r-聚谷氨酸知识讲解
江南大学科技成果——γ-聚谷氨酸的工业化生产技术
江南大学科技成果——γ-聚谷氨酸的工业化生产技术
项目简介
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种多聚氨基酸类的环保型多功能生物可降解高分子材料，主要由D-谷氨酸和L-谷氨酸通过酰胺键聚合而成。
作为一种高分子聚合物，γ-聚谷氨酸具有一些独特的物理、化学和生物学特性如良好的水溶性，超强的吸附性，能彻底被生物降解，无毒无害，可食用等。
在农业、食品、医药、化妆品、环保、合成纤维和涂膜等领域具有广泛的应用前景，因此极具开发价值。
微生物絮凝剂是继无机絮凝剂和有机絮凝剂之后出现的一种新型的、可自然降解的水处理剂，具有高效、无毒、无二次污染的特点。
微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外具有絮凝活性的代谢产物，一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成，分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚、沉淀。
在传统的絮凝剂中，无机絮凝剂投加量大，效果不佳，还会把大量金属离子带入最终产物中，对环境造成危害；有机合成高分子絮凝剂生物难降解，残留单体有毒，会对环境造成二次污染。
而微生物絮凝剂最突出的特点是具有生物降解性，而且高效、无毒、易降解、无二次污染且用途广泛，是环境友好型絮凝剂，因而引起世界各国学者的广泛关注和研究。
创新要点本项目技术所用菌株为非谷氨酸依赖型，具有生产工艺先进、操作方便、无污染、投资少，建设周期短、能源消耗低及成
本低等优点。
效益分析年产50吨γ-聚谷氨酸，总投资为500万元。
授权专利一种甲基营养芽孢杆菌及其发酵生产伽玛聚谷氨酸的方法，201110189421.X。
化妆品级聚谷氨酸百川生物
化妆品级聚谷氨酸百川生物化妆品级γ-聚谷氨酸（γ-PGA）γ-聚谷氨酸（γ-PGA），又称纳豆胶、多聚谷氨酸，它是由L-谷氨酸、D-谷氨酸通过γ-谷氨酰胺键聚合而成的一类均聚氨基酸，分子量在相对分子量一般在10,000~2000,000Da。
立体化学组成随菌种和发酵条件不同而不同。
（1）γ-聚谷氨酸特性水溶性：γ-PGA的链间存在大量氢键，因此具有很大的水溶性；生物相容性和生物可降解性：γ-PGA的主链上存在大量肽键，在酶作用下，可降解成无毒的短肽和氨基酸单体，因此具有优良的生物相容性和生物可降解性。
强吸水保湿性：γ-PGA的主链上存在大量游离羧基，因此具有强吸水保湿性。
（2）产品化学名称（3）产品技术指标（4）γ-聚谷氨酸在日化产品中的应用①γ-聚谷氨酸在护肤产品中的应用长效保湿：γ-PGA的水溶液为无色无味透明胶质，由于其特殊的三度空间格子结构, 使其具有极强的5000倍吸水保湿能力, 加上其柔滑肤感及易成膜性，可以显著提升肌肤保湿功效、减少水分散失、促进肌肤恢复弹性。
与公认的最具保湿能力的透明质酸相比，其保湿锁水功效比透明质酸有显著的优越性。
协同美白：研究发现，添加γ-PGA的护肤品可协同增效其他美白成分，显著抑制黑色素的生成，具有美白肌肤的功效。
防晒隔离：由于γ-PGA的优越成膜特性，添加γ-PGA的护肤品可在肌肤表面形成一层透气的生物保护薄膜，锁住皮肤水分的同时可以抵御外界侵袭，阻挡紫外线，在抗雾霾及防晒产品中，展现出优异的功效。
平皱抗衰：γ-PGA可增加皮肤角质层中天然保湿因子的含量，促进皮肤深层纤维母细胞的生长，平衡皮肤酸碱值，使皮肤恢复弹性，抚平皮肤因缺水产生的细纹。
聚谷氨酸、透明质酸、胶原蛋白对皮肤效果的比较组成分子单一胺基酸双糖类衍生物三胺基酸增进皮肤弹性↗↗→亲水性强中弱pH、热稳定性佳佳较差皮肤表面水分流失↘→→聚谷氨酸保湿护肤产品使用效果10秒：肌肤立感滑爽，聚谷氨酸瞬间潜入皮肤，立时锁水。
聚谷氨酸
菌种的筛选
实验材料：土壤 初筛
纳豆
豆腐乳
豆豉
取实验材料2g于10mL无菌水的试管中，用橡胶塞封口，振荡2min,再静 置30min；
水浴锅100℃煮沸5min；
冷却后，取上清液 1mL，浓度梯度稀释，分别取0.2mL稀释液涂布于初 筛培养基平板上； 37℃培养24h观察结果，在初筛培养基上挑选呈粘液状能拉丝的单菌落， 将筛选出的单菌落经划线分纯后分别编号，并进行3代传代培养； 最后于枯草芽孢杆菌转接于 LB斜面，再经培养有保存于冰箱中（4℃）。
采用 SDS-PAGE变性电泳检测到 B53产生的聚谷氨酸的分 子质量 570～669 ku,呈多分子质量分子聚集体形式 ,并非由 单一分子质量组成(图 3)
04
PART FOUR
菌种鉴定
菌体形态，16SrDNA序列的测定及系 统发育树的建立
主要从以下几个方面 ① 菌落：颜色，形状，表面是否光 滑，边缘是否平整； ② 菌体：大小，有无鞭毛芽孢荚膜 等结构； ③ 革兰氏染色
γ -PGA的特性
对人体和环境无毒可生物降解 ，生态友好型
易交联形成后期拥有卓越性 能的水凝胶
A
B
水溶性，可得到无味清洁透明 的溶液 C
可制成钠，钙，镁，氢型
D
γ -PGA的应用
食品方面
增加抗冻性，食品冷藏 增加抗溶性 增加钙及其他矿物质吸收 抗氧化
01 02
农业方面
作为植物增产营养素 超强亲水性与保水能力， 可作为肥料增效剂，并增 加植物抗病能力 平衡土壤酸碱度 可结合沉淀有毒重金属
16SrDNA序列的测定和系统发育树的建立 细菌菌株基因组 DNA 的提取：用 基因组 DNA 提 纯试剂盒提取 16S rRNA 基因 序列的 PCR 反 应 16S rRNA 基因 序列测定 同源性分析，系 统发育树的建立
聚谷氨酸理化指标
聚谷氨酸理化指标一、聚谷氨酸的基本概念聚谷氨酸（y-PGA），又称纳豆菌胶、多聚谷氨酸，是一种水溶性、生物降解、不含毒性的生物高分子材料。
它最早在纳豆发酵豆中被发现，并通过微生物发酵法制得。
聚谷氨酸具有粘性，广泛应用于食品、化妆品、药品等领域。
二、聚谷氨酸理化指标的重要性聚谷氨酸理化指标是评判产品质量优劣的关键因素。
这些指标包括聚谷氨酸的含量、分子量、粘度、溶解性等。
稳定的理化指标意味着产品具有较好的品质和性能。
三、聚谷氨酸理化指标的评判标准1.聚谷氨酸含量：正常情况下，聚谷氨酸产量稳定在35g/L即为优质产品。
生产过程中，不同批次的含量波动应控制在一定范围内，以保证产品性能的稳定。
2.分子量：聚谷氨酸分子量分布对产品性能有一定影响。
理想的分子量分布应在一定范围内，以满足不同应用场景的需求。
3.粘度：聚谷氨酸溶液的粘度是其性能的重要指标。
合适的粘度可以保证产品在应用过程中的流动性和稳定性。
4.溶解性：聚谷氨酸在水、醇等溶剂中的溶解性能对其应用范围有较大影响。
良好的溶解性有助于提高产品在实际应用中的效果。
四、聚谷氨酸理化指标检测方法1.高效液相色谱法：这是一种准确的检测方法，可以对聚谷氨酸含量进行精确测定。
2.酒精法（醇沉法）：这种方法在一定程度上可以检测聚谷氨酸含量，但受发酵液中其他成分的影响，检测结果可能出现偏差。
五、总结聚谷氨酸理化指标是评判产品质量和性能的重要依据。
稳定的产量、适当的分子量分布、良好的溶解性和合适的粘度都是优质聚谷氨酸产品的必备条件。
选择合适的检测方法，确保产品符合相关指标，对于提升产品质量和市场竞争力具有重要意义。
聚谷氨酸对根系的作用,对植物有什么作用
聚谷氨酸对根系的作用，对植物有什么作用聚谷氨酸对植物的根系具有一定能力的保护作用。
聚谷氨酸是自然界中微生物发酵产生的水溶性多聚氨基酸，其结构是谷氨酸单元通过α-氨基和γ-羧基形成肽键的高分子聚合物。
聚谷氨酸还可以提高农作物对于盐碱地的抵抗作用，可以通过提高植物体内的脯氨酸的含量，改变作物体内的钾钠离子的比例来增强对盐碱地的抗性。
一、聚谷氨酸对根系的作用1、聚谷氨酸对植物的根系具有一定能力的保护作用，聚谷氨酸会在植物的根部会形成一层保护膜，从而保护植物的根毛。
2、聚谷氨酸又叫做纳豆菌胶、多聚谷氨酸，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α-氨基和γ-羧基形成肽键的高分子聚合物。
3、聚谷氨酸可以提高农作物对于盐碱地的抵抗作用。
现在的施肥量都非常大，土壤都出现了不同程度的盐渍化现象，比如土壤出现发红、发绿现象，聚谷氨酸的作用机理是通过提高植物体内的脯氨酸的含量和抗氧化酶的活力，提高作物抗渗透调节能力，改变作物体内的钾钠离子的比例来增强对盐碱地的抗性。
4、聚谷氨酸分解成谷氨酸后，被作物吸收利用，没有残留，成为农作物体内的氨基酸，主要作用与细胞膜上，通过与蛋白结合产生信号的作用。
二、聚谷氨酸对植物有什么作用1、聚谷氨酸可以更好的把土壤中的养分、水分输送给植物，这样可以让植物的长势更好。
2、聚谷氨酸还可以吸收肥料中的营养物质，将其输送给植物，提高肥料的转化率和利用率。
土壤中的成分比较复杂，但是聚谷氨酸可以阻止某些酸根离子与金属元素产生的化学反应引起的沉淀物，从而促进植物根系的发育，增强植物的抗病性。
3、施用聚谷氨酸5-7天之后，植物叶片变绿变厚，而且长势有质感、挺立，在15天之后植物根毛会发达15%，可以使肥料利用率提高20%，作物平均增产10%-25%，根茎类作物增产60%以上。
4、聚谷氨酸与养分离子的吸附交换能力是自然土壤的100倍，可以有效阻止化肥中磷酸根离子，硫酸根离子和草酸根离子与金属元素产生沉淀作用。
絮凝剂的选择--壳聚糖 聚谷氨酸
3.2 γ--聚谷氨酸的基本性质
γ-聚谷氨酸具有优良的水溶性、超强的吸附性和生物 可降解性，降解产物为无公害的谷氨酸，是一种优 良的环保型高分子材料，可作为保水剂、重金属离 子吸附剂、絮凝剂、缓释剂以及药物载体。
4.3 pH对γ—聚谷氨酸絮凝度影响
pH对γ-PGA絮凝活性的影响 -------李文婧,刘建军 等.酿酒,2012,39(1):98-100
5 结论
壳聚糖和γ—聚谷氨酸都是环境友好性高分子聚合材 料，都具有絮凝作用
壳聚糖不溶于水，溶于有机酸；γ—聚谷氨酸水溶性 材料
壳聚糖溶液粘度受溶液pH影响较大，化学性质不稳 定，必须现用现配；γ—聚谷氨酸溶液絮凝度相对受 pH影响较小，且在中性范围内最大
2.1壳聚糖来源
壳聚糖 分子式
壳聚糖是甲壳素脱乙酞化而得到的一种生 物高分子，是甲壳素的主要衍生物。
-------夏文水, 吴炎楠.中国海洋药物,1997(2):3-7.
2.2壳聚糖的基本性质
壳聚糖系白色或淡黄色片状固体，不溶于水和碱溶液， 可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶 于稀的硫酸、磷酸。
7%PGA
6.62
14%PGA
6.42
1%壳聚糖
4.69
2%壳聚糖
3.94
3%壳聚糖
3.58
________________________________________
4.2 pH对壳聚糖粘度影响
pH值对壳聚糖溶液和乳状液粘度的影响 -------李星科,姜启星,夏文水. 食品与生物技术学报, 2011,30(3):337-341
γ-聚谷氨酸对6种植物病原真菌的室内毒力测定
γ-聚谷氨酸对6种植物病原真菌的室内毒力测定γ-聚谷氨酸是一种天然产生的多肽聚合物，具有抗菌、抗病毒和抗真菌的活性。
在植物科学领域，研究人员对其抗真菌活性进行了深入的研究。
本文旨在对γ-聚谷氨酸对6种常见植物病原真菌的室内毒力进行测定，以评估其在植物保护中的潜在应用价值。
本研究选择了6种常见植物病原真菌进行室内毒力测试，包括白粉病菌、灰霉菌、黑斑病菌、普通锈菌、叶枯病菌和马铃薯晚疫病菌。
这些真菌在农业生产中造成了严重的病害，影响作物的生长和产量。
寻找一种对这些病原真菌有有效抑制作用的物质对于农业生产至关重要。
实验采用了不同浓度的γ-聚谷氨酸溶液进行处理，观察其对病原真菌的毒力效应。
在室内条件下培养了这些真菌，然后分别将不同浓度的γ-聚谷氨酸溶液喷洒在病原真菌的培养基上，观察了一定时间后的毒力效应。
实验结果显示，γ-聚谷氨酸对这些病原真菌均具有一定的抑制效果，尤其在较高浓度下其抑制效果更为显著。
进一步分析表明，γ-聚谷氨酸对不同病原真菌的抑制效果存在差异。
在实验中，白粉病菌的抑制效果最为明显，其次是灰霉菌和黑斑病菌，普通锈菌、叶枯病菌和马铃薯晚疫病菌的抑制效果稍弱。
这表明γ-聚谷氨酸对不同病原真菌的毒力作用有一定的选择性，对某些真菌的抑制效果更为显著。
本研究还对γ-聚谷氨酸的毒力机制进行了初步探讨。
通过显微镜观察和生物化学分析，发现γ-聚谷氨酸对真菌孢子的萌发和生长有抑制作用，能够破坏真菌细胞膜结构，导致真菌细胞的死亡。
这为γ-聚谷氨酸抑制病原真菌提供了一定的理论基础，也为进一步研究其在植物保护中的应用提供了有力支持。
本研究对γ-聚谷氨酸对6种常见植物病原真菌的室内毒力进行了详细的测定和分析，结果表明γ-聚谷氨酸对这些真菌均具有一定的抑制效果，并且对其抑制效果存在一定的选择性。
初步揭示了γ-聚谷氨酸的毒力机制，为其在植物保护中的应用奠定了一定的理论基础。
由于实验条件的限制，本研究还存在一些不足之处，例如缺乏田间试验数据支持，研究结果尚需进一步的验证和完善。
γ-聚谷氨酸农业应用解读
γ-聚谷氨酸农业应用解读
关注聚谷氨酸时间不长，化妆品领域火的一塌糊涂（以后再讲）。
在农业方面应用单就提升肥效20％来讲属于肥料增效剂的高点，关键PGA 自身的黑马效应在于它环境无害，通过土壤微生物讲解产物谷氨酸本身就是植物营养成分，吸收后无残留。
1.聚谷氨酸农业应用主要功效：土壤改良和生物刺激。
关于土壤改良，因为聚谷氨酸本身大量羧基、氨基官能团存在，对水分子、阴阳离子具有一定的吸附能力，所以表现出非常好的吸水能力、酸碱中和能力、重金属吸附能力、NPK以及钙镁锌铁等螯合和调节能力，从而实现肥料增效和抗旱、调盐碱功效。
关于植物刺激，后面持续更新。
2.聚谷氨酸应用中主要问题：稳定性和确定性。
聚谷氨酸属于多聚物，解读一个多聚物起码需要平均分子量、分子分布系数、M10、M90等几个基本参数，但现在农业应用中仅关注了聚谷氨酸的含量是远远不够的，而且因为自身的特性导致很难获得分布范围较窄的优质产品，使得它无法发挥最大价值。
例如，化妆品、保水剂、保鲜剂等应用需要高分子量聚谷氨酸的成膜性和持水能力，而土壤修复、叶喷肥药等需要小分子聚谷氨酸的生物刺激
性。
但是现在还没有一个很好的工艺能获得分子分布小，大头、小头控制合理的原料，使得在实际应用开发中产品稳定性差，不能适应市场需求。
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固体发酵：以黄豆 作为基本培养物， 所得γ-聚谷氨酸的 产量比液体发酵高， 只是固体发酵也存 在困境。
培养基的优化配置
液体发酵： 普遍
使用的碳源为葡 萄糖，氮源为酵 母粉、牛肉膏、 蛋白胨、豆粕等， 大多数的培养基 都含有谷氨酸钠。
培养基的优化配置 分离纯化方法 现状与前景讨论
菌种来源
1
2
3
从豆制品或土壤 中或日本纳豆、 豆瓣酱、酱大蒜、 酱黄瓜等传统酱 类食品自行筛选。
由实验室保藏γ聚谷氨酸产生菌 为出发菌经诱变 筛选出高产菌种。
运用基因工程将 产γ-聚谷氨酸的 基因连接到载体 导入大肠杆菌。
发酵方法
液体发酵：研究者
绝大多数止于摇瓶
γ-聚谷氨酸合成酶的 研究进展
• pgsB的表达蛋白（不含跨膜区）可与ATP结 合催化ATP水解，为γ-聚谷氨酸的合成提供 能量，pgsC蛋白（含4个跨膜区）高度保守， 为疏水性蛋白。PgsA蛋白在N端含一个跨膜 区，为亲水性稳定蛋白。
γ-聚谷氨酸检测技术
• 定性检测：实验采用的检测通常是用红外 光谱技术，与公司生产的γ-聚谷氨酸的标准 光谱图对照，以检测产物是否为γ-聚谷氨酸， 或是通过核磁共振来确定分子式。
护发素的有效成分，头发定型剂，表皮缓 27h 酶水解法 2-5h 黏度计法 快速
紫外分光光度法 快速
背景
γ-PGA的应用研究进展 γ-PGA
四大方面
医药制造
农业生产
重金属污 染治理
食品加工
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
• 医药制造
作为载体：转运或联合转运或磁铁靶向转 运药物（疫苗，抗肿瘤药物，抗病毒药物， 激素类药物等）、基因。
固体发酵：产量 高，不易产物提 取，生产成本太 高。可在培养基 和分离纯化工艺 上优化。
γ-聚谷氨酸合成酶的 研究进展
• γ-聚谷氨酸的合成基因共有capA,capB,capC， capE和pgsA，pgsB，pgsC，pgsE,其中capB和 capC主要负责γ-聚谷氨酸的聚合，而capA和 capE主要负责γ-聚谷氨酸的转运。这些合成 基因的表达物组成复合酶系以谷氨酸为底 物催化γ-聚谷氨酸的合成。
• 农业生产
农用的塑料制品
应用于干旱防治，沙漠、荒山等的绿化。
显著的增肥作用。
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
• 重金属污染治理
γ-聚谷氨酸对铬，镍等众多重金属都有 络合反应或吸附作用，尤其对铜离子吸附 作用很强，因此可用于污水处理。
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
• 食品加工 γ-聚谷氨酸可降解且安全无毒，对食品风
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的 研究进展
γ-聚谷氨酸
目录
1
背景
2
γ-聚谷氨酸发酵生产
3
γ-聚谷氨酸的合成酶
4
γ-聚谷氨酸的检测技术
5
γ-聚谷氨酸的应用
背景
• 1937 年Ivanovics 等首次于炭疽芽孢杆菌的夹膜 中发现γ-PGA, 1942 年Bovarnick 等人发现有些 芽孢杆菌属细菌能通过发酵培养积累γ-PGA。
固体发酵：以黄豆 作为基本培养基。 提议可用豆粕。
四株纳豆芽孢杆菌产γ-PGA 的平均产量
分离纯化方法
液体发酵：有
机溶剂法、化 学沉淀法、膜 分离沉淀法。
固体发酵：对产 物的处理与液体 发酵用乙醇沉淀 的有机沉淀法基 本一致。
沉淀法
现状与前景的讨论
液体发酵：产
率较低，可运 用基因工程对 微生物进行定 向改造的技术， 尽快的可工业 化生产到高产 菌种。
• γ-聚谷氨酸（γ-Polyglutamic acid，γ-PGA）是一 种由D-或L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基形成γ-酰 胺键结合而成的阴离子聚合物。
γ-PGA的结构式
背景
无毒性
可降解性
可食用性
γ-PGA
保湿性
成膜性
粘结性
γ-聚谷氨酸发酵生产 研究进展
γ-PGA的发酵生产
菌种来源 发酵方法
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
自身起作用： 恢复甚至重造肌肤的自我润湿系统。 对头发上的毛鳞片损伤有修复作用。 对眼角膜损伤具有一定的修复作用。 对脂质代谢有调控作用。 可减弱鼠科动物呼吸道哮喘的炎症。 新型安全无害的生物胶带。 交联后制成水凝胶。
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
味无影响，可作为食品添加剂：含矿物质 的食品的除涩剂，冰淇林的稳定剂，果汁 类饮料的增稠剂。
蔬菜水果的防冻保鲜剂。
作为载体螯合钙做新型的钙制剂。
应用于人体重金属中毒。
γ-聚谷氨酸（γ-PGA）应用 研究进展
• 其他应用 吸水纸，纸尿裤，卫生巾，餐巾纸，湿巾 纸，药棉，吸汗内衣，抹布的制造材料。
天然的美容面膜，保湿或滋润类化妆品的 有效成分。