背景及概述^[1][2]

聚谷氨酸[ployglutamic acid，簡稱為聚谷氨酸]是以谷氨酸為唯一單體的共聚高分子聚合物。聚谷氨酸最早發(fā)現(xiàn)于1937年。研究人員在炭疽芽孢桿菌(Bacillus anthracis)與糖化菌(Bacillus mesentericus)的細胞莢膜中發(fā)現(xiàn)聚谷氨酸，是某些微生物莢膜的主要成分之一。后期日本研究者在枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和納豆桿菌(Bacillus natto)中也發(fā)現(xiàn)聚谷氨酸。

迄今為止，以味之素株式會社、明治制果公司和廣崎大學為代表的國外單位對聚谷氨酸的性能，合成和應用做了較深入地研究，γ型聚谷氨酸已有商業(yè)產(chǎn)品，我國在這方面研究的相對較少，直到近幾年才有學者對聚谷氨酸的合成與性能做了基礎(chǔ)性的研究。因此加強聚谷氨酸的研究，特別是對下游加工提取過程系統(tǒng)研究，構(gòu)建可降解生物高分子的一個研究的平臺，具有重要的理論價值和應用價值。

性質(zhì)

聚谷氨酸屬于聚酯類聚合物，是一種新型的完全生物降解性高分子材料。生物降解性材料是指通過自然界微生物(細菌、真菌等)作用而發(fā)生降解的高分子物質(zhì)。該種材料降解的產(chǎn)物無毒無害，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，近年來這種高分子材料的開發(fā)研究得到了飛速發(fā)展。聚谷氨酸由L-或/和D-谷氨酸通過谷氨酰鍵連接而成，不同的微生物合成的立體化學結(jié)構(gòu)和分子量不同，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的主要有三種立體化學結(jié)構(gòu)：D-谷氨酸組成的均聚物(D-PGA)，L-谷氨酸組成的均聚物(L-PGA)，D-型和L-型谷氨酸組成的共聚物(DL-PGA)。

作為一種水溶性脂肪族聚酯，聚谷氨酸分子中有大量的游離的親水性羧基，因此聚谷氨酸具有高度的水溶性、生物相容性、生物可降解性、生物可吸收性、無免疫原性和可化學衍生性，聚谷氨酸可在酸性水溶液中(如胃酸環(huán)境下)自發(fā)或在酶的促進下降解為小分子谷氨酸，而谷氨酸單體可參與三羧酸循環(huán)被人體吸收，并無任何毒副作用。聚谷氨酸分解或燃燒后，最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，可被植物吸收，對環(huán)境無毒無害。

聚谷氨酸在體內(nèi)環(huán)境下受生物酶的作用，會降解生成無毒的短肽、小分子或氨基酸單體，在自然環(huán)境中，會受到微生物的作用而降解；在生理功能方面可防止細胞脫水、保護細胞免受蛋白酶的降解；在放射線照射下，聚谷氨酸會發(fā)生分子間的結(jié)合，提高吸水性能，由此可開發(fā)出一種強吸水性的生物樹脂。此外，由于聚谷氨酸易在冷水中分散，可制成水凝膠，聚谷氨酸水凝膠有良好的粘彈性，并在一定范圍內(nèi)具有耐高溫，耐酸、堿、鹽，耐滲透壓，抗凍融等優(yōu)良特性。

聚谷氨酸

應用^[3]

聚谷氨酸是谷氨酸單體以酰胺鍵聚合而形成的同質(zhì)多肽。它具有水溶性，可生物降解，不含毒性，可廣泛應用于食品工業(yè)、化妝品、保健、水處理、廢水處理、衛(wèi)生用品、醫(yī)療等領(lǐng)域，例如可以用作為增稠劑、冷凍保護劑、緩釋劑、藥物載體、生物粘合劑、保濕劑、生物可降解纖維、高吸水性樹脂、生物絮凝劑和重金屬離子吸收劑等。

制備^[2]

聚谷氨酸的生產(chǎn)方法主要有化學合成法、提取法和微生物發(fā)酵法三種方法?；瘜W合成方法包括傳統(tǒng)的肽合成法和二聚體縮聚法。兩種化學合成法都只能合成相對分子質(zhì)量為5000～20000的小分子聚谷氨酸甲基酷，經(jīng)堿性水解變成小分子聚谷氨酸。化學合成法難度很大，后續(xù)分離提純成本高，沒有工業(yè)應用價值。提取法來制取聚谷氨酸起源與日本納豆產(chǎn)業(yè)。

早期，日本生產(chǎn)聚谷氨酸大多采用提取法，用乙醇將納豆中的聚谷氨酸分離提取出來。由于納豆中所含的聚谷氨酸濃度甚微，且有波動，因此，提取工藝十分復雜，生產(chǎn)成本甚高，同樣難以大規(guī)模生產(chǎn)。微生物發(fā)酵制取聚谷氨酸是現(xiàn)在最有可能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的方法。聚谷氨酸微生物發(fā)酵制取聚谷氨酸生產(chǎn)方法主要有分批發(fā)酵法、連續(xù)發(fā)酵法、液體兩相發(fā)酵法、攪拌罐反應器自循環(huán)發(fā)酵法、固體發(fā)酵法和固定化酶法等6種方法，分批發(fā)酵法簡單方便，容易操作和控制，在工業(yè)小試階段容易得到較純的樣品。分批發(fā)酵制取聚谷氨酸工藝，菌種方面現(xiàn)主要發(fā)現(xiàn)地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)和枯草芽孢桿菌(B.subtilis)具有較高的聚谷氨酸合成能力。

生物發(fā)酵合成聚谷氨酸具有突出的優(yōu)點，通過芽孢桿菌發(fā)酵，產(chǎn)物均為聚谷氨酸型、產(chǎn)物分子量高、生產(chǎn)條件溫和、生成產(chǎn)物純度較高，微生物發(fā)酵得到的聚谷氨酸分子量可達100KD～1000KD，相比于化學合成法制取成本也大大減少，是唯一適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)聚谷氨酸的方法。但微生物發(fā)酵生產(chǎn)聚谷氨酸產(chǎn)量不高，內(nèi)含大量雜蛋白和多糖，分離純化困難，特別是在采用地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)發(fā)酵生產(chǎn)聚谷氨酸的過程中，高粘度的發(fā)酵液除菌體一直是不容忽視的重要問題，也是造成聚谷氨酸生產(chǎn)成本巨大的重要原因。

聚谷氨酸是一種胞外產(chǎn)物，其發(fā)酵液很黏，用一般的離心法去除菌體很難，且不適用于工業(yè)大規(guī)模應用。為了降低去除菌體的能量消耗和節(jié)省用于沉淀的有機溶劑用量，DO.J.H等對原工藝進行優(yōu)化，提出了一種高效分離聚谷氨酸的方法。該方法由兩步組成：首先調(diào)PH至3.0使粘度降為原發(fā)酵液的1/6，再離心除菌體，這樣使得離心能量降為原來的17％；然后對去菌液回調(diào)至PH5.0，用中空纖維膜進行超濾，使得發(fā)酵液由原來的20g/L，濃縮至60g/L，提取所需的乙醇用量減少為原來的1/4，減低的提取聚谷氨酸的成本。但是這種方法，對纖維膜的要求極高，而且工業(yè)生產(chǎn)難以放大生產(chǎn)。

主要參考資料

[1] 游慶紅, 張新民, 陳國廣, 徐虹, & 歐陽平凱. (2002). γ-聚谷氨酸的生物合成及應用. 現(xiàn)代化工, 22(12), 56-59.

[2] 李晶博, 李丁, 鄧毛程, & 梁世中. (2008). γ-聚谷氨酸的特性、生產(chǎn)及應用. 化工進展, 27(11), 1789-1792.

[3] 黃金, & 陳寧. (2005). γ-聚谷氨酸的性質(zhì)與生產(chǎn)方法. 氨基酸和生物資源, 26(3), 4-8.