果十分理想。王建平等的研究指出，用0.10～0.30ga,的γ-PGA 溶液浸种1～3天可以提高烟草种子的发芽率、种子活力，缩短出苗时间。处理后的种子淀粉酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性与对照相比均有不同程度的提高，以0.20ga,的γ-PGA 溶液处理种子1天效果最好。又由于广聚谷氨酸具有良好的可生物降解性，因此，应用于沙漠绿化工程效果理想并且避免了污染。在肥料、杀虫剂、除草剂、驱虫剂等使用时，加入