γ—聚谷氨酸的合成
γ-聚谷氨酸的合成、性质和应用
γ-聚谷氨酸的合成、性质和应用彭英云;张涛;缪铭;沐万孟;江波【摘要】γ-聚谷氨酸是一种生物可降解的高分子聚合物,可由微生物发酵得到。
γ-聚谷氨酸具有良好的水溶性和吸附性,能彻底被生物降解,对环境和人体无害,这使得γ-聚谷氨酸在食品、化妆品、医药和农业等领域具有广阔的应用前景。
综述了γ-聚谷氨酸的化学结构、性质、生产方法及其应用。
【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2012(038)006【总页数】6页(P133-138)【关键词】γ-聚谷氨酸;生物合成;生物可降解;应用【作者】彭英云;张涛;缪铭;沐万孟;江波【作者单位】江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122 盐城工学院化学与生物工程学院,江苏盐城224003;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TQ929γ-聚谷氨酸(Poly γ-Glutamate，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。
作为一种高分子聚合物，γ-PGA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，可作为诸如保水剂、增稠剂、絮凝剂、重金属吸附剂、药物/肥料缓释剂及药物载体等的原料，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。
近十几年以来，日本、韩国、德国、美国、加拿大、台湾等多个国家和地区的学者在γ-PGA合成与应用方面进行了很多的研究并取得一定的成果，国内一些高校和研究所对γ-PGA的研究正处于兴起阶段。
随着人们环保意识的增强，γ-PGA的研究和应用越来越受到世界各国学术界的关注，已成为生物降解高分子材料的研究热点之一。
微生物合成的聚谷氨酸及其应用
收稿日期： ２００７－１２－２１ 作者简介： 张艳丽（ １９８２－） ， 女， 硕士研究生， 研究方向： 天然活性物的提取及应用研究 通讯作者： 高华， 教授， 硕士生导师， 电话：０５３２－８３８１２４３５， Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｈｕａ６３＠１２６．ｃｏｍ
２００８ 年第 ４ 期
张艳丽等： 微生物合成的聚谷氨酸及其应用
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： γ－ ＰＧＡ（ Ｐｏｌｙｇｌｕｔａｍｉｃ ａｃｉｄ） Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｓｔｒａｉｎｓ Ｇｅｎｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
γ－聚 谷 氨 酸 （ γ－ＰＧＡ） 是 一 种 由 Ｄ－和 Ｌ－谷 氨 酸 通 过 γ－谷 氨 酰 键 结 合 而 成 的 一 种 特 殊 的 阴 离 子 聚 合 物 ， 通 常 由 ５ ０００ 个 左 右 的 谷 氨 酸 单 体 组 成 ， 相 对 分 子 量 一 般 在 １０ 万 ～２００ 万 之 间 。 最 早 于 １９３７ 年 Ｉｖａｎｏｖｉｃ 等 发 现 炭 疽 芽 孢 杆 菌 （ Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｎｔｈｒａｃｉｓ） 的 荚 膜 物 质 的 主 要 成 分 是 Ｄ－谷 氨 酸 的 聚 合 物 。 而 １９４２ 年 Ｂｏｖａｍｉｃｋ 等 首 次 发 现 枯 草 芽 孢 杆 菌 能 够 产 生 γ－聚 谷 氨 酸 ， 以 后 进 一 步 发 现 短 小 芽 孢 杆 菌 及 地 衣 芽 孢 杆 菌 等 也 能 产 生 γ－ＰＧＡ。由 于 微 生 物 合 成 的 γ－ＰＧＡ 是 一 种 水 溶 性 的 、生 物 可 降 解 的 、对 人 体 和环境无害的生物高分子， 因此具有广阔的应用前 景 ： 可 作 为 增 稠 剂 、保 湿 剂 、苦 味 掩 盖 剂 、防 冻 剂 、缓 释 剂 、生 物 粘 合 剂 、药 物 载 体 、高 分 子 纤 维 、高 吸 水 树脂、生物絮凝剂和重金属吸附剂而应用于食品、 化 妆 品 、医 药 、农 业 及 工 业 等 众 多 领 域 ［１］。
r-聚谷氨酸知识讲解
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。
γ-聚谷氨酸的生物合成及提取工艺
形成剪切力作用，对培养群体细胞产生不利影响。之外，搅 因此，根据实验研究发现，搅拌转速越高，此时菌体的代谢
拌转速较大，还会形成大量泡沫，使发酵体积增加，对于发 酵来说是不利的，因此，研究非流动型流体发酵参数，利于 优化发酵过程，提高 γ-PGA 产率。本研究在 5L 发酵罐中分析 了不同转速对于分批发酵 γ-PGA 的影响，具体如下。 1.1 实验材料
Abstract ：γ-Polyglutamic acid is an important biopolymer material，with good water solubility and biodegradability，and is widely used in many fields such as medicine and food.Focus on the analysis of the preparation process of γ-polyglutamic acid，expound the influence of stirring speed on the batch fermentation of Bacillus snbtilis NX2 r-polyglutamic acid，construct the kinetic model of γ-polyglutamic acid batch fermentation，and explore the effect of γ-polyglutamic acid on the batch fermentation of Bacillus snbtilis NX2.The extraction process of polyglutamic acid.
本实验中使用菌株分批发酵，结合上述实验方法，通过 发酵获得 γ-PGA 发酵液，将发酵液稀释 25 倍之后，使其光密 度值为 0.323，浓度对应 24g/L，发酵液呈淡黄色。将 pH 调至 3.0，取 1L 发酵液，分别采用不同孔径微滤膜处理，比较发酵 原液以及透过液菌体含量、产物浓度，计算菌体去除率以及 产物损失率。 5.2 实验结果
_聚谷氨酸生产技术及应用
发酵科技通讯第３５卷我国天然的水溶性高分子化合物的生产和应用具有悠久的历史。
随着材料科学、聚合物化学和生物医学的不断发展和紧密融合，生物可降解高分子材料的研究得到长足发展，在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域已经得到广泛应用或正在显示出广阔的应用前景。
从事这方面生产的厂家有数百家，从事研究的也有数十所研究单位和学校。
随着高分子材料的快速发展，在其重要性日益凸现的同时，人们发现了它的不足之处，即大部分人工合成的高分子材料在自然界难以降解。
绿色化学的概念正在重新评价现有水处理化学品的作用和性能。
对现已使用和正在研发的产品，可生物降解性是最重要的评价指标，在人们越来越关心自己所处环境的今天，不可降解的高分子材料造成的“白色污染”，也越来越受到了人们的关注。
为了解决这个问题，人们开展了各种研究工作，制成了各种可降解材料，聚合氨基酸系列产品的开发也由此崭露头角。
近来日本从一种常用食品“纳豆”（由大豆经发酵后制成，类似我国的豆豉）的黏液中提取的γ—聚谷氨酸，开始引起人们的重视。
１γ－聚谷氨酸γ－聚谷氨酸（ｒ－ＰＧＡ）是一种水溶性高聚物，它是由微生物或酵素将麸酸聚合而成，是一种生物可降解物质，具有良好的生物相容性及可生物完全降解性，是一新型的高分子材料，具有重要的潜在应用价值。
研究指出，由于γ－聚谷氨酸既有羧基又有氨基，所以具有左右旋光性。
在不同的ｐＨ条件下，γ－聚谷氨酸形成不同的结构和性能。
在ｐＨ为２－３时，γ－聚谷氨酸呈螺旋结构。
在人体中γ－聚谷氨酸能降解为谷氨酸被吸收，但十分缓慢，有些像膳食纤维的性能。
主链上有大量游离羧基存在，具有水溶性聚羧酸的性质，如强吸水保湿性能，可用于化妆品、食品、防尘等领域。
活性位点为材料的功能化提供了条件，可以改变聚谷氨酸性质或接上靶向基团。
聚谷氨酸是一种优良的肝脏靶向药物载体，具有蛋白质类似的结构，因此制造出的纤维舒适性良好；聚谷氨酸甲酯是耐高温、有良好透气性能的聚合物，用于制造人造皮革、食品包装膜等。
新型药物载体聚谷氨酸的合成及其应用
新型药物载体聚谷氨酸的合成及其应用[关键词]：谷氨酸,生物降解,制备,药物载体健康网讯：γ-聚谷氨酸（Polyglutamic acid，PGA）是由L-谷氧酸（L－Glu）、D-谷氨酸（D-Glu）通过肽键结合形成的一种多肽分子，在自然界或人体内能生物降解成内源性物质Glu，不易产生积蓄和毒副作用。
它的分子链上具有活性较高的侧链羧基（－COOH），易于和一些药物结合生成稳定的复合物，是一类理想的体内可生物降解的医药用高分子材料。
本文综述了PGA的制备方法及其作为药物载体和医用粘合剂的应用。
PGA的制备目前PGA的生产技术主要有化学合成法、提取法、生物聚合法。
化学合成法传统的肽合成法传统的肽合成法是将氨基酸逐个连接形成多肽，这个过程一般包括基团保护、反应物活化、偶联和脱保护。
化学合成法是肽类合成的重要方法，但合成路线长、副产物多、收率低，尤其是含20个氨基酸以上的纯多肽合成。
二聚体缩聚由L－Glu，D－Glu及消旋体（DL－Glu）反应生成α-甲基谷氨酸，后者凝聚成谷氨酸二聚体后，再和浓缩剂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－hy droxy benzotriazole）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，经碱性水解变成γ－PGAo化学合成法难度很大，没有工业应用价值。
取取法早期，日本生产PGA大多采用提取法，用乙醇将纳豆（一种日本的传统食品）中的PGA 分离提取出来。
由于纳豆中所含的PGA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。
微生物的生物素合法自从1942年Bovar nick等发现芽孢杆菌属微生物能在培养基中蓄积γ－ PGA以来，利用微生物生物聚合生成γ－PGA的研究十分活跃。
地衣杆菌发酵制备地衣杆菌ATCC9945a 是能够生产γ－PGA的细菌族的一种。
γ-聚谷氨酸应用
γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用γ-聚谷氨酸[y-poly(g1utamic acid)，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。
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。
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。
1 γ-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。
γ-聚谷氨酸的特性、生产及应用
γ-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γ-聚谷氨酸[y-poly(g1utamic acid)，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。
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。
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。
1 γ-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。
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1、γ—聚谷氨酸的合成
简介：γ—聚谷氨酸（γ— PGA) 是一种可由微生物大量生物合成的氨 基酸聚合物, 它由 D—型或L—型谷氨酸通过γ酰胺键连接而成。如图 1。 γ—聚谷氨酸作为一种纯天然可降解生物材料，可以将其制成生 物可降解材料或者用于 γ—聚谷氨酸的纯度的分析，另外由于分子 中含有制品，在食品、医药、农业、日化等行业 具有广阔的应用前景。
1、γ—聚谷氨酸的合成
有待研究和解决的问题和设想： ①怎样控制发酵液的粘稠度从而提高产γ—聚谷氨酸的量 ②构建可以将L型谷氨酸转化为D型谷氨酸的工程菌（实验室目前 已经开展） ③通过分离γ—聚谷氨酸聚合酶直接合成 γ— 聚谷氨酸的方法。 （psgB、psgC、psgA）
1、γ—聚谷氨酸的合成
优化：γ—聚谷氨酸合成基本过程是：首先以L谷氨酸为合成的起始 底物，在谷氨酸异构酶(消旋酶)的作用下转变成D型谷氨酸，再通 过位于细胞质膜上的合成酶复合体催化形成聚— γ—谷氨酸，并被 分泌到细胞外。 目前对B. Licheniformis ATCC9945a 、 B.subtilis IFO3335、 B.subtilis ATCC9945a （依耐型） B. subtilis TAM−4（非依耐型）这几类细菌 研究比较深入。我们实验室目前使用得是优化过的依耐型谷草芽 孢杆菌。不同菌株对碳氮源、通氧量、搅拌速度、金属离子、微 量元素、前体物质、生物素等的需求存在差异。目前我们正在通 过探索所优化发酵条件，希望可达到工业生产标准。
1、γ—聚谷氨酸的合成
合成方法：有文献报道， γ-聚谷氨酸生产主要有化学合成法、 提取法和微生物发酵法 3 种。前两种方法因合成的 γ-聚谷氨酸 分子量低、副产物多且成本高等无法实现工业化应用。所以目 前利用细菌生物合成γ—聚谷氨酸是主流方法。原理是通过这些 细菌体内的聚合酶，它催化谷氨酰基转移到受体上，当供体和 受体为同一物质时则会发生自动转肽。以原料谷氨酸为单体通 过酶转化法可得到高含量产物、低含量杂质的反应液，有利于 产物的分离纯化。