微生物絮凝剂γ-聚谷氨酸的生产及应用研究进展
邵颖;赵彩凤;邵赛;张乐平
【摘要】γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid,γ-PGA)是由L-谷氨酸或D-谷氨酸通过肽键结合形成的一种多肽高分子,具有良好的水溶性、生物相容性、水解性、生物可降解性、无毒等优良特性.文章综述了微生物合成γ-PGA生产工艺,如生产菌株、培养基优化、发酵工艺和固定化技术等,介绍了γ-PGA在废水处理方面的应用,并指出了其发展方向.%γ-polyglutamic acid is a polypeptide composed of L-glutamic acid or D-glutamic acid by peptide bond formation. γ-PGA is a promising environmental friendly material with outstanding water solubility, biocompatibility, hydrolysis, biodegradability and non-toxic. This paper reviews the microbial synthesis of γ-PGA production processes, such as the production of strains, medium optimization, fermentation technology and immobilization technology. Meanwhile, it focuses on the application of γ-PGA in wastewater treatment, and points out the development direction in the future.
【期刊名称】《湖南农业科学》
【年(卷),期】2017(000)008
【总页数】4页(P123-126)
【关键词】γ-聚谷氨酸;生物合成;废水;应用;综述
【作者】邵颖;赵彩凤;邵赛;张乐平
【作者单位】湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所,湖南省农业生物辐照工程技术研究中心,生物辐照技术湖南省工程研究中心,湖南长沙 410125;湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所,湖南省农业生物辐照工程技术研究中心,生物辐照技术湖南省工程研究中心,湖南长沙 410125;湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所,湖南省农业生物辐照工程技术研究中心,生物辐照技术湖南省工程研究中心,湖南长沙 410125;湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所,湖南省农业生物辐照工程技术研究中心,生物辐照技术湖南省工程研究中心,湖南长沙 410125
【正文语种】中文
【中图分类】X703.5
微生物絮凝剂（Microbial flocculants，简称MBF）是利用生物技术，从微生物菌体或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效，且能生物降解的新型水处理絮凝剂[1]。MBF可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的安全和环境污染方面的缺陷，易于生物降解、无毒、无二次污染。生物絮凝剂已应用于纸浆废水、染料废水处理、污泥脱水及发酵菌体去除[1-2]等领域。MBF活性成分有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素、DNA以及具有絮凝活性的菌体等[3]。目前，MBF存在价格昂贵、絮凝活性不高、投加量大等缺点，其工业化应用不多。
γ-聚谷氨酸（γ-Polyglutamic acid，γ-PGA）是一种由芽孢杆菌（主要为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌）合成的细胞外水溶性氨基酸聚合物。γ-PGA由L-谷氨酸和D-谷氨酸单体通过α-氨基和γ-羧基形成肽键之后生成的线型同聚酰胺，分子量一般在100～1 000 kDa[4]。γ-PGA分子中每个重复单元的α碳原子上连有一个羧基，可在分子内和分子间形成氢键。γ-PGA是一种阴离子聚合氨基酸，其二级结构在不同pH和离子强度下呈现不同构象[5]。γ-PGA分子中富含-COOH、-CO-、-NH-等多种活性基团，电荷密度高，分子量较大且呈线性，具有良好的絮
凝活性。目前，高生产成本（高原料成本与复杂的分离纯化工艺），低产量是制约γ-PGA工业化应用的重要因素。
γ-PGA具有优良的成膜性、成纤维性、阻氧性、粘结性、可塑性、吸水性和生物
可降解性等特性，使其具有成膜、增稠、乳化、凝胶、保温、助溶、粘结和缓释等功能[4,6]，在水处理、医药、食品、农业、化妆品等领域具有广阔的应用前景。
本文主要对微生物絮凝剂γ-聚谷氨酸的发酵生产工艺及在废水处理方面的应用、
国内外发展动态及研究现状进行综述。
γ-PGA生产菌株主要为芽孢杆菌。根据合成γ-PGA过程中是否需要谷氨酸将其分为谷氨酸依赖型和谷氨酸非依赖型γ-PGA生产菌。非依赖型γ-PGA生产菌由于
培养基不需要提供谷氨酸，原料成本较低，但是γ-PGA产量一般较低（10 g/L左右）。谷氨酸依赖型γ-PGA生产菌产量较高（大于20 g/L），但原料成本较高[7-9]。
碳源、金属离子、前体物质、微量元素、生物素等对不同菌株的产量存在很大差异。培养基组成和含量，温度、pH、供氧等发酵条件对γ-PGA产量和分子量大小和分布影响较大。
多篇报道采用响应面法（RSM）或正交设计（PB设计）法对γ-PGA发酵培养基
进行优化。Chen等[10]采用RSM对Bacillus subtilis CCTCC202048固态发酵
生产γ-PGA培养基进行了优化，在最优发酵条件下，γ-PGA产量为4.7%
（w/w）。Soliman等[11]采用PB设计对谷氨酸非依赖菌Bacillus sp. SBA-26
培养基成分的15个变量进行优化，结果发现K2HPO4、KH2PO4、(NH4)2SO4
和酪蛋白水解物是影响γ-PGA产量的主要组分，在优化培养基条件下，γ-PGA最大产量为33.5 g/L。Yong等[9]采用RSM优化B. amyloliquefaciens C1固态发酵培养基，γ-PGA最大产量达4.37%。Bajaj等[8]采用因子分析法、PB设计和RSM等多种方法对B. licheniformis NCIM 2324生产γ-PGA培养基进行了优化，
产量从5.27 g/L提高到26.12 g/L。Shi等[9]采用RSM优化B. subtilis ZJU-7培养基组分，γ-PGA产量提高了1倍，达58.2 g/L。可见，通过统计法可以使γ-PGA产量不同程度提高，同时减少工作量。
在高黏性产物好氧发酵生产过程中，提高溶氧和氧传质效率对于提高目标产物产量和生产速率非常关键。目前，提高溶氧的技术有微孔曝气技术、膜生物反应器等[12]。在γ-PGA生物发酵生产过程中，由于其高粘度特性，导致中后期发酵液粘
度较大，严重影响混合、传氧和传质过程，进而影响γ-PGA产量、分子量大小和分子量分布等[13]。Bajaj等[14]研究表明，高转速和高通气量可促进B. licheniformis NCIM 2324生长，当搅拌转速低于750 r/min时，γ-PGA产量随转速增加而增大，当转速为750 r/min，通气量1 vvm时，γ-PGA最大产量为46.34 g/L。Cromwick等[8]研究了曝气和pH等因素对B. licheniformis ATCC 9945A分批发酵生产γ-PGA产量影响，结果表明，在最适pH 6.5条件下，搅拌
速率从250 r/min提高到800 r/ min，曝气量从0.5 L/min增大到2.0 L/min，
γ-PGA产量从6.3 g/L增加到23 g/L，尽管如此，局部溶氧限制仍不可避免。符
爽等[15]采用离心式纤维床生物反应器（Centrifugal Fibrous-Bed Bioreactor，CFBB）生产γ-PGA，以强化传质及传氧过程，结果发现CFBB中发酵液的最高黏度为4 000 mPa·s，低于搅拌釜式发酵罐，低粘度有利于氧传质，可连续生产γ-PGA。
细胞固定化技术可以实现细胞的重复利用，有利于产品的分离纯化，简化后处理工艺，缩短生产周期，可实现连续或半连续生产，从而降低发酵成本。采用固定化细胞发酵，可以得到含菌量很少甚至不含菌体的发酵液。易于实现产物分离与发酵耦合，减少菌体分离成本，促进工业化应用[15]。在高粘性黄原胶、鲁兰多糖等胞外多糖发酵生产中，固定化细胞研究较多，这对高粘性的γ-PGA生产同样适用[16-17]。Hsu等[16]利用棉纤维固定化Xanthomonas campestris细胞生产黄原胶，
产量为游离细胞的2倍。West等[17]利用壳聚糖微球固定化Aureobasidium pullulans ATCC 201253生产普鲁兰多糖，应用1%壳聚糖小球固定化菌株重复
生产2批次，第2批次产量（5.0 g/L）为第1批次（3.1 g/L）的1.6倍。Zhang 等[13]利用聚氨酯泡沫固定化X. campestris CGMCC 1.1781固态发酵生产黄原胶，黄原胶产量为42.62 g/L，约为深层通气发酵产量的2倍。在γ-PGA微生物
合成研究中，关于细胞固定化报道较少。Berekaa等[18]研究了包埋法和吸附法固定化B. lichenniformis strain-R生产γ-PGA，结果表明吸附法优于包埋法，最适固定化载体为海绵。以海绵固定化细胞strain-R，在柱式滴流床反应器进行批次半连续生产γ-PGA，第3批次γ-PGA产量最大，为55.5 g/L，第4批次γ-PGA产量略微下降。
γ-PGA为线型聚阴离子高分子，具有水溶性聚羧酸的性质，有强吸水性和金属螯
合性，可用作絮凝剂[19]。作为一种新型微生物絮凝剂，γ-PGA具有生物可降解性、水溶性、无毒和环境友好等优点，在水处理方面应用前景广阔[20]。
在γ-PGA絮凝活性研究方面，Yokio等[21]考察了Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等金属离子作为γ-PGA助凝剂对高岭土悬浮液的絮凝活性影响，结果表明，Ca2+对γ-PGA助凝效果最佳，最适pH为4。Shih等[41]也考察了金属离子和pH对絮凝活性的影响，发现Ca2+为最佳助凝离子，最佳絮凝pH为中性。Bajaj 等[23]采用响应面法对B. subtilis R 23生产的γ-PGA最佳絮凝条件进行了优化，在最佳条件下，絮凝活性达到最大30.32±1.4 1/OD。Wu等[3]对B. subtilis DYU1发酵产物（主要成分为γ-PGA）的絮凝性能进行了研究，对γ-PGA絮凝高岭土的机理进行了初步推测，但实验数据不充分。Taniguchi等[24]对γ-PGA进
行了交联改性，并研究了其物理化学性能及其对高岭土的絮凝活性。采用改性γ-PGA和无机絮凝剂聚合氯化铝复配使用，絮凝活性显著提高。
在废水脱色方面，Inbaraj等[25]研究γ-PGA包裹的磁性纳米颗粒对亚甲基蓝染料
吸附特性，最大吸附容量达78.67 mg/g。Inbaraj等[26]研究了γ-PGA对阳离子型染料碱性蓝9（BB9）和碱性品绿4（BG4）的吸附，饱和吸附量分别为352.76和293.32 mg/g。Deng等[2]利用Aspergillus parasiticus产生的絮凝剂对8种染料进行了处理，对活性蓝4和酸性黄25的处理效率分别达到了92.4%和
92.9%。
工农业废水、城市生活污水及各种采矿废水均含有大量的金属离子，这些重金属通过食物链生物富集，严重威胁生物和人体健康。目前应用的废水处理方法分为化学法、物理法和生物法。利用微生物絮凝剂对废水中的重金属进行处理，是近年来研究的热点。在重金属去除方面，Mark等[27]研究发现，B. licheniformis ATCC 9945生产的γ-PGA对Cu2+有很强的吸附能力和吸附容量，可用于除去废水中的重金属离子，用于回收金属和减少环境污染等。徐虹等[28]研究发现γ-PGA能有效降低电镀废水中Cr3+、Ni2+等金属离子浓度。Inbaraj等[29]研究发现γ-PGA吸附汞（Ⅱ）为放热自发的反应，吸附动力学符合准二级，5 min吸附量可达80 mg/L。Yao等[30]应用Bacillus subtilis NX-2所产的γ-PGA吸附电镀废水中微量重金属离子，Cr（Ⅲ）从3.07 mg/L降至0.15 mg/L，Ni（Ⅱ）从9.46 mg/L降至1.01 mg/L，达到排放标准。
γ-PGA从原材料、生产过程和产品性能均能实现真正意义上的“绿色”，具有广阔的发展前景和巨大的开发潜力。然而，亟需解决的是如何降低生产成本和控制产物结构（L-/D-单体比例）、分子量等。根据国内外发展现状，笔者认为γ-PGA 的研究方向将主要集中在以下两个方面[31]：一方面继续寻找能够利用廉价的原料高效高产γ-PGA的优良菌株，尤其是谷氨酸非依赖性合成菌，如采取与谷氨酸生产菌共混发酵法，或利用烟草叶肉细胞、谷氨酸棒杆菌作为宿主实现γ-PGA合成酶表达，降低生产成本；另一方面致力于对γ-PGA合成工艺及合成机制的探讨。发酵液粘度随γ-PGA浓度增加而增大。高粘性引起的传氧和传质限制是导致发酵
产量低的重要影响因素之一。因此，高效、低能耗曝气方式的研究将有效的提高γ-PGA的产量。同时通过染色体融合、合成酶表面修饰、基因剪切等生物化学与分子生物学方面深入研究，结合基因和蛋白组数据库、模拟基因表达和酶系催化，实现γ-PGA的体外合成控制，为γ-PGA大规模生产和应用提供理论基础与技术支撑。
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微生物发酵产聚谷氨酸工艺研究 摘要：谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占有重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。以枯草芽孢杆菌纳豆亚种为出发菌株，考察不同碳氮源及NaCl 浓度、谷氨酸、种龄、接种量对微生物发酵产γ- 聚谷氨酸的影响，以提高γ- 聚谷氨酸的产量。方法：该菌菌种活化后，接入种子培养基，于37℃、200 r/min 震荡培养18 h，然后按2 %接种量接入不同发酵培养基进行发酵培养。γ- 聚谷氨酸分离纯化后，根据其产量筛选最适发酵培养基组成及发酵条件，并对产物进行分析测定。 关键词：γ- 聚谷氨酸；纳豆菌；发酵；优化培养 一、材料与方法 1.1 材料 1.1.1 菌种纳豆芽孢杆菌（Bacillus subtilis natto），系作者筛选，由本校微生物教研室罗兵教授鉴定确认，于实验室保存。 1.1.2 培养基斜面培养基：大豆蛋白胨10 g/L，牛肉膏5 g/L，NaCl 7.5 g/L，琼脂20 g/L。种子培养基：大豆蛋白胨20 g/L，葡萄糖30 g/L，谷氨酸钠25 g/L，NaCl 5 g/L。液体发酵培养基：大豆蛋白胨30 g/L，葡萄糖40 g/L，谷氨酸钠30 g/L，NaCl15 g/L，K2HPO4 2.0 g/L，KH2PO4 4.0 g/L，Mg-SO4 0.5 g/L，CaCl2 0.25 g/L 及少量生物素[1]。以上培养基pH 均为7.0-7.2，在121℃下高压灭菌20 min。 1.1.3 试剂γ-PGA 标准品为Sigma 公司产品；系列葡聚糖标准品（Shodex P-82 standard 标准品，分子量（Mr）分别为5900，11800，22800，47300，112000，212000，404000，788000）为SHOWA DENKO 公司产品；叠氮钠、硫酸钠、蛋白胨、葡萄糖、谷氨酸等均为国产分析纯。 1.2 方法 1.2.1 发酵方法菌种活化：取菌种一环，接于斜面培养基，37℃培养20 h。 种子培养：取一至两环活化菌种接入种子培养基中，37℃、200 r/min 震荡培养18 h。 发酵培养：将上述种子液按2%接种量接入发酵培养基（装液量为40/250 mL），37 ℃、250 r/min 震荡培养48 h，测γ-PGA 的产量。 1.2.2 提取方法发酵液于4 ℃、10000 r/min 离心15 min 去除菌体，取上清液用6 mol/L HCl 将pH 调至2.0-3.0，加入3 倍体积冰无水乙醇搅拌出现絮状沉淀，低温放置4 h 离心得沉淀（粗品）。然后溶于蒸馏水，用透析袋透析脱盐（除去无机小分子和离子），再经阴离子交换层析进一步提纯，即将透析过的
微生物絮凝剂γ-聚谷氨酸的生产及应用研究进展 邵颖;赵彩凤;邵赛;张乐平 【摘要】γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid,γ-PGA)是由L-谷氨酸或D-谷氨酸通过肽键结合形成的一种多肽高分子,具有良好的水溶性、生物相容性、水解性、生物可降解性、无毒等优良特性.文章综述了微生物合成γ-PGA生产工艺,如生产菌株、培养基优化、发酵工艺和固定化技术等,介绍了γ-PGA在废水处理方面的应用,并指出了其发展方向.%γ-polyglutamic acid is a polypeptide composed of L-glutamic acid or D-glutamic acid by peptide bond formation. γ-PGA is a promising environmental friendly material with outstanding water solubility, biocompatibility, hydrolysis, biodegradability and non-toxic. This paper reviews the microbial synthesis of γ-PGA production processes, such as the production of strains, medium optimization, fermentation technology and immobilization technology. Meanwhile, it focuses on the application of γ-PGA in wastewater treatment, and points out the development direction in the future. 【期刊名称】《湖南农业科学》 【年(卷),期】2017(000)008 【总页数】4页(P123-126) 【关键词】γ-聚谷氨酸;生物合成;废水;应用;综述 【作者】邵颖;赵彩凤;邵赛;张乐平
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。 1.2 生物可降解性生物可降解性是γ-PGA的特性之一。所有γ-PGA产生菌株都可以以γ-PGA作为营养源进行生长。在B.1ichenrmis9945a的培养液中存在一种与γ-PGA降解有关的解聚酶。其它自然菌株也具有降解γ-PGA的能力。以γ-PGA作为唯一碳源和氮源对可降解γ-PGA的菌株进行筛选，结果筛选出至少12株可降解γ-PGA的菌株。由此可知，发酵生产γ-PGA的培养时间对产量有较大的影响，时间过长会导致γ-PGA分子被酶解而损失。1.3 γ-PGA的水解特性γ-PGA的水溶液在10mL、浓度为6mol/L的HCl中，抽真空封口，105℃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γ-PGA纯度的测定。2 微生物发酵法生产广PGA γ-PGA生物合成的研究主要集中在芽孢杆菌属的细菌B.anthracis和B.anthracisA T℃9945a、且lichen扣rmisAT℃9945(以前叫B.subtilisAT℃9945)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γ-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!formisAT℃9945、且lichenrmisAT℃9945a、且subtilis IF03335、且subtilisF-2-01和Madla 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，如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γ-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γ-PGA的主要影响因素，Mn2+和Ca2+对γ-PGA的产生也有显著影响。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，γ-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..subtilis[F03335发酵生产广聚谷氨酸B.subtilis IF03335是从一种传
聚谷氨酸的生物合成及应用 引言 γ—聚谷氨酸(γ-PGA)是一种由D-谷氨酸和γ—聚谷氨酸通过γ—聚谷氨酰键结合而成的一种特殊的阴离子聚合物。不同于α多肽，它可以耐受普通蛋白质酶的降解。γ—聚谷氨酸通常由5000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，不同分子量大小的γ—聚谷氨酸可以应用于不同的领域[1]。对于微生物合成的γ—聚谷氨酸，可以通过调控发酵条件，使合成反应向着预期的方向进行。最早于1937年lvanovic等发现炭疽芽孢杆菌的荚膜物质的主要成分是D-谷氨酸的聚合物。而1942年Bovafllick等首次发现枯草芽孢杆菌能够产生L-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—聚谷氨酸是一种水溶性的、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[2]。 1．γ—聚谷氨酸的微生物合成 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[3]。化学合成法的合成路线长、副产物多、收率低、难度大，尤其是含20个氨基酸以上的纯多肽合成。因此无工业应用价值。提取法是用用乙醇将纳豆中的PGA分离提取出来。日本生产γ—PGA多采取提取法，但是由于纳豆中所含的γ—聚谷氨酸浓度甚微，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。相比于以上两种方法微生物合成法具有成本低，工艺相对简单，产量高等的优点，对于实现γ—聚谷氨酸的工业化生产具有难以比拟的优势。但是目前由于至今γ—聚谷氨酸的合成的分子机制研究的尚不清楚以及并未筛选出适于工 业化发酵生产的高产菌株，因此γ—聚谷氨酸的生物合成还面临许多问题。
题目聚谷氨酸的生物合成及应用姓名学号曹明乐 3120104732 专业年级化工1201
聚谷氨酸的生物合成及应用 摘要：本文主要介绍了绿色高分子材料γ-聚谷氨酸的在工业上的生物合成及其在生活与工农业方面的应用。关键词：γ-聚谷氨酸；微生物合成；应用 引言 随着材料科学和聚合物化学等相关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，也就是人们愈发关注的“白色污染”。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。 近年来日本从一种常用食品----纳豆的黏液中提取出的γ-聚谷氨酸，开始引起人们的重视。其最早发现于1913年，是一些芽孢杆菌的荚膜结构的主要成分，是一种生物自然合成的聚酰胺原料。由于γ-聚谷氨酸具有增稠、成膜、保湿、黏合、无毒、水溶及生物可降解等性能，适用于食品、化妆品、生物医学和环境保护等领域，特别是近年来随着对γ-聚谷氨酸的深入研究，γ-聚谷氨酸作为一种高分子生物制品，愈来愈显现出广阔的研究及应用前景。 1γ-聚谷氨酸的生物合成 1.1分子结构 1.2制备方法 γ-聚谷氨酸的制备方法主要有三种，即化学合成法、提取法和微生物发酵法。较之前两种，微生物发酵法简单方便，容易控制和操作，并且γ-聚谷氨酸的产率高，适于工业大规模生产。因此本文主要介绍微生物发酵法。
1.2.1γ-聚谷氨酸的制备 微生物发酵法在近几年得到了快速的发展和广泛的应用，主要体现在菌种的多样化、发酵方式与底物的多样化和添加剂的多样化。 目前应用于γ-聚谷氨酸生产的菌种主要是枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和纳豆芽孢杆菌。随着分子生物学及基因工程的发展，菌种筛选不仅停留在从自然界中获得高产菌，基因工程和诱变育种也得到了广泛的使用。比如采用紫外、亚硝基胍以及γ射线对其进行复合诱变获得一株γ-聚谷氨酸高产突变株，在基础培养基中产量约是出发菌株的 3.11 倍。 常规的微生物发酵方法有液体发酵法和固体发酵法，在生产γ-聚谷氨酸时常用的是液体发酵培养。目前γ-聚谷氨酸常用的发酵生产培养基是E-培养基，国内很多研究单位对培养基的优化进行了研究，比如利用纳豆芽孢杆菌接种到处理过的大豆中，然后保湿 1~2 昼夜后用生理盐水提取纳豆芽孢杆菌分泌在大豆表面的γ-聚谷氨酸，依次经过超滤、乙醇沉淀得到产品，同时也可以得到纳豆激酶和维生素 K2副产品。为了降低生产成本，也可以以大豆加工的副产物豆粕为主要培养基，并加入 4 倍水及2%葡萄糖。 在利用枯草芽孢杆菌 NX-2 发酵生产γ-聚谷氨酸时，向培养基中添加甘油、吐温-80和二甲亚砜，不仅能提高产量，同时还能降低γ-聚谷氨酸的相对分子质量。其既可以降低发酵液的粘度也能改变细胞膜的通透性促进菌体吸收营养成分，从而不但促进了菌体的生长还能刺激的γ-聚谷氨酸的合成。在工业化生产中，宜用柠檬酸作碳源，可降低生产成本。其中Mn2+和Mg2+对于提高γ-聚谷氨酸的产率也有很大的影响。 1.2.2γ-聚谷氨酸的分离提取 通过微生物发酵得到高黏度的发酵液，可用有机溶剂沉淀法、化学沉淀法和膜分离沉淀法获得γ-聚谷氨酸。 有机溶剂沉淀法是在生物制品的制备中应用最为广泛的一种沉淀方法，通常是向含有目标产物的水溶液中加入一定量亲水性的有机溶剂，能显著降低蛋白质等生物大分子的溶解度，使其沉淀析出。提取γ-聚谷氨酸常用的有机溶剂有甲醇、乙醇和丙酮。实验室操作的一般流程为：发酵液通过离心弃去菌体沉淀，包含γ-聚谷氨酸的上清液加入一定体积预冷的有机溶剂，放置一段时间后，沉淀物通过离心收集，通过冻干得到粗产品。粗产品溶解在蒸馏水中，用蒸馏水反复透析数小时，透析液经过冷冻干燥得到纯品。 化学沉淀法利用的是盐析原理，向待提取液中加入一定量的无机盐或无机盐溶液使目标产物沉淀下来。下图为化学沉淀法流程。
微生物絮凝剂 摘要：微生物絮凝剂是一种具有广阔应用前景的天然高分子絮凝剂，因其具有高效、无毒、无二次污染等性质而备受人们的关注，并广泛应用于水处理、食品加工和发酵工业。本文综述了微生物絮凝剂的研究与应用进展，包括合成絮凝剂的微生物种类、微生物絮凝剂的分类及特点、结构、微生物絮凝剂的絮凝机理和絮凝能力的影响因素，最后提出了微生物絮凝剂的发展趋势。 关键词：微生物絮凝剂；絮凝机理；研究进展 絮凝剂被广泛地应用于工业废水处理、食品生产和发酵等工业中。一般把絮凝剂分为3 类：1、无机絮凝剂，如硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等；2、有机合成高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺及其衍生物、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸盐等；3、天然高分子絮凝剂，如改性淀粉、聚氨基葡萄糖、壳聚糖、藻酸钠、几丁质和微生物絮凝剂[1]。 人们逐渐认识到：无机絮凝剂一般使用量较大，容易造成二次污染。如水中残留铝离子过多，不但对水生生物和植物有害，还可造成老年人的铝性骨病及痴呆症。铁离子虽对人体无害，但铁离子会使处理的水呈现红色，并刺激铁细菌繁殖，从而加速对金属设备的微生物腐蚀。目前使用的PAM 等高分子有机絮凝剂，通常价格昂贵，在水中的残留物不易降解，而且有些聚合物单体具有毒性和致癌作用。随着人们生活水平的提高，以及对卫生及环境的关注，急需研究和开发絮凝效果好、价格低廉、易降解、环境友好、应用范围广、无二次污染的新型絮凝剂。 当今国内外对絮凝剂研究和发展方向是由无机向有机、低分子向高分子，单一向复合、合成型向天然型发展。基于生物多样性，开展了微生物絮凝剂的研究。微生物絮凝剂是一类由微生物在生长过程中产生的，可以使水体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等凝集、沉淀的特殊高分子聚合物。是一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、廉价的水处理剂，近些年来受到极大关注, 有逐步取代传统絮凝剂的趋势[2]。 1 合成絮凝剂的微生物种类 能产生絮凝剂的微生物有很多种类，细菌[3，5]、放线菌[4]、真菌[5]以及藻类[6]等（见表1）都可以产生絮凝剂。这些已经鉴定的絮凝微生物，大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中，从这些微生物中分离出的絮凝剂不仅可以用于处理废水和改进活性污泥的沉降性能，还能用在微生物发酵工业中进行微生物细胞和产物的分离。 表1 一些能产生絮凝剂的微生物
微生物絮凝剂的介绍、应用及前景 微生物絮凝剂的介绍 微生物絮凝剂是80年月后期讨论开发的第三类絮凝剂，是一类由 微生物产生的具有絮凝剂活性的代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、 蛋白质、纤维素和DNA以及有絮凝剂活性的菌体等。该絮凝剂是利 用生物技术，通过微生物发酵、抽取、精制而得到的一种新型、高效、廉价的水处理剂，是一种无毒的生物高分子化合物。 国外关于微生物絮凝剂的报道主要有AJ7002微生物絮凝剂、 PF101絮凝剂和NOC1絮凝剂等。相对经典的胶体系絮凝剂机理而言，生物系絮凝剂絮凝机理还不是很清晰，比较有代表性的絮凝机理包 括胞外聚合物桥架学说、电性中和学说、体外纤维素纤丝学说，荚 膜学说、疏水学说等。 目前一般以为，生物高分子絮凝剂主要通过桥架作用和电中和作用，使颗粒和细胞聚合，其它的絮凝作用机理如网扑作用，粒质说 等可解释部分絮凝现象。实际上，絮凝是一个简单的过程，由于絮 凝剂的种类和浓度、分子构型、分子量大小、胶体表面性质、pH等 因素均能影响其絮凝性能。 微生物絮凝剂具有絮凝范围广、絮凝活性高、平安、无害、无污染、脱色效果独特等特点，加上絮凝剂产生菌的种类多、生长快、 易于实现工业化，微生物絮凝剂的讨论正成为当今世界絮凝剂方面 讨论的重要课题。
微生物絮凝剂的优点 1、高效性。同等用量状况下，微生物絮凝剂的使用效率明显高于 常规絮凝剂。 2、平安无毒。采纳微生物絮凝剂处理食品废水，即可回收有用成分，又可削减排污量，是食品德业废水处理的进展趋势。 3、无二次污染。微生物产生的絮凝剂成分简单多样，随菌种的不 同而不同，具有可生化性，能够自行降解，因而不会带来二次污染。 4、脱色效果显著。对畜产废水、泥浆废水、染料废水等有极好的 絮凝及脱色效果。5、投放量相对较少。使用少量的微生物絮凝剂， 就能实现大面积净化作用。6、热稳定性强。有的微生物絮凝剂还具 有不受PH条件影响，用量少等特点。 微生物絮凝剂絮凝机理 微生物絮凝剂是带电荷的生物大分子，其絮凝机理主要是吸附架 桥作用、电中和作用、卷扫作用。 1、吸附架桥作用：絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力， 同时吸附多个胶体粒子，在颗粒间产生架桥作用，从而形成网状三
聚谷氨酸 γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是由D-型或 L-型谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基形成酰胺键而连接成的大分子化合物，可以归类于聚酰胺类化合物。结构式如图1所示。 γ-聚谷氨酸主链上含有大量游离羧基, 可发生交联、螯合、衍生化等反应, 具有强水溶性、生物相容性、生物降解性等。 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。 合成方法特点 传统多肽合成法 工艺路线长、副产物多、收率低，成本高。 二聚体缩聚 提取法合成由于纳豆中所含的γ-聚谷氨酸浓度甚微，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。 酶转化法合成工艺路线周期短和简单，容易大规模生产。但是得到的产物分子量小，而γ-PGA的许多物理化学性质与其高分子量密切相关，因而该法无实际生产应用价值。 微生物发酵法微生物发酵法工艺简单，适合大规模生产。
应用 1.医药 新型药物载体：聚氨基酸已用作缝合材料、人工皮肤和药物控释体系。生物医用高分子材料：主要用于药物释放和送达载体及非永久性植 入装置；作为外用药物的载体，γ- PGA 与明胶有较好的兼容性，适用制作外科及手术用的粘胶剂、止血剂及密封剂。 2.食品工业中的应用 在淀粉类食品中加入γ- PGA 可以防止食品老化，增强质地、维持外形。γ- PGA 还用作冰淇凌的稳定剂、果汁的增稠剂、各种食品的苦味祛除剂、保健食品、安定剂或作为添加剂改善口感。 3.农业 由于γ- PGA 既具有生物可降解性、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。另外，在肥料、杀虫剂、除草剂、驱虫剂等使用时，加入适量的)，γ- PGA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、下雨而被冲刷掉。 4.工业 γ- PGA 能吸附重金属和放射性核素。生物高分子絮凝剂，不仅用在水处理领域，还可用于饮用水处理、食品和发酵工业等行业。 5.化妆品与日化用品 γ- PGA 可作为化妆品支持材料、皮肤保湿剂、表皮因子缓释剂、天然美容面膜等。PGA 可作为高级皮革制品处理剂、保湿剂等。
微生物絮凝剂的研究进展及应用现状 微生物絮凝剂的研究进展及应用现状 绪论 微生物絮凝剂是一种能够促使悬浮液中微小悬浮颗粒结合成较大颗粒的生物产物。由于其高效、环保、低成本等优点，近年来受到了科研工作者的广泛关注。本文将从微生物絮凝剂的研究进展、应用现状以及未来的发展方向等方面进行分析和探讨。 一、微生物絮凝剂的研究进展 1. 研究方法 微生物絮凝剂的研究主要通过从自然环境中分离出具有絮凝能力的微生物菌株，并通过培养和筛选等方法获得原料菌株。随着分子生物学和生物工程技术的快速发展，研究者们可以通过基因克隆和重组技术来改良和合成新的微生物絮凝剂，提高其絮凝效果和使用寿命。 2. 絮凝机理 微生物絮凝剂的絮凝机理主要包括生物胶凝、表面吸附和胞外多糖等。其中，生物胶凝是指微生物细胞通过分泌胶态物质使悬浮颗粒聚集在一起；表面吸附是指微生物细胞表面的特异性吸附作用，使悬浮颗粒结合在细胞表面上；胞外多糖是微生物细胞分泌的聚合物，能够与悬浮颗粒发生化学反应，形成较大的絮凝群。 二、微生物絮凝剂的应用现状 1. 污水处理领域 微生物絮凝剂在污水处理中具有较为广泛的应用。通过加入微生物絮凝剂，可以促使悬浮颗粒聚集成大颗粒，便于沉淀或过滤，从而达到净化水质的目的。此外，微生物絮凝剂还可以降
低处理过程中的能耗和化学药剂的使用量，具有较好的环保效益。 2. 污泥脱水领域 污泥脱水是污水处理过程中重要的一环。微生物絮凝剂作为一种生物脱水剂，可以与污泥中的水分结合形成饼状物，在离心或压滤后将水分从污泥中分离出来。相比于传统的化学脱水剂，微生物絮凝剂具有较低的成本和较好的环境友好性。 三、微生物絮凝剂的未来发展方向 1. 结合纳米技术 利用纳米技术来改善微生物絮凝剂的絮凝效果是未来的一个发展趋势。通过调控微生物絮凝剂中纳米颗粒的形态和结构，可以提高絮凝效率和抗腐蚀性能，拓宽微生物絮凝剂的应用范围。 2. 基于遗传工程的改良 通过遗传工程技术，可以改良微生物细胞内的絮凝相关基因，提高微生物絮凝剂的絮凝效果和稳定性。此外，遗传工程还可以设计并合成全新的微生物絮凝剂，使其具有更广泛的适应性和更高的絮凝效率。 结论 微生物絮凝剂作为一种具有潜力的新型生物絮凝剂，在水处理领域具有广阔的应用前景。随着研究方法的不断改进和技术的不断推陈出新，相信微生物絮凝剂将在未来得到更广泛的应用，为环境保护和可持续发展做出更大的贡献 综上所述，微生物絮凝剂在水处理领域具有重要的应用前景。它不仅可以高效地去除悬浮物和胶体颗粒，降低处理过程中的能耗和化学药剂的使用量，还可以在污泥脱水领域发挥重要作用。此外，结合纳米技术和遗传工程的发展，微生物絮凝
聚谷氨酸 百科名片 聚谷氨酸分子式 聚谷氨酸（γ-PGA），它是一种水溶性，生物降解，不含毒性，使用微生物发酵法制得的生物高分子。γ-PGA聚谷氨酸是一种有粘性的物质，在“纳豆” ——发酵豆中被首次发现。γ-PGA聚谷氨酸是一种特殊的阴离子自然聚合物，是以α - 胺基( α -amino) 和γ - 羧基( γ -caboxyl ) 之间经酰胺键结(amide linkage) 所构成的同型聚酰胺(homo-polyamide)γ -PGA的分子量从5万到2百万道尔顿不等。 中文名称 聚谷氨酸、纳豆菌胶或多聚谷氨酸 英文名称 POLY-L-GLUTAMIC ACID 2'000-15'000 英文同义词 POLY-L-GLUTAMIC ACID 15'000-50'000 SODIUM SALT;POLY-L-GLUTAMIC ACID 2'000-15'000;POLY-L-GLUTAMIC ACID 50'000-100'000SODIUMSALT;L-GLU-(L-GLU)N-L-GLU;alpha-l-glutamicaci dpolymer;glutamicacidpolymer;l-gamma-polyglutamicacid;l-glutamica cid,homopolymer;l-glutamicacidpolymer;l-glutamicacipeptides;poly( alpha-l-glutamicacid);poly-l-glutamate;Polu-L-glutamic acid 2000-15000;G-poly glutamic acid 其他基本信息 CBNumber: CB2132778 分子式 L-Glu-(L-Glu)n-L-Glu 分子量: 70万单位 CAS号: 25513-46-6
利用味精废水培养枯草芽孢杆菌产γ-聚谷氨酸及初步表征张彦丽 【期刊名称】《生态环境学报》 【年(卷),期】2018(027)010 【摘要】味精废水是一种高浓度有机废水,具有酸性强、高COD、高BOD、高硫酸根、高菌体含量和低温等特点,其中含有大量的L-谷氨酸、还原糖与氨氮,如果任其排放不仅浪费了宝贵资源,而且会造成严重的环境污染.实验利用味精废水作为培养基,培养枯草芽孢杆菌168得到产物γ-聚谷氨酸,对于探索味精废水的资源化利用途径和降低微生物法合成γ-聚谷氨酸的生产成本具有积极意义.单因素实验研究了培养条件对枯草芽孢杆菌168生长和γ-聚谷氨酸产量的影响,结果表明,味精废水浓度、初始pH、接种量和培养时间对枯草芽孢杆菌168生长和γ-PGA产量具有重要的影响.通过Box-Behnken响应面法进一步优化了枯草芽孢杆菌168的培养条件,优化后的培养条件为:味精废水稀释倍数3.88,培养初始pH 5.84,50 mL味精废水接种量10.55 mL,在37℃、180 r·min-1条件下培养48 h,γ-聚谷氨酸的产量达到(53.51±0.92)g·L-1.茚三酮比色法确定粗产品中γ-聚谷氨酸含量为78.24％(质量分数).紫外扫描光谱分析显示检测样品中氨基和羧基的特点符合γ-PGA标准图谱特征,γ-聚谷氨酸的聚合键与蛋白质的肽键结构有明显区别,γ-聚谷氨酸是由γ-酰胺键聚合而成.傅立叶红外光谱和核磁共振分析显示,样品中含有酰胺基、羧基、羰基-CH、-CH2等基团.对紫外光谱、红外光谱和核磁共振结果进行综合分析,可以初步确定样品中存在酰胺键连接的多聚体结构,即γ-聚谷氨酸的结构.研究结果显示,利用味精废水培养枯草芽孢杆菌168得到产物γ-聚谷氨酸在技术上是可行的,
γ-聚谷氨酸应用研究进展 摘要：γ-聚谷氨酸是一种绿色环保型高分子聚合材料，具有良好的吸附性、保水性和生物可降解性。作为增稠剂、保湿剂、药物载体、肥料增效剂等应用于 食品、日化、医药、农业生产和环保等众多领域，引起了国内外学者的广泛关注。本文重点论述了γ-聚谷氨酸的应用方向，并对γ-聚谷氨酸未来发展方向进行 展望，以期为进一步开发应用提供依据。 关键词：γ-聚谷氨酸；应用；展望 γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是由D-谷氨酸或L-谷氨酸聚合而成的一种天然多聚 氨基酸，具有较好的保水性、可食用性和生物可降解性，无毒且能够生物降解， 对人体和环境无害，应用范围非常广泛，极具研发和应用潜能。γ-PGA是一种高 聚物，随着对γ-PGA研究的不断深入，发现不同相对分子质量的γ-PGA的特性 与功能有所差异，也有着不同的应用范围，下文总结了不同相对分子质量的γ-PGA的相关应用[1]。 1 在食品中的应用 γ-PGA可以降解，因此能够作为食品添加剂，例如增稠剂，改善食品品质和 保鲜防腐等。γ-PGA还是一种优良的防冻剂，其性质优于常用的防冻剂。相比于 葡萄糖、无机盐等常用的小分子防冻剂，γ-PGA的味道更淡，对食品品质影响更小。研究表明，γ-PGA能够促进细胞内钙离子的吸收，可以作为营养助剂，提升 食品的商业价值。 2 在日化用品中的应用 γ-PGA是一种高聚物，具有超强的吸水性和缓释能力，可以用于化妆品保湿剂。γ-PGA的保湿效果优于透明质酸，在日本护肤品品牌中较常见。此外，γ-PGA还被广泛用于制作湿巾、卫生巾等卫生用品，既可以保湿又对人体无害[2]。 3 在医学中的应用
γ-PGA具有良好的亲水性，可其作为药物载体，提高药物的缓释性和靶向性。γ-PGA本身可降解，对人身体无害，还可以降低药物的毒副作用，增强药物稳定性。化疗药物会对病人健康细胞和癌细胞无差别破坏，将γ-PGA用于药物载体，可以提高载药量和稳定性，降低对人体的损伤[3]。γ-PGA可以作为载体，用于疫 苗研发γ-PGA还可以作为黏合剂，防止手术过程中的机体渗血。 4 在农业中的应用 4.1 保水剂 长期以来，土壤干旱和沙化严重影响我国农业的发展，土壤保水剂是近几年 来发展十分迅速的一种抗旱保水材料。高吸水树脂的应用日益受到研究学者的广 泛关注，吸水树脂与土壤结合，不仅可以改善土壤团粒结构，还能提高土壤的保 湿和保肥能力，在改造荒山、沙漠等工程中发挥积极作用。将γ-PGA吸水树脂 包埋种子，在缺水的沙地上进行绿化试验，实验发现种子可以正常发芽生长[4]。 4.2 增肥剂 γ-PGA作为肥料增效剂，可解决普通化肥养分利用率低、养分利用不高效的 问题，在农业生产中大量推广应用将会得到较好的经济和社会效益。γ-PGA肥料 增效剂经过近年来的农业生产实践，证实了它具有保护土壤养分，安全环保且无 二次污染的特点。在小麦、番茄、小青菜等农作物的种植应用中，提高了肥料利 用率，降低了生产成本，提高了农作物的产量和品质[5]。 4.3 酸碱平衡 γ-PGA对于调节土壤酸碱值具有一定的缓冲作用，能够有效的平衡土壤酸碱值，避免长期使用化肥造成的土壤酸化和板结现象，缓解土壤压力。将γ-PGA 施用于土壤酸化的苹果园中，发现γ-PGA能够显著提高土壤的pH值，改善因酸 化造成的果树病害，同时改善果实品质[6]。 4.4 抗逆
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】TQ929 γ-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。 聚谷氨酸(PGA)主要由D-谷氨酸和L-谷氨酸通过酰胺键聚合而成，由于聚合方式 不同，聚谷氨酸主要有两种构型:α-聚谷氨酸(通过α-酰胺键聚合，α-PGA)和γ-聚谷氨酸(通过γ-酰胺键聚合，γ-PGA)(结构式见图1和图2)［1］。从结构式可以 看出，α-PGA是由γ-酰胺键连接而成的直链分子，链之间存在大量的氢键，使得它具有良好的水溶性。γ-PGA中大量的游离羧基提供了阳离子结合的基团，使其 对金属离子有良好的吸附性。羧基也是容易发生酯化、交联等反应的活性基团，利用这一性质可以使γ-PGA与交联剂发生交联反应生成性能优良的吸水树脂;如果使羟基与某些药物成分的基团发生反应，γ-PGA可成为药物载体或缓释剂。 α-PGA主要由化学合成法得到，工艺复杂，副产物多，且得率低［1］;γ-PGA多由微生物发酵法得到，主要菌种为地衣芽孢杆菌属和枯草芽孢杆菌属，也有报道从其他菌种如古生菌［2］、细菌［3］和真核生物［4］发酵得到。微生物发酵法生产成本较低且生产过程对环境污染小，所以目前研究的重点多集中于γ-PGA。 γ-PGA最初由炭疽芽孢杆菌中发现，在高CO2浓度的诱导下，炭疽芽孢杆菌可产生γ-D-聚谷氨酸，产生的γ-D-聚谷氨酸附着在细胞壁上并在微生物细胞外面形成荚膜，炭疽芽孢菌株的毒性限制了其在工业上的应用［5］。巨大芽孢杆菌也可产生此类荚膜形式的γ-PGA［6］。微生物产生的此种γ-PGA可称为结合型γ-PGA。
γ-聚谷氨酸生产的影响因素及其应用 朱丹;邹水洋 【摘要】As a new kind of biological macromolecules,%γ-聚谷氨酸是一种新型生物高分子材料，以其强吸水性、可生物降解性、可食用性和对人类和环境无毒性等特点广泛的应用于医药、食品、农业、水处理、日用及化妆品的生产等领域。介绍了影响叫一聚谷氨酸生产的因素及其应用。 【期刊名称】《东莞理工学院学报》 【年(卷),期】2011(018)005 【总页数】5页(P44-48) 【关键词】γ-聚谷氨酸;生产;应用 【作者】朱丹;邹水洋 【作者单位】东莞理工学院化学与环境工程学院,广东东莞523808;东莞理工学院化学与环境工程学院,广东东莞523808 【正文语种】中文 【中图分类】TQ92 γ-聚谷氨酸 (poly-γ-glutamic acid，简称γ-PGA) 是由L-谷氨酸或D-谷氨酸通过γ-酰胺键结合形成的一种水溶性的生物高分子材料。由枯草芽孢杆菌发酵生产的γ-PGA的结构式如下［1］: 图1 γ-PGA的结构式
γ-PGA最早发现于1913年，是一些芽孢杆菌荚膜结构的主要成分，随后1937年Ivãnovics等发现了炭疽芽孢杆菌的荚膜含有γ-PGA，而自从1942年Bovamick 等发现γ-PGA作为种发酵产物能自由地分泌到枯草芽孢杆菌的生长培养基中后，人们发现多种芽孢杆菌都能在胞外产生γ-PGA［2］。 其分解温度为235.8℃，熔点为223.5℃。由芽孢杆菌产生的γ-PGA的平均分子 量在1×105～8×106之间，而多分散性在2～5之间。相对分子量越大，其流变 性很难控制也很难被化学试剂修饰，因而限制了γ-PGA的应用。目前用水解法、降解法及生物降解法，可得到不同分子量的γ-聚谷氨酸［1］。 1 γ-PGA的生产方法 γ-PGA的生产方法有以下四种:化学合成法、提取法、酶转化法和微生物发酵合成法。前三种方法工艺较复杂，成本高，不适合实际生产应用［3-4］。利用传统菌株进行微生物发酵合成γ-PGA是最常用的方法。自γ-PGA被发现以来，众多学 者相继开展了γ-PGA高产菌株的选育、代谢途径、发酵工艺、分离提纯以及应用的研究，但迄今为止仍处于实验室阶段，小试生产方法归纳起来主要有分批发酵法、连续发酵法、液体两相发酵法、搅拌罐反应器自循环发酵法、固体发酵法和固定化酶法等，分批发酵法简单方便，易操作和控制，周期较短，因此在实验室研究中较为广泛［3］。党建宁等则研究了补料分批发酵方式对聚谷氨酸产量的影响，在较低玉米糖化液、氮源、前体物浓度条件下进行全组分补料，结果比分批发酵方式的γ-PGA产量提高了43.1%(质量分数)［5］。本课题组利用纳豆芽孢杆菌进行液态与固态发酵生产γ-PGA的系列研究，并达到了较高的生产水平 (研究结果另文发表)。 1.1 γ-PGA的主要生产菌株 γ-PGA的生产菌主要是芽孢杆菌属的菌株，包括各种 (纳豆)枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌 (B.licheniformis)、炭疽芽孢杆菌 (B.anthracis)。
γ-聚谷氨酸对土壤环境的影响研究进展 张静;程圆;李静;蔡炎梁 【摘要】γ-聚谷氨酸是一种由微生物合成的阴离子自然聚合物，因其具有良好的水溶性，超强的吸附性，无毒无害，能彻底被生物降解而成为新一代的环保材料。从土壤环境的改良、污染前的预防和污染后的修复三个方面对其进行综 述。%Poly-γ-glutamic acid (γ-PGA), produced by microorganism, is a kind of anion natural polymer. It becomes a new generation of environmental protection material since its good water solubility, super adsorption, nonpoisonous and harmless, can be completely biodegradable. The effect of γ-PGA on soil environment improvement, pollution prevention and pollution repair are reviewed. 【期刊名称】《农技服务》 【年(卷),期】2014(000)012 【总页数】3页(P4-6) 【关键词】土壤环境;γ-聚谷氨酸;改良;预防;修复 【作者】张静;程圆;李静;蔡炎梁 【作者单位】安徽司尔特肥业股份有限公司，安徽宣城 242200; 安徽农业大学茶与食品科技学院，安徽合肥 230000;安徽司尔特肥业股份有限公司，安徽宣城242200;安徽司尔特肥业股份有限公司，安徽宣城 242200;安徽司尔特肥业股份有限公司，安徽宣城 242200
以Glu、Lys为原料，采用化学合成法生产聚谷氨酸、聚赖氨酸一、γ-聚谷氨酸 γ-聚谷氨酸（γ-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α-氨基和γ-羧基形成肽键的高分子聚合物，即由多种杆菌(B acillus species)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-γ-谷氨酸 英文名称：poly-γ-glutamic acid，简称PGA 聚谷氨酸的结构式： 聚谷氨酸的分子量：γ -PGA的分子量从5万到2百万道尔顿不等。 聚谷氨酸的性质：游离酸型的γ-聚谷氨酸p Kα值约为2.23，与谷氨酸的α羧基的大体一致，能够溶于二甲亚砜、热的N，N一二甲基酰胺和N一甲基吡咯烷酮。金属盐(钠型)的γ-聚符氨酸的比旋光度约为-7.0 (C=1.0，H20)。γ-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γ-PGA合成酶系催化D- 和L-谷氨酸通过γ-谷氨酰胺键连接而成。这种由杆菌产生的胞外多肽-γ-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γ-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，γ-聚谷氨酸是一种阴离子异形肽，分子量约为2.7×105。分子中的氢键对γ- 聚谷氨酸的高水溶性起着关键作用。
聚谷氨酸的生产方法： γ-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。 （1）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α-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-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γ-PGA。 由于方法的局限性，化学方法合成的α-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γ-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γ-PGA结构和功能关系的了解、γ-PGA合成酶反应机制的分析及γ-PGA实际应用修饰技术的发展等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γ-PGA合成的反馈阻遏作用，从而使γ-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