微生物工程应用

微生物工程应用

——浅谈γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的中的微生物工程应用

微生物工程，又名发酵工程，指采用现代工程技术手段，利用微生物的生长和代谢活动，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。在石化资源的日益枯竭以及人类生存对环保和经济可持续发展持续要求的今天，利用微生物生产出对人类有益的产品，已成为解决人类生存发展的关键之一。

γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种水溶性高分子，由D-谷氨酸和L-谷氨酸通过γ-谷氨酰胺键聚合而成，其侧链存在有大量游离羧基，因此具有良好的生物相容性及可生物降解性，是一种新型的高分子材料。它具有以下众多性能：①具有羧基，因此亲水，拥有保水保湿的性能，可用于化妆品、食品、等领域；②γ-聚谷氨酸（γ-PGA）分子具有许多活性位点，可对其进行修饰，形成众多衍生物。如简单交联制成的高吸水树脂，可用于制造生物可降解的纤维，由于具有与蛋白质类似的结构，因此制造出的纤维舒适型良好；聚谷氨酸甲酯是耐高温、有良好透气性能的聚合物，可用于制造人造皮革、食品包装膜等；而某些特殊的功能化，可作为药物控释、缓释和靶向载体。如此众多的功能之中，我更关心的是它在农业的应用，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）漫淹于土壤中时，会在植株根毛表层形成一层薄膜，不但具有保护根毛的功能，更是土壤中养份、水份与根毛亲密接触的最佳输送平台，能很有效率的提高肥料的溶解、存储、输送与吸收。阻止硫酸根、磷酸根、草酸根与金属元素产生沉淀作用,使作物能更有效的吸收土壤中磷、钙、镁及微量元素。这样，可以大大改善土壤，使其更适合作物的生长，从而可以增产增收。

在生产工艺研究方面，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的上游技术受到较大的限制。在化工合成无果之后，科学家们将γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的合成方式锁定在了微生物上。目前，主要是通过已经诱变好的菌株作为菌种进行生产。

如上表，不同生物在不同条件下合成的γ-聚谷氨酸（γ-PGA）分子大小和立体化学组成的不同，大大增加了菌种选育与诱变的难度。在立体化学组成中，高L-型含量的γ-PGA具有更大的优势，因此

常选用NX-2作为菌种。该菌株目前已申请了中国发明专利，保藏在中国普通微生物保藏中心，命名CGMCC0833。

通过正确的培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种，采用部分析因设计（FFD）（不懂，有机会老师能解释一下吗？），计算出葡萄糖53.97g/L，谷氨酸55.34g/L，硫酸铵9.08g/L，较为合适，便可以投入生产。

迄今为止，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）合成的研究多集中在分批发酵。通过课堂了解到分批发酵是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。利用分批发酵动力学，通过对通气量、搅拌转速、ph、温度、补料速度的调整，从而实现了γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的发酵。

与其他很多发酵产品一样，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）也面临着一些发酵难题。如生产效率低，产物难分离，稍微有些差错可能会导致γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的分子链的长度不符合要求等。生产出的γ-聚谷氨酸（γ-PGA）存在大量的羧基，因此呈粘稠浆糊状，在很高的罐内压力下，仍难以流出。课堂上老师讲的絮凝法可以使用，但成本不高，除杂不彻底，仍是问题。

γ-聚谷氨酸（γ-PGA）发酵液的预处理，用酸进行，选用硅藻土和活性炭作为常用吸附剂，在通过超滤（课上没有讲，不是太懂）、醇析、盐析等，便可收集到γ-聚谷氨酸（γ-PGA）产品。

干旱缺水是全球性问题，我国干旱、半干旱地区约占国土面积的一半以上。干旱是限制我国农业发展的主要因素之一。而γ-PGA吸水树脂作为新一代生物聚合高效吸水材料，为缺水问题提供了解决途径。γ-PGA吸水树脂具有两个特点：一是可生物降解性，在土壤中使用一定时间后可降解为谷氨酸，作为肥料回归于土壤中；二是来自于生物质原料，而非石油，可持续发展。

微生物工程在生产γ-聚谷氨酸（γ-PGA）中的成功应用，让我看到了微生物工程对农业生产乃至生活各个方面所带来的好处。相信用微生物工程制造的更多的产品，像γ-聚谷氨酸（γ-PGA）一样，为人类造福。

参考资料：《生物高分子——为生物合成的原理与实践》徐虹欧阳平凯著