纯生物制品时代的到来---γ-聚谷氨酸

  γ-聚谷氨酸[y-poly(g1utamicacid)，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。

  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。

  1γ-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。

  1.3γ-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?****鶥.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subtilisIF03335、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15g/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。

  2.2B..subtilis[F03335发酵生产广聚谷氨酸

  B.subtilisIF03335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?****⒔蜕?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。

  2.3B.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-umS9114和γ-PGA产生菌BacillusSubtilisZJU-7。BacillusSubtilisZJU-7利用CorynebacteriumglutamicuaS9114代谢产生的L-Glu进行γ-PGA的合成。CorynebacteriumglutamicumS9114培养产生L-Glu后，将BacillusSubtilisZJU-7接种到含有L-GIu的培养液中37℃，pH=7.0时培养24h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。

  3γ-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，加入适量的聚谷氨酸盐可以延长这些药物在作用对象表面上的停留时间，不易因干燥、下雨而被刷掉。

  将产聚谷氨酸与栽培土按一定比例混合，这样既可减少灌溉次数和费用，又可改善土壤团粒结构，从而提高土壤的保水性、透水性和透气性，缩小土壤的昼夜温差变化，达到改良劣质土壤、使农作物增产丰收的目的。

  3.2γ-聚谷氨酸在日用品中的应用

  γ-聚谷氨酸在化妆品药典上的国际命名是：纳豆胶(NattoGum)。广聚谷氨酸水胶为无色无味透明柔软胶质，由于其三度空间的格子结构，具有高超的吸水和缓释能力。此外，亦具成膜特性，加上柔滑功能大，尤其是超强5000倍吸水保湿能力，最适合化妆晶提升保湿功效。γ-PGA可提升皮肤长效高保湿功效；可有效减少水分通过皮肤散失；可促进皮肤组织弹性；可提升皮肤天然保湿成分：具有皮肤美白效果。

  利用广聚谷氨酸还可生产一种新型护发液。这种新型护发液涂抹在头发表层，形成的薄膜不仅能防止头发内水分的蒸发，而且其中的黏性成分还能发挥类似胶水的作用，修复即将脱落的毛鳞片。

  掺入γ-聚谷氨酸成分的尿布、卫生巾吸收水分的能力比传统纸质尿布强2-5倍。此外，广聚谷氨酸良好的生物降解性和生物相容性赋予了其产品的无污染和无毒副作用特性。

  3.3产聚谷氨酸在医药中的应用

  γ-PGA具有良好的生物亲和性和生物降解性，作为药物载体可提供药物缓释性、靶向性，提高药物水溶性，降低药物不良反应，从而提高药物疗效。

  γ-PGA可改善药物的水溶性，提高药物的生物利用度。γ-PGA分子链上存在大量羧基，因而可通过羧基与一些药物形成γ-PGA-药物复合物。紫杉醇(paclitaxel，TXL)是极具前景的天然抗肿瘤药物，但是水溶性极差(水中溶解度小于0.004mg/mL)，大大限制了其临床应用。而TXL-PGA钠盐的溶解度为88mrdmL。将紫杉醇与PGA进行交联，经测定，聚合物紫杉醇连接体中，紫杉醇质量分数为20%-22%，溶解度大于20rog/mC。小鼠实验证明其对卵巢癌、乳房癌治疗效果比紫杉醇单体好。

  γ-PGA可降低药物的毒副作用，增强药物的稳定性。许多药物在发挥疗效的同时也具有一定毒副作用，过量使用会对人体造成一定的伤害。临床证明，化疗药物往往缺少对肿瘤细胞的选择性杀伤作用，给癌症化疗患者带来较大的全身性毒副作用。将PGA与表阿霉素直接交联或PGA与表阿霉素间插入甘氨酸，都能提高PGA载药量，考查此复合物的稳定性，表明交联后稳定性提高，并且降低了毒性。

  XinWang和TomofumiUto等的研究表明，γ-PGA微粒可作为一种有效的抗原载体，可应用于制备AIDS病疫苗。γ-PGA作为抗原载体不仅可以增强抗原传递而且能有效的诱导HIV-1的特异性体液免疫应答和细胞免疫应答，而这恰恰是有效的抗AIDS疫苗所必须具有的性质。

  甲氨喋吟(Metholxexate，MTX)自用于临床以来，现已成功的应用于肿瘤性、风湿性等疾病的治疗。甲氨喋吟多聚谷氨酸化(MTXPG化)可延长MTX胞内滞留时间，发挥了比MTX更强的药理作用。

  γ-PGA作为药物的缓释、靶向载体在医药领域将发挥重要的作用。

  3.4产聚谷氨酸作为生物医学材料的应用

  骨质疏松已经成为老年人普遍性的疾病之一。AtsushiSuginoToshiki、MiyazakiChikaraOhtsuki的研究指出，重建骨密度对于植入人工关节来说是必须的。PGA具有数目巨大的羧基，这些羧基有利于磷灰石晶核的形成，有利于骨密度的重建。PGA能增加细胞内和细胞外Ca2+的可溶性，及肠内Ca2+的吸收，因而可作为一种治疗骨质疏松症的重要工具。

  γ-PGA作为生物黏合剂可用于控制组织的持续性渗血或密封气体和机体内液体的渗漏，也可应用于大动脉切割的修补，是一种新型、安全无害的生物胶带。一种由猪的胶原质和多聚-L-谷氨酸制成的新型生物胶质，用于防止肺部气体泄漏方面比纤维素更加优越。

  γ-PGA良好的生物亲和性、可降解等特性使得其在生物医学材料有着广泛的应用前景。

  3.5严聚谷氨酸在食品工业中的应用

  γ-PGA可作为食品添加剂，在淀粉类食品中加入γ-PGA可以防止食品老化，增强质地、维持外形。γ-PGA还用作冰淇凌的稳定剂、果汁的增稠剂、各种食品的苦味祛除剂、保健食品、安定剂或作为添加剂改善口感。

  由于γ-PGA能增加细胞内和细胞外Ca2+的可溶性，及肠内Ca2+的吸收，何观辉等提出了γ-PGA及其盐可作为营养助剂用于膳食产品中。

  γ-PGA经消化水解后，成为谷氨酸这种单一氨基酸，将被人体吸收利用。因此，作为添加剂的γ-PGA既可以改善食品风味，又可以强化食品营养。

  3.6产聚谷氨酸在其它领域的应用

  γ-PGA的羧基经酯化后可作为极好的热塑性塑料。γ-PGA作为一种绿色塑料，可广泛用于食品包装等各种工业用途中，它在自然界可迅速降解，不会造成环境污染；水或废水处理中可作为金属螯合剂或吸附剂和生物絮凝剂。PG苄酯可制成高强度纤维。日本工业化生产了的聚谷氨酸-γ-甲酯(PMG)，主要被用于合成皮革(表面处理剂)或纤维处理剂。PGA可作为多种环境下的适应剂，如在碱性环境下细胞表皮附近的pH中和作用，在极端高盐环境防止嗜盐菌的剧烈脱水。PGA还可作为低温防护材料。

  4展望

  γ-PGA是具有良好的生物相容性、生物可降解性、强吸水性、低免疫原性的新型高分子材料。γ-PGA的优良性质决定了其广泛的应用。

  随着分子生物学新技术的应用，利用基因工程方法构建聚谷氨酸工程菌有望从根本上解除制约聚谷氨酸生产的瓶颈问题，为氨基酸发酵行业的进一步发展奠定坚实的基础。

  大多数γ-PGA产生菌都是L-谷氨酸依赖型，直接利用L-谷氨酸发酵生产γ-PGA成本较高，影响其工业化生产。近年来，一些食品的信息摘报中报道了日本利用烧酒废液生产聚谷氨酸。该项工艺是利用BacillussubtilisTN-4菌株，发酵生产γ-聚谷氨酸。这一成果的开发不仅治理了废水，降低了废水中的污染物质，还增加了社会和经济效益。作者在选育γ-PGA高产菌种的同时，正尝试利用含有L-谷氨酸或L-谷氨酸盐的味精工厂废液发酵生产γ-PGA，取得初步成功，认为进一步的研究将具有良好的发展前景。

  　　除日本Ajinomoto公司已成功开发并投产外,2003年,台湾味丹公司也已开发出了γ-聚谷氨酸。我国聚谷氨酸目前还没有工业化生产,有许多研究机构正在研究和小试中。

  目前，我国在γ-PGA的研发应用上与日本、美国等相比，深度和广度上均具有较大的差距。但经过广大科技工作者的努力奋斗，我国在该领域会赶超国际先进水平。