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1、以 Glu、Lys 为原料，采用化学合成法生产聚谷氨酸、聚赖氨酸一、 -聚谷氨酸-聚谷氨酸（PGA）是自 然 界 中 微 生 物 发 酵 产 生 的 水 溶 性 多 聚 氨 基 酸 ，其 结 构 为 谷 氨 酸 单 元 通 过 -氨 基 和 -羧 基 形 成 肽 键 的 高 分 子 聚 合 物 ， 即 由多种杆菌 acillusspecies产生的一种胞外多肽，尤其是某些微生物荚膜的主要成分。中文名称：聚谷氨酸、多聚谷氨酸、聚 -谷 氨 酸英 文 名 称 ： poly-glutamic acid， 简 称 PGA聚谷氨酸的结构式：聚谷氨酸的分子量： -PGA 的 分 子 量 从 5 万 到 2
2、 百 万 道 尔 顿 不 等 。聚谷氨酸的性质：游离酸型的聚谷氨酸 p值约为 ，与谷氨酸的 羧基的大体一致，能够溶于二甲亚砜、热的，一二甲基酰胺和一甲基吡咯烷酮。金属盐钠型的 聚符氨酸的比旋光度约为C， 。PGA 具有水溶性、不含毒性、 可生物降解性，由微生物发酵法利用胞内 PGA 合成酶系催化D-和 L谷氨酸通过 谷氨酰胺键连接而成。这种由杆菌产生的胞外多肽聚谷氨酸与化学合成的聚谷氨酸在分子结构上有本质的差异，前者的结合键是酰基，其可以被土壤中的微生物分泌的水解酶所分解。经研究表明，聚谷氨酸是一种阴离子异形肽，分子量约为710 5。分子中的氢键对聚谷氨酸的高水溶性起着关键作用。聚谷氨酸的生产
3、方法：PGA 的生产方法包括：化学合成法、酶转化法、提取法和微生物发酵法。（）化学合成法：a、传统的肽合成法传统的肽合成法是将 PGA 的前体即谷氨酸逐个连接或采用片段组合形成多肽，整个过程一般包括基团的保护、活化、偶联和脱保护等。该法合成的PGA 为-PGA，为不成环聚合，化学合成法是肽类合成的重要方法，但由于其合成路线复杂、步骤较多、副产物多、收率低（尤其是含 20 个氨基酸以上的纯多肽合成）且需要光电等有毒气体，成本高，产率过低；故很大程度上限制了该法的应用。b、二聚体缩聚法由 L-Glu， D-Glu 及消旋体(DL-Glu) 反应生成-甲基谷氨酸，后者凝聚成谷氨酸二聚体后，再和浓缩剂
4、 1-(3-二甲氨丙基)-3-乙基碳亚二胺盐酸盐及 1-羟苯基三吡咯( 1-hydroxy-benzot riazole) 水合物在 N，N-二甲基甲酰胺中发生凝聚，获得产率为 44% 91%、相对分子质量为 5000 20000 的聚谷氨酸甲基酯，经碱性水解后最终得到 -PGA。由于方法的局限性，化学方法合成的-PGA 分子量比较小，若提高产物分子量必将大大降低产率，由此可见，要获得高纯度的、能用作医药材料，特别是作为药物载体的 -PGA，化学合成法是不可取的，故该法的工业应用价值不大。但对于 -PGA 结构和功能关系的了解、-PGA 合成酶反应机制的分析及-PGA 实际应用修饰技术的发展等
5、具有一定的指导意义。（2）酶转化法：酶转化法通常采用一步酶促反应，这就避免了全合成途径中复杂的反馈调节作用，解除了 -PGA 合成的反馈阻遏作用，从而使 -PGA 积累到较高的浓度。酶转化法中的关键酶是广泛存在于各类微生物体内的谷氨酸转肽酶。利用该酶的高效行和专一性，以谷氨酸为单体通过该法可以得到高浓度产物，且杂质含量低，利于产物的分离纯化。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 -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。展等具有一定的指导意义。（3）提取法：提取法是指用乙醇将日本传统食
6、品纳豆中的 -PGA 分离提取出来，早期日本生产 -PGA 大多采用该法。后来，也有人将该法应用范围扩大到含有 -PGA 的枯草芽孢杆菌和纳豆杆菌。由于纳豆或菌体中的 -PGA 含量低且不稳定，副产物果聚糖的存在使得提取工艺复杂，因此采用提取法制备的 -PGA产量低且成本高，不利于工业化生产。（4）微生物发酵法：自 1942 年 Bovarnick 等人发现芽孢杆菌能够在培养基中积累 -PGA 以来，对于利用微生物法合成 -PGA 的研究就十分活跃。与前面三种方法相比，微生物发酵法生产 -PGA 具有培养条件温和、生产过程容易控制、生产周期较短、-PGA 产量高且分子量适宜、提取率高、环境友好
7、等优点，已经成为国内外学者和专家关注和研究的热点，并逐步取代前面三种方法成为研究和生产 -PGA 的主要途径。 微生物发酵法生产 -PGA 仍然是当前最具有工业化前景的-PGA 生产方法。目前日本味之素株式会社已开始聚谷酸的商业化生产。但由于微生物的-PGA 合成代谢途径较为复杂，发酵液黏度较高，给产物的分离纯化带来极大的不便，且目前 -PGA 的产率较低等问题，因此，微生物发酵法生产 -PGA仍未实现大规模生产应用。从聚谷氨酸的发现至今仅有几十年的历史，聚谷氨酸的研究主要还是处于实验室阶段，主要包括对它性质研究，产生菌的改良和基因研究，发酵过程研究和提取提取纯化过程研究，以及衍生物的生产和性
8、质的研究。例：通过芽孢杆菌的变种生产聚谷氨酸：1培养过程菌种：枯草芽孢杆菌。种子培养基：葡萄糖2%(质量分数，下同)，谷氨酸钠1%，蛋白胨0.5%，七水硫酸镁0.5%磷酸氢二钾0.2%。发酵培养基：七水硫酸镁0.02%，磷酸氢二钾2%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸锰0.003%，谷氨酸钠4%，硫酸氨0.5%，葡萄糖5%。种子培养条件：32.5，搅拌22r/min条件下培养15h，生长过程如图1。发酵培养条件：接种量1%，通气量为2.4L/min。温度为32.5，搅拌速度为400r/min。培养时间酌情而定(主要根据残糖消耗和菌体生长情况)，一般等到残糖为零，且菌体开始衰亡(A660降低)时停止培养
9、，发酵过程如图2。可以看出产物合成与菌体生长同步菌体生长从8h开始进入对数生长期，糖消耗比较快。产量最后达到27.33g/L(48h)，仍呈上升趋势，此时底物糖耗尽，但菌体尚未呈衰亡趋势，应适当延长培养时间。2分离纯化通过微生物发酵得到高粘度发酵液采用有机溶剂沉淀法、化学沉淀法和膜分离沉淀法可获得 聚谷氨酸。有机溶剂沉淀和化学沉淀是指利用离心或凝聚菌体的方法除去发酵液中的菌体，在上清液中加入低浓度的低级醇如甲醇、乙醇，体积为上清液的倍，沉淀得到聚谷氨酸。然后用水溶解 聚谷氨酸，透析除去小分子，滤液冷冻干燥得到白色晶体，即为产品。对高粘度的发酵液还可以采用膜分离沉淀法因为发酵液粘度很高，离心非常
10、困难。将发酵液的 p值调到，粘度随 p值的下降而下降，p时，发酵液粘度降为原浓度的p时，微生物会发生降解，p时，发酵液粘度会上升 。调节 p值主要是使细胞表面电荷减少，菌体发生凝聚，使离心更有效。如 p时，在r/min 条件下离心min 可有效地把菌体从发酵液中分离出来。聚谷氨酸是一种线形分子，可用分子截留量在 的超滤膜和蠕动泵使聚谷氨酸发酵液浓缩到g/L，然后再用乙醇处理浓缩液，这样乙醇的消耗量大为减少。如把L 浓度为g/L 的发酵液浓缩到 lL 浓度为 100g/L 的发酵液，再用 2.5L 乙醇提取可得到g 聚谷氨酸，大大降低了聚谷氨酸分离提取的成本。此外日本科学家以谷氨酸甲基酯为原料，
11、生产合成新型聚合物 TC。这种聚合物广泛用于皮革制造、纤维产品、食品包装膜等；聚合 D-谷氨酸和聚合 L天冬氨酸，用苯乙烯处理改性可得到高抗碱性的纤维树脂。通过改性再聚合，可得到比一般天然纤维和化学纤维性能更佳的材料；日本学者通过发酵法合成并提取PGA，经电子束轰击可制成PGA 树脂，这种新型树脂为白色粉末，具有极强的吸水性，是纸和尿不湿的五倍。它经吸水饱和后变成果冻状，可作为粮食种子的理想包衣材料。聚谷氨酸的应用：通过微生物合成的 聚谷氨酸是一种高分子量的聚合物，其分子链上有大量游离羧基，具有一般羧酸基聚合物的性质，如强吸水性、能与金属螯合等特点。此外，大量的活性位点使之便于材料功能化，因此
12、用途十分广泛。（）医药聚谷氨酸在医药上有广泛的应用，主要作为药物缓释、耙向载体和外用药物的载体。 聚谷氨酸是生物降解型高分子，其降解产物通过正常的新陈代谢被机体吸收利用或被排除体外，可以用于药物释放和药物载体及非永久性植入装置。Cell Therapeutics 公司(CTI)开发的抗肿瘤药物聚谷氨酸紫杉醇 PG-TXL(CT2103)用做水溶性聚合体载体以增加紫杉醇输送到肿瘤部位的能力，注射剂量为 120mg/kg 小鼠的 PG-TXL，可使肺癌细胞减少 75%；而单独使用紫杉醇只使肺癌细胞减少 58%，且 PG-TXL 比紫杉醇更能抗肿瘤细胞的耐药性。聚谷氨酸的医药用途还表现在它可作为外用
13、药物的载体；它与明胶有较好的兼容性，适用于制作外科及手术用的粘胶剂、止血剂和密封剂。国外关于 PGA 的研究非常的多，范围极其广泛，相比之下，国内的研究较少，且范围局限。总的来说，PGA 作为药物载体的研究，主要集中在抗癌方面。（）化妆品和日化用品聚谷氨酸最大特点之一是保湿性极强。利用这一特点，国外已成功开发了一种滋润肌肤效果极佳的化妆液这种新型的化妆液具有恢复甚至重造皮肤自我湿润系统的功能。利用聚谷氨酸还可以制备一种新型护发液，涂在头发表层形成薄膜，不仅能防止头发内水分的蒸发而且其中的粘性成分还能发挥类似胶水的作用，可完全或部分修复即将脱落的毛鳞片。用射线照射 聚谷氨酸，其分子结构发生了变化
14、，其吸收水分性能增强。实验表明，每克经过射线处理的聚谷氨酸可吸收多达 kg 的水。利用这一特点，掺入聚谷氨酸成分的尿布吸收尿液的性能可比传统纸质尿布强倍。（）农业-PGA 可以作为农业化学品的缓释载体，在肥料、杀虫剂、除草剂、驱虫剂等使用时，加入适量的 -PGA 盐可以延长这些药物在作用对象表面的停留时间和活性成分的作用时间，使其不易因下雨而被冲刷掉，提高使用效果，减少化肥农药的使用量。-PGA 本身也可以作为新型液体肥料使用。等用 -PGA 产生菌 Bacillus licheniformisATCC 9945 和 Bacillus subtilis 的培养液作为液体肥料,聚谷氨酸具有生物可
15、降解性、又具有高吸水性，向人们展示了其在固沙植被领域的广阔应用前景。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倍的水，为沙漠及缺水地区绿化工程提供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。（）环境保护方面a、生物絮凝剂絮凝剂目前广泛应用于给水、污水处理、水质净化等领域。但由于化学合成的有机聚合物不能被生物降解、降解产物或单体含有毒性，长期使用会对坏境造成严重污染，对人类健康带来极大的危害。近年来对于微生物合成的可生物降解絮凝剂的研究取得了较大的进展。姚俊等研究了 -PGA 的絮凝特性，结果表明 -PGA 的絮凝活性稳定，热稳定性好。-PGA 不仅可以应用于水处理领域，而且也可以用于深海水的加工、食品和发酵工业的下游工艺操作中。b、重金属吸附剂由于重金属和放射性核素会在环境中大量的累积，因而威胁着人类的健康。通过微生物制备生物高分子与金属和放射性核素结合的手段来治理重金属和放射性核污染得到了人们的关注。Bhattacharyya 等发现由 -PGA 制成的微孔膜与Ni2+、 Cd2+、Pb 2+结合的能力均比羧基离子交换树脂
