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1、Y-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 Y-聚谷氨酸y-poly(glutamic acid)，y-PGA，是由 L-谷氨酸L-Glu、D- 谷氨酸D-Glu通过y-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)。Y- 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Y-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Y-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
2、生物发酵 法合成广聚谷氨酸的研究。能发酵生产Y-聚谷氨酸的菌种较多，有地衣杆菌、枯草芽抱杆菌 等菌种，而以枯草芽抱杆菌发酵生产y-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。Y-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 Y-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。1Y-聚谷氨酸的性质1.1 吸水特性由于y-pga极易溶于水，因此其具有很好的吸水特性，王传海等对y-pga的吸
3、水 性能进行了研究，结果表明，y-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。y-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，y-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。y-pga的吸水性和保水性可 使y-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 y-pga的特性之一。所有y-pga产生菌株都可以以y-pga
4、作为营养源进行生长。在 B.1ichenrmis9945a的培养液中存在一种与y-PGA降解有关的解聚酶。其它自然菌株也具有 降解y-pga的能力。以y-PGA作为唯一碳源和氮源对可降解y-PGA的菌株进行筛选，结果 筛选出至少12株可降解y-PGA的菌株。由此可知，发酵生产y-PGA的培养时间对产量有较 大的影响，时间过长会导致y-pga分子被酶解而损失。1.3 y-pga的水解特性y-pga的水 溶液在10mL、浓度为6mol/L的HCl中，抽真空封口，105C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y-PGA纯度的 测定。2微
5、生物发酵法生产广PGA y-PGA生物合成的研究主要集中在芽抱杆菌属的细菌 B.anthracis 和 B.anthracisATC9945a、且 lichen 扣 rmisATC9945(以前叫 B.subtilisATC9945)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y-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!formisATC9945、且 lichenrmisATC9945a、且 subtilis IF03335、且 subtilisF-2-01 和 Madla
6、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，女口 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 y-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y-PGA的主要影响因素,Mn2+和Ca2+对y-PGA的产生也有
7、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，y-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.subtilisF03335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 Y-PGA合成酶的激活
8、剂，而用于合成y-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y-PGA,产量随培养条件的不同而不同，其范围为2050g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y-PGA的激活剂，而合成y-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y-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
9、酵生产y-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37C培养24h 后, y-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y-PGA，降低其生产成本后，有望工业化。2.4偶联发酵法生产y-聚谷氨 酸大多数y-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y-PGA体系包括 L-Glu
10、的产生菌 Corynebacteriumglutamic-um S9114 和 y-PGA 产生菌 BacillusSubtilisZJU-7。 BacillusSubtilisZJU-7 利用 Corynebacteriumglutamicua S9114代谢产生的 L-Glu进行 y-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37C, pH=7.0时培养24 h后，得到y-PGA的最高产量为32.8g/L。 此种方法中，L-Glu无须分离纯化，
11、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，y-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抱杆菌生产广聚谷 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抱杆菌。而沙 长青等利用大豆接种纳豆芽抱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12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 y-PGA外，还含有
12、维生素K2和纳豆激酶芽抱杆菌等有用 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 y-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
13、用途十分广泛。y-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
14、研究指出，用）.100.30ga，的y-PGA 溶液浸种13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y-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
15、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。3.2 Y-聚谷氨酸在日用品中的应用Y-聚谷氨酸在 化妆品药典上的国际命名是：纳豆胶(Natto Gum)。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。y-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
16、，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Y-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y-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。y-pga可改善药物的水溶性，提高药物的生物利 用度。y-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y-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 0.004 mg/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20 rog/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。y-PGA可 降低药物的毒副作用，增强药物的稳定性。许多
