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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(Polyγ-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。

由于枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的易培育性和安全性，现在γ-PGA的生产大多

报道由此类菌株产生，表1中列出了一些产γ-PGA菌株的生产特性。γ-PGA一般

以游离形式直接分泌到培养基中，可静态发酵也可动态发酵，可称为游离型γ-

PGA。γ-PGA可作为细胞外营养物存储，可促进细胞膜的形成，在非常时期为微

生物提供生存所需，可防止噬菌体的侵袭，并在高盐环境下对金属离子进行包裹从

而对细胞具有保护作用。

根据细胞生长的营养要求是否需要谷氨酸，可以把γ-PGA产生菌分为两大类:一种

为谷氨酸依赖型［7］，如BacilluslicheniformisATCC9945［8］，B．subtilis

IFO3335［9］，B．subtilisF-2