_聚谷氨酸生产技术及应用

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。

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[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。

一、概述医用聚谷氨酸（PGA）作为一种生物降解材料，在医学领域具有广泛的应用前景。

其具有良好的生物相容性和可降解性，是一种理想的医用高分子材料。

本文将重点探讨医用聚谷氨酸及其材料制品的关键技术研发以及应用示范。

二、医用聚谷氨酸的特性1.生物相容性医用聚谷氨酸具有良好的生物相容性，可以与人体组织兼容、无毒无害，不易引起排异反应，适合用于医学领域。

2.可降解性医用聚谷氨酸是一种可降解的高分子材料，它可以在体内逐渐分解并被代谢排出，不会对人体造成长期的影响，符合生物降解材料的可持续利用特点。

3.生物活性医用聚谷氨酸具有一定的生物活性，可用于修复组织、支持细胞生长等医学应用领域。

三、医用聚谷氨酸材料制品的关键技术研发1.合成工艺医用聚谷氨酸的合成工艺是关键技术之一，目前主要采用微生物发酵法和化学合成法两种途径。

微生物发酵法具有环保、效率高、投入少等优点，但目前仍需不断改进提高产率和纯度；化学合成法则需要解决废弃物处理和环境污染等问题。

2.改性与功能化为了提高医用聚谷氨酸材料的性能，研究人员进行了大量的改性与功能化研究，包括表面改性、共混改性、接枝共聚等技术，以期改善其机械性能、稳定性和生物活性。

3.材料加工医用聚谷氨酸材料加工技术的研发对于制备各种医用产品至关重要，如支架、缝线、修复膜等。

目前，研究者们正努力探索新的加工工艺，以满足不同医学需求。

四、医用聚谷氨酸材料制品的应用示范1.生物医用器械医用聚谷氨酸材料可以制备各种生物医用器械，如骨修复材料、软组织修复材料、药物缓释载体等。

这些器械具有良好的生物相容性和可降解性，适用于各种临床应用。

2.组织工程医用聚谷氨酸材料在组织工程领域也有着广泛的应用，可以制备支架、膜、微球等材料，用于细胞培养、组织修复和再生医学研究。

3.药物缓释医用聚谷氨酸材料具有较大的比表面积和多孔结构，可以作为药物缓释载体，用于慢释、定向释放药物，提高药物的生物利用度和疗效。

五、结语医用聚谷氨酸及其材料制品的关键技术研发以及应用示范具有重要的理论和实际意义。

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。

南开大学科技成果——聚谷氨酸的微生物合成及其
应用研究
成果简介：
微生物合成的γ-聚谷氨酸为均聚氨基酸化合物，分子量在100-1000kDa之间，相当于500-5000个左右的谷氨酸单体，具有优良的成膜性、成纤维性、阻氧性、可塑性、粘结性和极其强的吸水性，从而在高分子材料工程中具有增稠、乳化、凝胶、成膜、保温、缓释、助溶、粘结和强吸水等功能。

作为一种生物材料，γ-PGA又具有生物可降解性好、可食、对人体和环境无毒害等优点，因而在食品、化妆品、医药、农业和水处理等领域具有广泛的应用前景。

知识产权情况：
专利技术：一种提高水溶性高聚物发酵产率的方法（申请号：200910068715.X，公开号：CN101544949），解决了水溶性高聚物发酵液粘度过高，发酵效率低下的问题。

专利技术：“一株非谷氨酸依赖型γ-聚谷氨酸合成菌及其发酵方法”（专利申请号：200810053900.7公开号：CN101508962）实现了
从糖类出发一步法合成γ-聚谷氨酸，使得生产成本大大降低。

授权专利：用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法（授权号：ZL200510014734.6）采用聚合物交联技术以聚谷氨酸为原料制备绿色高强吸水剂，吸水倍率达到了2000-4000倍。

聚谷氨酸研究报告聚谷氨酸是一种新型的高分子材料，具有极高的拉伸强度和模量，同时也具有优异的耐热性和耐腐蚀性。

本文主要介绍了聚谷氨酸的制备方法、性质以及应用领域，并对其未来的发展进行了展望。

一、引言聚谷氨酸是一种由天然氨基酸谷氨酸聚合而成的高分子材料，其结构与天然蛋白质非常相似。

与传统的合成高分子材料相比，聚谷氨酸具有许多优异的性质，例如高拉伸强度、高模量、耐热性和耐腐蚀性等。

因此，聚谷氨酸在材料科学、生物医学和环境保护等领域具有广泛的应用前景。

二、制备方法聚谷氨酸的制备方法主要包括化学合成和生物合成两种方式。

化学合成方法是通过在含有谷氨酸单体的溶液中加入聚合催化剂，如N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）或N,N'-二甲基丙烯酰胺（DMAA），将单体聚合成高分子。

该方法制备的聚谷氨酸具有较高的分子量和较好的机械性能，但存在环境污染和成本较高的问题。

生物合成方法是利用微生物或植物等生物体内的谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的聚合，生成聚谷氨酸。

该方法具有环保、成本低等优点，但制备的聚谷氨酸分子量较低，机械性能相对较差。

三、性质聚谷氨酸具有许多优异的性质，主要包括以下几个方面：1. 高拉伸强度和模量：聚谷氨酸的拉伸强度和模量分别为传统合成高分子材料的2-3倍和4-5倍，具有较高的强度和刚度。

2. 耐热性：聚谷氨酸的热稳定性较好，在高温下仍能保持较好的机械性能。

3. 耐腐蚀性：聚谷氨酸具有较好的耐酸碱性和耐盐蚀性，适用于海洋环境和化学工业等领域。

4. 生物相容性：由于聚谷氨酸的结构与天然蛋白质非常相似，因此具有较好的生物相容性，适用于生物医学领域的应用。

四、应用领域聚谷氨酸具有广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1. 材料科学：聚谷氨酸可用于制备高强度、高刚度的复合材料，适用于航空航天、汽车、建筑等领域。

2. 生物医学：聚谷氨酸具有良好的生物相容性和可降解性，可用于制备生物医用材料，如人工骨、人工血管等。

聚谷氨酸在猪上的应用
聚谷氨酸是一种氨基酸聚合物，通常被用作饲料添加剂，以提
高动物的生产性能和健康状况。

在猪的饲料中添加聚谷氨酸可以带
来多方面的益处。

首先，聚谷氨酸可以作为一种优质的氨基酸补充剂，有助于提
高猪的生长性能。

它能够提高饲料的氨基酸含量，从而促进猪的蛋
白质合成和生长发育，提高体重增长速度和肉质品质。

其次，聚谷氨酸还可以改善饲料的氨基酸平衡，提高饲料的利
用率。

这对于降低饲料成本、提高饲料的营养价值和减少对环境的
污染都具有积极意义。

通过添加聚谷氨酸，可以更好地满足猪对氨
基酸的需求，减少对其他蛋白质来源的依赖，提高饲料的经济效益。

此外，聚谷氨酸还可以改善猪的免疫功能和抗应激能力。

它可
以促进肠道健康，增强猪的抵抗力，减少因应激而引起的生长停滞
和疾病发生率，提高猪的生产性能和健康状况。

总的来说，聚谷氨酸在猪饲料中的应用可以带来多方面的益处，包括促进生长、提高饲料利用率、增强免疫功能等。

然而，在使用
聚谷氨酸时，需要根据猪的生长阶段、饲料配方和营养需求等因素进行合理的添加，以确保其最大限度地发挥作用。

同时，需要严格控制添加量，避免过量使用造成不良影响。

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。

γ—聚谷氨酸的产生菌主要是芽孢杆菌属的细菌[4]。