聚谷氨酸的应用

背景及概述^[1][2]

聚谷氨酸[ployglutamic acid，简称为聚谷氨酸]是以谷氨酸为唯一单体的共聚高分子聚合物。聚谷氨酸最早发现于1937年。研究人员在炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis)与糖化菌(Bacillus mesentericus)的细胞荚膜中发现聚谷氨酸，是某些微生物荚膜的主要成分之一。后期日本研究者在枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和纳豆杆菌(Bacillus natto)中也发现聚谷氨酸。

迄今为止，以味之素株式会社、明治制果公司和广崎大学为代表的国外单位对聚谷氨酸的性能，合成和应用做了较深入地研究，γ型聚谷氨酸已有商业产品，我国在这方面研究的相对较少，直到近几年才有学者对聚谷氨酸的合成与性能做了基础性的研究。因此加强聚谷氨酸的研究，特别是对下游加工提取过程系统研究，构建可降解生物高分子的一个研究的平台，具有重要的理论价值和应用价值。

性质

聚谷氨酸属于聚酯类聚合物，是一种新型的完全生物降解性高分子材料。生物降解性材料是指通过自然界微生物(细菌、真菌等)作用而发生降解的高分子物质。该种材料降解的产物无毒无害，不会对环境产生二次污染，近年来这种高分子材料的开发研究得到了飞速发展。聚谷氨酸由L-或/和D-谷氨酸通过谷氨酰键连接而成，不同的微生物合成的立体化学结构和分子量不同，已经发现的主要有三种立体化学结构：D-谷氨酸组成的均聚物(D-PGA)，L-谷氨酸组成的均聚物(L-PGA)，D-型和L-型谷氨酸组成的共聚物(DL-PGA)。

作为一种水溶性脂肪族聚酯，聚谷氨酸分子中有大量的游离的亲水性羧基，因此聚谷氨酸具有高度的水溶性、生物相容性、生物可降解性、生物可吸收性、无免疫原性和可化学衍生性，聚谷氨酸可在酸性水溶液中(如胃酸环境下)自发或在酶的促进下降解为小分子谷氨酸，而谷氨酸单体可参与三羧酸循环被人体吸收，并无任何毒副作用。聚谷氨酸分解或燃烧后，最终产物是二氧化碳和水，可被植物吸收，对环境无毒无害。

聚谷氨酸在体内环境下受生物酶的作用，会降解生成无毒的短肽、小分子或氨基酸单体，在自然环境中，会受到微生物的作用而降解；在生理功能方面可防止细胞脱水、保护细胞免受蛋白酶的降解；在放射线照射下，聚谷氨酸会发生分子间的结合，提高吸水性能，由此可开发出一种强吸水性的生物树脂。此外，由于聚谷氨酸易在冷水中分散，可制成水凝胶，聚谷氨酸水凝胶有良好的粘弹性，并在一定范围内具有耐高温，耐酸、碱、盐，耐渗透压，抗冻融等优良特性。

聚谷氨酸

应用^[3]

聚谷氨酸是谷氨酸单体以酰胺键聚合而形成的同质多肽。它具有水溶性，可生物降解，不含毒性，可广泛应用于食品工业、化妆品、保健、水处理、废水处理、卫生用品、医疗等领域，例如可以用作为增稠剂、冷冻保护剂、缓释剂、药物载体、生物粘合剂、保湿剂、生物可降解纤维、高吸水性树脂、生物絮凝剂和重金属离子吸收剂等。

制备^[2]

聚谷氨酸的生产方法主要有化学合成法、提取法和微生物发酵法三种方法。化学合成方法包括传统的肽合成法和二聚体缩聚法。两种化学合成法都只能合成相对分子质量为5000～20000的小分子聚谷氨酸甲基酷，经碱性水解变成小分子聚谷氨酸。化学合成法难度很大，后续分离提纯成本高，没有工业应用价值。提取法来制取聚谷氨酸起源与日本纳豆产业。

早期，日本生产聚谷氨酸大多采用提取法，用乙醇将纳豆中的聚谷氨酸分离提取出来。由于纳豆中所含的聚谷氨酸浓度甚微，且有波动，因此，提取工艺十分复杂，生产成本甚高，同样难以大规模生产。微生物发酵制取聚谷氨酸是现在最有可能实现大规模工业生产的方法。聚谷氨酸微生物发酵制取聚谷氨酸生产方法主要有分批发酵法、连续发酵法、液体两相发酵法、搅拌罐反应器自循环发酵法、固体发酵法和固定化酶法等6种方法，分批发酵法简单方便，容易操作和控制，在工业小试阶段容易得到较纯的样品。分批发酵制取聚谷氨酸工艺，菌种方面现主要发现地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)和枯草芽孢杆菌(B.subtilis)具有较高的聚谷氨酸合成能力。

生物发酵合成聚谷氨酸具有突出的优点，通过芽孢杆菌发酵，产物均为聚谷氨酸型、产物分子量高、生产条件温和、生成产物纯度较高，微生物发酵得到的聚谷氨酸分子量可达100KD～1000KD，相比于化学合成法制取成本也大大减少，是唯一适合工业化大规模生产聚谷氨酸的方法。但微生物发酵生产聚谷氨酸产量不高，内含大量杂蛋白和多糖，分离纯化困难，特别是在采用地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)发酵生产聚谷氨酸的过程中，高粘度的发酵液除菌体一直是不容忽视的重要问题，也是造成聚谷氨酸生产成本巨大的重要原因。

聚谷氨酸是一种胞外产物，其发酵液很黏，用一般的离心法去除菌体很难，且不适用于工业大规模应用。为了降低去除菌体的能量消耗和节省用于沉淀的有机溶剂用量，DO.J.H等对原工艺进行优化，提出了一种高效分离聚谷氨酸的方法。该方法由两步组成：首先调PH至3.0使粘度降为原发酵液的1/6，再离心除菌体，这样使得离心能量降为原来的17％；然后对去菌液回调至PH5.0，用中空纤维膜进行超滤，使得发酵液由原来的20g/L，浓缩至60g/L，提取所需的乙醇用量减少为原来的1/4，减低的提取聚谷氨酸的成本。但是这种方法，对纤维膜的要求极高，而且工业生产难以放大生产。

主要参考资料

[1] 游庆红, 张新民, 陈国广, 徐虹, & 欧阳平凯. (2002). γ-聚谷氨酸的生物合成及应用. 现代化工, 22(12), 56-59.

[2] 李晶博, 李丁, 邓毛程, & 梁世中. (2008). γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用. 化工进展, 27(11), 1789-1792.

[3] 黄金, & 陈宁. (2005). γ-聚谷氨酸的性质与生产方法. 氨基酸和生物资源, 26(3), 4-8.