聚谷氨酸的生物合成及应用.doc

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。
1 γ-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。
1.2.1 γ-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。
1.2.2 γ-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。

膜分离法得到γ-聚谷氨酸的流程为：先将发酵液调节 pH 小于 2，由于细胞表面的负电荷被中和了，所以很容易聚集沉淀，而γ-聚谷氨酸则很难附着在细胞外面，所以在低的离心速度下就能将细胞分开。然后将含γ-聚谷氨酸的上层液体调节 pH 值至中性或者弱酸性（5~7），然后利用不同截留分子量的半透膜进行过滤而得到γ-聚谷氨酸纯品。该方法几乎不用或者用很少量的有机溶剂，可以得到相对分子质量不同的γ-聚谷氨酸，还可以减少半透膜的消耗、减少水的用量、缩短操作时间、具有很高的效率。
1.2.3 γ-聚谷氨酸的保存
分离提取得到的γ-聚谷氨酸需要冷冻干燥，并且它是吸湿性极强的高分子材料，需在低温干燥下保存以防吸水降解，人们通过研究发现在碱性条件下相对稳定，因此在实际工作中制备成钠盐有利于其稳定保存。
2 γ-聚谷氨酸的应用
2.1 医药
γ-聚谷氨酸在自然界或人体内能被生物降解成谷氨酸，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，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医药用高分子材料；还可以作为药物载体和医用粘合剂；利用其超强吸水性可制成和生物体含水量相近的各种组织材料，而且此材料吸水后形成的凝胶柔软，具有人体适应性。此外，γ-聚谷氨酸荚膜作为炭疽芽胞杆菌的致病因素之一，能保护细胞免受机体自身的免疫系统的攻击，故可用作疫苗，增强机体的被动免疫。
2.2 食品
γ-聚谷氨酸广泛的应用于一次性餐具、食品包装等行业中，是一种非常有用的绿色材料。γ-聚谷氨酸食用安全，可作为各种食品的苦味掩盖剂，可改善饮料的口感；它可以作为高钠调味剂的替代品，为高血压患者和糖尿病患者所用。γ-聚谷氨酸也能够使面粉的抗冻性增加，用其制作蛋糕和面包可以延缓面粉变质、维持食品外形；其还能增强钙的溶解度，促进钙在肠内的吸收，为骨质疏松患者也提供了福音。此外，γ-聚谷氨酸还可以作为增稠剂、稳定剂、膳食纤维的辅助材料以及保健食品等应用于食品领域。
2.3 日化用品
γ-聚谷氨酸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，其还可以作为高级皮革制品处理剂以及保湿剂等。利用γ-聚谷氨酸还可制取一种新型护发液，并且它作为高吸水材料，还可以制作成妇女儿童用品，既无毒又有高吸湿作用。环氧化合物与 γ-聚谷氨酸盐混合得到乳化体系在催化剂的存在下反应得到聚酯类纺织品，这种纺织品可以作为混合纺面料、涤纶针织物、混合针织物等。
2.4 农业
γ-聚谷氨酸可作为一种对环境无害的肥料增效剂，提高农作物的产量和质量，缓和肥料的过度使用，最终减轻环境污染。在珍稀花卉、苗木的运输中，可用 γ-聚谷氨酸保持根系水分，有保鲜作用。在干旱地区，可用 γ-聚谷氨酸处理种籽，使其外部形成聚谷氨酸保湿膜，利于种子发芽、出苗。在沙漠改造中，利用 γ-聚谷氨酸吸水可减少沙土的水分蒸发量，以防止沙质土壤水分的过分流失，而且可以保持土壤结构的稳定性，改良土壤。γ-聚谷氨酸的出现给沙漠变绿洲带来了新的希望。
2.5 工业
γ-聚谷氨酸可作为重金属吸附剂、螯合剂来处理重金属离子溶液以回收重金属，对冶金、工矿污水、电镀废水等的处理极有价值。此外，以硅为基质的γ-聚谷氨酸膜的金属吸附能力已经接近以纤维素为基质的膜，并且还有优异的酸溶稳定性。其在石油工业中用作油田处理剂、油水分离剂，在油田勘探中用作钻头润滑剂、泥浆凝胶剂。γ-聚谷氨酸还可作为出色的绿色塑料，广泛用于食品包装、一次性餐具及其他各种工业用途中，在自然界可迅速降解，不会造成环境污染。
结语
随着氨基酸生产技术的不断革新，成本下降，进一步促进了氨基酸应用向多元化发展，应用领域已发展成熟。水溶性的、可食用的聚谷氨酸已在“绿色化学产品”中崭露头角，然而我国在这方面的研究开发尚处于起步阶段，建立完整、系统、大规模的γ-聚谷氨酸的微生物生产方法是今后亟待解决的课题之一。

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