聚谷氨酸的研究进展

1 聚谷氨酸简介

随着国家发展及人类社会进步，改善环境，使用清洁能源，发展对环境友好材料和开发改善环境问题的产品成为一种产业的趋势。聚谷氨酸作为一种聚氨基酸，具有聚氨基酸共同优点：良好的生物相容性；对人体及环境均无毒无害，可吸收；促进细胞生长和组织修复等，也促进了其研究进展。进入本世纪，国际知名公司开始进行聚谷氨酸的生产和应用研究，国内部分大学和研究所也积极开展了相关研究，国内更有数家企业开始计划聚谷氨酸的大规模生产。由于产业化研究的跟进，使得聚谷氨酸成为现阶段最受人们关注的生物制品之一。

聚谷氨酸全名为γ-Polyglutamic acidγ–PGA，缩写为γ-PGA，在国际化妆品上的命名为纳豆胶(NATTO GUM)，在欧盟、日本也称为plant collagen, collagene vegetale, phyto collage。在中国则称为纳豆菌胶或多聚谷氨酸、聚谷氨酸。它是通过以L-，D-谷氨酸为单体通过α-氨基和γ-羧基形成的酰胺键聚合而成的氨基酸聚合物，其聚合度约在500-5000之间，分子量分布在100kDa到1000kDa之间。分子式如图所示。

2聚谷氨酸的应用

聚谷氨酸作为一种可以通过微生物发酵得到的生物大分子，具有生物可降解性，生物相容性、可食用、无毒无害等优点。且由于具有大量游离羧基，也有一般聚羧酸的性质，极高的水溶性，吸水保湿性，对金属离子极好的吸附性，易于酯化及改性，被广泛运用于食品工业、化妆品、保健、水处理、废水处理、卫生用品、医疗行业以及水凝胶等领域。

2.1食品工业方面

1）食品冷藏防冻剂：作为带负电荷的肽链，聚谷氨酸具有较好的高抗冻性，可常用于食品冷藏防冻剂，防止冻融对食物的品质造成影响。

2）祛苦剂：减少氨基酸，无机盐，咖啡因等对食品造成的苦味。

3）降解物可促进小肠对矿物质的吸收，提高蛋壳硬度，减少脂肪堆积，同样有利于避免人体骨质疏松。

4）作为添加剂使用在淀粉食品（面包＆面条）可避免老化、改善食品的质地和保持食物的形状。

5）也可作为饮品的增稠剂，冰激凌的稳定剂及功能饮料改善口感使用等。

2.2化妆品行业

聚谷氨酸及其水凝胶作为天然高分子材料，适用于各类保养类化妆品及个人清洁系列产品。有着如下功效：

1）可提升皮肤天然保湿含量

2）提升皮肤长效高保湿的功效

3）促进皮肤组织弹性

4）具有皮肤美白功效

5）有效减少经皮肤散失水分

6）防止头发表面毛鳞片脱落，从而保护头发。

2.3农业方面

聚谷氨酸也发挥着举足轻重的作用。它可作为农药化学品的缓释载体，通过增加农药在作用对象表面的存在时间及活性成分的作用时间，加强农业化学品的作用效果，减少使用量，节约成本的同时，也可保护环境。聚谷氨酸本身也可作为新型液体肥料使用，增加植物对氮的吸收。此外，聚谷氨酸还可以改变土壤的团粒状态，增加土壤的保湿性，作为饲料添加剂，可增加动物对磷的吸收。

因其耐高温及絮凝作用，聚谷氨酸在环保行业常被用做生物絮凝剂，又因其对金属离子吸附能力较好，也常用作重金属吸附剂。在污水处理，水资源再生等领域，聚谷氨酸也发挥着重要作用。

2.4医疗行业

聚谷氨酸作为医疗行业中新材料的使用，也有着多方面的运用。一般药物都会有一定的毒副作用，过量使用会对人体造成一定的损害，聚谷氨酸的使用能减少药物的毒副作用，提高药物的生物利用度。同时，聚谷氨酸也具有一定的靶向性，甚至可以通过修饰，进一步增强其靶向能力，作为靶向给药系统发挥作用。并且，部分药物能通过与聚谷氨酸形成复合物，提高药物的水溶性，增强药物的缓释，达到控释效果。而因其较好的吸水性及较高的粘度，聚谷氨酸也常被用作生物粘合剂，用于控制组织的持续性渗血，是一种新型、安全的生物胶带。

3 聚谷氨酸的发酵

聚谷氨酸因其广泛使用，发展前景较好，生产工艺目前仍在大力发展中。目前，聚谷氨酸可通过化学合成、酶转化、提取法及微生物发酵等多种方法进行合成。

化学合成法因路线复杂，步骤繁多，大量的副产物，收率低，且生产工艺涉及部分有毒有害气体，很大程度限制了该法的应用。

酶转化法避免了化学合成法的各项劣势，但通过酶转化法得到的聚谷氨酸聚合度低，分子量小，也同样没有得到进一步发展。

早期日本用乙醇提取纳豆中聚谷氨酸的方法称为提取法。但纳豆中聚谷氨酸产量低，果酸难以去除。而微生物发酵法自1946年发现芽孢杆菌能够在培养基中积累聚谷氨酸以来，得到了长足的发展。通过筛选菌株及优化培养条件，现目前每升培养基的产量已可达到10-40g/L。因微生物发酵法具有培养条件温和，生产过程易控，生产周期较短，产量高且分子量适宜，提取率高，环境友好等方面的优势，该法是目前最常用且最具有前景的生产方式。

4聚谷氨酸的常见纯化工艺

芽孢杆菌在合成聚谷氨酸时，代谢途径复杂，产生的聚谷氨酸发酵液多为不透明棕色、黄色或深黄色的粘稠状液体，给后续的纯化提取步骤带来了极大的不便。当前行业，聚谷氨酸的提取主要是通过化学沉淀法、有机试剂沉淀法等方法进行聚谷氨酸分离纯化。

4.1. 化学沉淀法

通过加入硫酸铜、硫酸铵、氯化钠等溶液沉淀聚谷氨酸，再除盐，得到聚谷氨酸；或者调节pH至聚谷氨酸等电点沉淀聚谷氨酸，使聚谷氨酸沉淀得到聚谷氨酸。但该方法纯度较低，且重金属离子难以完全去除，等电点沉淀容易破坏聚谷氨酸本身的结构，且聚谷氨酸的纯度和收率往往受到等电点附近其他杂质的干扰。该方法得到的聚谷氨酸并不适用于医疗器械行业以及其他对聚谷氨酸产品要求高的行业。

4.2. 有机试剂沉淀

有机试剂沉淀通常是用乙醇等有机溶剂沉淀聚谷氨酸，然后通过水洗、冻干得到聚谷氨酸。但该方法也会导致部分有机物较难去除，且乙醇等有机溶剂属于易燃易爆品，用于工业生产需要建立防爆车间，不仅存在安全隐患，建立防爆车间也增大了生产成本。同时也难以获得无色透明液体或者白色粉末。

5 我司产品描述

通过对现有工艺路线的优化和改良，我司采用一种非传统方法就能得到较为纯净的聚谷氨酸的纯化方式，可以得到高纯度、高产量、高透光率的聚谷氨酸。并且得到的聚谷氨酸液体产品无色透明，冻干样品为纯白色。

6 聚谷氨酸质量标准

市面上的聚谷氨酸一般符合以下质量标准：

这些质量标准中，含量、透光率是重要的对比指标，市面上常见的聚谷氨酸的含量大多在94%左右，透光率大多在96%左右，产量多维持在10~20g/L左右。以市面上的聚谷氨酸作为标准品进行检测，我司生产的聚谷氨酸含量超95%，透光率在99%以上，并且纯度为＞99%。说明我司的聚谷氨酸在高纯度的基础上，含量、透光率、产量明显优于市场上常见聚谷氨酸。

7 聚谷氨酸的展望

聚谷氨酸作为一种可生物降解的绿色高分子材料，越来越受到人们关注，无论在人体内部，还是在外界环境中其最终的分解代谢产物均为谷氨酸，对人体无毒副作用，对环境不造成污染，因此聚谷氨酸在许多领域都展现出优越性。未来，在供给侧改革以及绿色环保政策的驱动下，下游医药、化妆品、农业等领域需要不断进行产业结构升级，聚谷氨酸的市场需求会随之持续增长，为聚谷氨酸行业的发展注入强大的动力。

我国聚谷氨酸行业的主要竞争对手是日本，多年来与日本既竞争又合作。现在我国可以生产聚谷氨酸，对方则进行精加工。所以国内企业在产品精加工方面应该重视，不应仅停留在生产粗原料上。国内原料企业应严格执行内控标准，改粗品生产为精品生产，变粗品出口为精品出口，以精品占领国际市场，获取更大利润。随着分子生物学新技术的不断发现，开发高效、节能、环保的纯化工艺，在谷氨酸的分离纯化中展现出巨大的潜力。我司开发的纯化工艺可以实现对谷氨酸的高效分离和浓缩，同时降低能耗和减少废弃物产生，能够在不破坏谷氨酸生物活性的前提下，实现对目标组分的精确提取，提高了谷氨酸的产量和纯度。同时结合市面上先进的工业化设备，基本上能够实现工业化生产高产量、高纯度、高含量的聚谷氨酸精品。

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