发酵液中不同分子量的γ-聚谷氨酸的制备及提取(2)
1 绪论
1.1 前言
γ-聚谷氨酸(poly-γ-glutamic acid，简称γ-PGA)，别称纳豆胶，是在1937年由Ivanovic等最先在炭疽芽胞杆菌的荚膜中发现。尽管γ-PGA从被发现到现在已有几十年的历史，但针对γ-PGA的研究主要还是处于实验室阶段，包括对它性质的研究，产生菌的改良和基因研究，发酵过程和提取纯化过程研究，以及其衍生物的生产和性质的研究。γ-PGA之所以存在很大的市场潜力，是因为其具有高吸水保湿性，生物相容性，可降解性，且无毒无害等优良特性，因此国内外对于γ-PGA的研究一直比较多。随着研究的不断深入，γ-PGA越来越多的优点被人们在不同的领域发现，因而γ-PGA的应用也随之不断扩大。在最近几年，γ-PGA作为一种环境友好型产品材料，其产业化研究和探索进程在人们环保意识的增强和国家可持续发展战略的要求下被进一步推动。
1.2 γ-PGA理化性质
γ-PGA是一种高分子氨基酸聚合物，由L-Glu、D-Glu通过γ-酰胺键结合形成，其结构式见图1-1。
图1-1 γ-PGA的分子结构
与蛋白质相比较，γ-PGA虽与蛋白质的结构相似，但仍然存在以下几个方面不同之处[ ]：
1．组成方面：γ-PGA由谷氨酸一种单体构成，而蛋白质由20多种氨基酸组成，较为复杂。
2．合成方面：γ-PGA的合成是通过其特定的合成酶系催化反应得到，而蛋白质的合成是以DNA为模板，通过转录、翻译形成的。
3．功能方面：γ-PGA不具备特定的生物学功能，其功能较为广泛，而蛋白质具备特定的生物学功能，不同蛋白质具有不同的功能。
4．分子量方面：γ-PGA的分子量比较发散，从100kD~1000kD不等，而蛋白质具有特定的分子量。
微生物合成的γ-PGA是一种生物高分子，由于其具有水溶性、可生物降解、对人体和环境无害等优良特性，可广泛应用于化妆品、食品、农业、工业及医药等众多领域，应用前景广阔[ ]。
利用酸碱滴定测定游离型γ-PGA的pKa值，得到pKa=2.23，，γ-PGA金属盐(Na型)的旋光度为-70(C=1.0,H2O)。平均分子量为1.23×104。利用热重量分析(TGA)和示差热量分析(DSC)进行热性质分析，得出其热分解温度为235.9°C，熔点为223.5°C，热分解物为茶褐色 [ ]。对γ-PGA的可溶性溶剂研究结果表明，1.0g的γ-PGA可溶于100mL的二甲基亚砜、热的N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮。
1.3 γ-PGA生产工艺
迄今为止，γ-PGA的生产技术主要有四种方法：化学合成法、提取法、酶转化法和微生物发酵法，下面对这几种方法一一加以简单概述。
1.3.1 化学合成法
肽合成法和二聚体缩聚法均是化学合成方法。肽合成法是早期制备γ-PGA所采用的方法，这种方法是通过逐个连接或片段组合的方式将谷氨酸连接成肽。化学合成法是肽类合成的重要方法，但这一过程工艺路线长、副产物多、收率低，尤其是含20个氨基酸以上的纯多肽合成相当困难，而且得率过低，成本过高且需要光气等有毒气体，故很大程度上限制了该法的应用[ ]。二聚体缩聚是通过由L-谷氨酸，D-谷氨酸及其消旋体D，L-谷氨酸反应生成ɑ-甲基谷氨酸凝聚成谷氨酸二聚体，后者再和浓缩剂在N,N-二甲基甲酰胺中发生凝聚反应，获得γ-聚谷氨酸甲基酯，随后经碱性水解生成γ-PGA [ ]。综上所述，化学合成方法合成工艺复杂，成本高，限制了其应用于大规模生产。相比于微生物发酵得到的γ-PGA，化学合成方法合成产物的分子量也偏小，并且得到的产品也难以达到医药和食品领域应用所要求的高纯度、高产量，因此难以用于实际生产应用。
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