γ-聚谷氨酸的研究進(jìn)展

何宇 呂衛(wèi)光 張娟琴

摘要 γ-聚谷氨酸是一種綠色環(huán)保型高分子聚合材料，具有良好的吸附性、保水性和生物相容性，可以被生物體完全降解，作為生物絮凝劑、肥料增效劑、保濕劑、藥物載體、食品添加劑等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、化妝品、環(huán)保和食品等眾多領(lǐng)域，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)γ-聚谷氨酸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、制備方法、提取和應(yīng)用方面進(jìn)行綜述，重點(diǎn)論述了微生物發(fā)酵法生產(chǎn)γ-聚谷氨酸和γ-聚谷氨酸的應(yīng)用;最后，基于γ-聚谷氨酸的研究進(jìn)展和應(yīng)用，對(duì)γ-聚谷氨酸制備中現(xiàn)存問題和未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 γ-聚谷氨酸;微生物發(fā)酵法;結(jié)構(gòu)性質(zhì);制備方法;提取;應(yīng)用

中圖分類號(hào) TQ317 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）18-0018-05

Abstract γpolyglutamic acid is a kind of environmental friendly polymer material，which has good adsorption，water retention and biocompatibility，and can be completely degraded by organisms.As bioflocculant，fertilizer synergist，humectant，drug carrier and food additive，γpolyglutamic acid has been widely used in many fields such as agricultural production，medicine，cosmetics，environmental protection and food.The structural properties，preparation methods，extraction and application of γpolyglutamic acid were reviewed，and the application of γpolyglutamic acid produced by microbial fermentation and γpolyglutamic acid was mainly discussed.Finally，based on the research progress and application of γpolyglutamic acid，the existing problems and future development direction in the preparation of γpolyglutamic acid were prospected.

Key words γpolyglutamic acid;Microbial fermentation method;Structural properties;Preparation methods;Extraction;Application

聚谷氨酸（polyglutamic acid，PGA）由D-谷氨酸和L-谷氨酸通過酰胺鍵聚合而成。由于聚合方式不同，聚谷氨酸主要有2種構(gòu)型：通過α-酰胺鍵聚合的α-聚谷氨酸（α-PGA）和通過γ-酰胺鍵聚合的γ-聚谷氨酸（γ-PGA），分子量在10～10 000 kDa。其中，α-PGA多以化學(xué)途徑合成，而γ-PGA多以生物途徑合成。

γ-PGA，也稱多聚谷氨酸，是一種陰離子型多肽聚合物。γ-聚谷氨酸最早在1937年由Ivanovic等[1]在炭疽芽孢桿菌（Bacillus anthracis）的莢膜中發(fā)現(xiàn)，屬芽孢桿菌莢膜的主要成分[1];1942年，Bovarnick從枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的發(fā)酵液中提取到γ-PGA;之后，Nagai等[2]又在納豆桿菌（Bacillus natto）中發(fā)現(xiàn)γ-PGA的存在。γ-PGA具有高分子量、易分散和無毒無害可食用等優(yōu)良特性，是一種新型綠色高分子材料，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。因此，筆者對(duì)γ-PGA的基本特性、生產(chǎn)制備及應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述，以期為γ-PGA的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1 γ-PGA的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

γ-PGA是由D-谷氨酸和L-谷氨酸通過γ-酰胺鍵聚合而成的多聚氨基酸，大多由500～5 000個(gè)谷氨酸單體組成[3]。γ-PGA相對(duì)分子量會(huì)隨著處理方式和發(fā)酵環(huán)境的不同而不同，如隨著發(fā)酵環(huán)境的酸化和溫度的升高，生成的γ-PGA分子量會(huì)逐漸下降[4]。另外，在不同pH發(fā)酵環(huán)境中，γ-PGA分子表現(xiàn)出不同的構(gòu)型，例如在酸性環(huán)境下γ-PGA呈螺旋狀結(jié)構(gòu)，在中性環(huán)境下γ-PGA呈樹枝狀鏈結(jié)構(gòu)，在堿性環(huán)境下γ-PGA呈舒展?fàn)罱Y(jié)構(gòu)[5]。游離型γ-PGA的酸度系數(shù)（pKa）為2.23，熔點(diǎn)為223.5 ℃，玻璃化溫度為54.82 ℃，熱分解溫度為235.9 ℃，γ-PGA鈉鹽的旋光度為-70°[6]。由于有大量游離親水性羧基和氫鍵的存在，使得γ-PGA具有極強(qiáng)的保水性、抗逆性和超強(qiáng)的離子吸附性。通過觀察X射線衍射譜圖，發(fā)現(xiàn)了γ-PGA分子中羧基的空間位阻和分子間氫鍵的雙重作用會(huì)導(dǎo)致分子鏈無法保證規(guī)整，阻礙γ-PGA結(jié)晶，表現(xiàn)出無定形態(tài)。另外，在生物分解作用影響下，γ-PGA中的肽鍵會(huì)發(fā)生斷裂，使γ-PGA直鏈分子被降解為單體、小分子或是短肽[7]，因此γ-PGA還具有極好的可生物降解性。

2 γ-PGA的制備方法

隨著研究的不斷深入，化學(xué)合成法、提取法、酶轉(zhuǎn)化法和微生物發(fā)酵法等生產(chǎn)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于γ-PGA的制備。在制備γ-PGA的過程中，微生物發(fā)酵法是γ-PGA生產(chǎn)和研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.1 化學(xué)合成法

化學(xué)合成法包括二聚體縮聚法和傳統(tǒng)多肽合成法。二聚體縮聚法制備γ-PGA分為3個(gè)部分，首先由D-谷氨酸和L-谷氨酸反應(yīng)生成α-甲基谷氨酸，之后由α-甲基谷氨酸經(jīng)凝聚反應(yīng)生成聚谷氨酸甲基酯，最后經(jīng)過堿性水解得到γ-PGA[8]。γ-PGA屬于多肽聚合物，因此可使用多肽合成法將氨基酸逐個(gè)連接形成多肽。多肽合成法較為傳統(tǒng)，合成需要進(jìn)行基團(tuán)保護(hù)、活化、氧化偶聯(lián)和羧基脫保護(hù)等過程，合成工藝繁瑣、成本高、得率低，且伴有大量副產(chǎn)物的產(chǎn)出，尤其不適用于制備20個(gè)氨基酸以上的大分子物質(zhì)[9]。

2.2 提取法

納豆是一種通過枯草芽孢桿菌發(fā)酵而成的豆制食物，具有一定的黏性，其納豆黏性膠體的主要組成成分就是γ-PGA。提取γ-PGA時(shí)，首先將納豆煮熟，然后浸泡在去離子水中，待γ-PGA完全溶于水中，再將水中的γ-PGA用有機(jī)溶劑提取出來。因此，早期獲取γ-PGA大多是在發(fā)酵食物納豆中利用有機(jī)溶劑進(jìn)行提取。提取法雖然簡(jiǎn)便易操作，但利用該方法所分離出的γ-PGA為粗產(chǎn)品[10]，雜質(zhì)多、成本較高且難以大規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)，應(yīng)用價(jià)值較低。

2.3 酶轉(zhuǎn)化法

酶轉(zhuǎn)化法可以有效地克服多肽合成法和提取法的缺點(diǎn)。酶轉(zhuǎn)換法利用一步酶促反應(yīng)，將谷氨酸單體連接成γ-PGA高分子，高效避免了復(fù)雜反應(yīng)中的反饋和負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用，積累得到高濃度的γ-PGA[11]。在這個(gè)過程中，谷氨酸轉(zhuǎn)肽酶（GTP）作為關(guān)鍵性酶[12]，將谷氨酸基催化后移至受體，然后進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)肽。該方法反應(yīng)溫和、產(chǎn)物雜質(zhì)少、純度高，有利于后續(xù)的γ-PGA分離純化。但使用酶轉(zhuǎn)化法得到的γ-PGA聚合度低且分子量小，而γ-PGA分子量的大小直接關(guān)系到γ-PGA的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用[13]，因此該方法的應(yīng)用價(jià)值同樣有待提高。

2.4 微生物發(fā)酵法

目前，微生物發(fā)酵法是工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的最佳γ-PGA制備方法，通過菌種篩選、菌體培養(yǎng)和分離純化制得分子量適宜的γ-PGA。該方法條件溫和、工藝簡(jiǎn)單，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。發(fā)酵法可分為液體發(fā)酵法、固體發(fā)酵法和分批發(fā)酵法等，發(fā)酵過程中主要使用的合成菌為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）和炭疽芽孢桿菌（Bacillus anthracis）等芽孢桿菌屬。

工業(yè)上生產(chǎn)γ-PGA多使用液體發(fā)酵法，使用液體發(fā)酵法易于通過調(diào)控發(fā)酵過程中的可控因素進(jìn)而調(diào)節(jié)產(chǎn)物分子量，最終得到目標(biāo)分子量產(chǎn)物，有效提高工業(yè)產(chǎn)率[14]，可控因素包括pH、環(huán)境溫度、培養(yǎng)基離子強(qiáng)度、接種量等。趙曉行[9]以解淀粉芽孢桿菌YP-2為對(duì)象，選擇不同初始發(fā)酵pH和發(fā)酵溫度，結(jié)果表明初始pH在7.0～7.5時(shí)具有最高γ-PGA產(chǎn)量（25.24 g/L），發(fā)酵溫度在37 ℃時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量（38.39 g/L）。

固體發(fā)酵法因使用固體發(fā)酵物（如農(nóng)業(yè)、工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物）作為發(fā)酵底物而得名，例如牛糞堆肥、味精和食醋生產(chǎn)產(chǎn)生的殘留廢物都已被研究應(yīng)用制備γ-PGA，通過該方法既可獲得目標(biāo)產(chǎn)物，又提高了資源利用率。張彥麗[15]培養(yǎng)枯草芽孢桿菌168產(chǎn)γ-PGA，通過響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵工藝，50 mL味精廢水接種量為10.55 mL，γ-PGA產(chǎn)量達(dá)到（53.51±0.92）g/L。韓文靜等[16]利用味精副產(chǎn)品發(fā)酵產(chǎn)γ-PGA，通過產(chǎn)酸率高低調(diào)控最優(yōu)發(fā)酵條件，pH為7.0，發(fā)酵溫度32 ℃，γ-PGA產(chǎn)量最高達(dá)到57.8 g/L，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物再利用并降低了生產(chǎn)成本。

另外，分批發(fā)酵法也被廣泛使用于γ-PGA制備，通過分批式加入部分培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)也分批次取出發(fā)酵液并進(jìn)行分離提純?chǔ)?PGA，有效避免γ-PGA蓄積導(dǎo)致的底物負(fù)反饋抑制效應(yīng)，提高產(chǎn)率。目前，對(duì)于微生物發(fā)酵法產(chǎn)γ-PGA的研究集中致力于篩選具有優(yōu)良性狀的菌株，之后將外源基因整合入γ-PGA菌株基因組中，以此提高γ-PGA產(chǎn)量[17]。

3 γ-PGA的生物合成

3.1 γ-PGA生產(chǎn)菌株

γ-PGA的生產(chǎn)菌種根據(jù)是否需要在發(fā)酵過程中大量添加谷氨酸單體被分為谷氨酸依賴型（Ⅰ型）和非谷氨酸依賴型（Ⅱ型）兩大類[18]。非谷氨酸依賴型菌株的產(chǎn)量相比谷氨酸依賴型菌株要低得多，因此我國(guó)主要針對(duì)谷氨酸依賴型菌株產(chǎn)γ-PGA進(jìn)行研究?，F(xiàn)已鑒定出的γ-PGA生產(chǎn)菌株包括芽孢桿菌、梭桿菌、古細(xì)菌及真核生物[19]。其中，在芽孢桿菌的莢膜中，γ-PGA屬主要成分，且菌體本身具有合成γ-PGA的效應(yīng)機(jī)制，因此芽孢桿菌較其他生產(chǎn)菌株具有天然優(yōu)勢(shì)，是目前制備γ-PGA最常用的菌株?？芍苽洇?PGA的芽孢桿菌包括枯草芽孢桿菌（B.subtilis）、炭疽芽孢桿菌（B.anthracis）、地衣芽孢桿菌（B.an mLoliquefaciens）、耐熱芽孢桿菌（B.thermotolerant）和解淀粉芽孢桿菌（B.an mLoliquefaciens）[20]。

3.2 產(chǎn)γ-PGA菌株選育

由于天然存在的產(chǎn)γ-PGA菌種產(chǎn)量較低，因此需要對(duì)高產(chǎn)菌株進(jìn)行定向篩選，多通過誘變法或基因工程法等方法，以此達(dá)到穩(wěn)定高產(chǎn)的效果。誘變法主要借助物理因子和化學(xué)誘變劑完成，物理因子包括紫外線、γ射線、激光等，化學(xué)誘變劑包括亞硝基胍、硫酸二乙酯、秋水仙素等，經(jīng)過處理后的某些菌株會(huì)由于基因的片段缺失或轉(zhuǎn)移導(dǎo)致基因突變，從而強(qiáng)化或減弱生物的某種特性，達(dá)到對(duì)特定目標(biāo)菌株選育的目的。張瑞等[21]通過紫外線-亞硝基胍復(fù)合誘變法選育出一株產(chǎn)γ-PGA突變菌株，在多次傳代后可保持穩(wěn)定遺傳，γ-PGA產(chǎn)量由18.4 g/L提高至24.2 g/L。

此外，有學(xué)者利用基因工程手段將γ-PGA基因片段導(dǎo)入其他菌株中，使目標(biāo)菌株具有合成γ-PGA相關(guān)基因簇，基因重組得到產(chǎn)γ-PGA的菌株。發(fā)生基因重組后的菌種生命力會(huì)更強(qiáng)，抗逆性也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)γ-PGA的周期大大縮短，具有多種優(yōu)勢(shì)，但由于基因供體菌和受體菌的合成機(jī)能存在差異，可能導(dǎo)致基因不能正常表達(dá)[22]，因此利用該方法發(fā)酵生產(chǎn)γ-PGA的產(chǎn)量極其不穩(wěn)定，不能大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)中。

3.3 γ-PGA合成途徑

γ-PGA合成機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)，分子生物學(xué)和代謝工程學(xué)等理論都被應(yīng)用在γ-PGA生物合成的研究中。合成菌株不同，對(duì)谷氨酸底物的需求也不同，γ-PGA的代謝機(jī)制和合成酶也有所差異。Bacillus subtilis IFO 3335菌株是典型的谷氨酸依賴型菌株，僅需少量外源谷氨酸作為合成活化劑，而培養(yǎng)基中的檸檬酸和硫酸銨經(jīng)過菌株自身代謝才是合成γ-PGA所需單體谷氨酸的主要來源。

Goto等[23]研究發(fā)現(xiàn)Bacillus subtilis IFO 3335菌株通過α-酮戊二酸的2種途徑合成L型谷氨酸，再通過γ-PGA合成酶合成γ-PGA，在這一過程中，谷氨酸單體是菌株經(jīng)自身代謝而生成的。另外，在Bacillus subtilis IFO 3335菌株中檢查到高活性谷氨酸消旋酶，是γ-PGA合成過程中的主要酶[24]。Cromwick等[25]通過核磁共振技術(shù)研究Bacillus licheniformis ATCC 9945A菌株產(chǎn)γ-PGA途徑，利用13C標(biāo)記谷氨酸和檸檬酸，發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中產(chǎn)生極少量的γ-PGA，而在培養(yǎng)基中添加外源L-谷氨酸和13C標(biāo)記的檸檬酸后，培養(yǎng)基中產(chǎn)生大量標(biāo)記γ-PGA，這表明在Bacillus licheniformis ATCC 9945A菌株產(chǎn)γ-PGA過程中的谷氨酸單體并不是通過碳源分解和三羧酸循環(huán)等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。

γ-PGA的合成酶基因根據(jù)γ-PGA合成后的狀態(tài)進(jìn)行命名。當(dāng)合成的γ-PGA與細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)合形成莢膜，該γ-PGA合成酶基因命名為cap（capsule）基因，當(dāng)合成的γ-PGA釋放到胞外，該γ-PGA合成酶基因命名為pgs（polyglutamate synthase）基因[26]。在Bacillus subtilis IFO 3336中存在3個(gè)γ-PGA合成酶基因（pgsA、pgsB和pgsC），其中，pgsA將pgsBCA同源復(fù)合體定于細(xì)胞膜上，pgsB為酰胺連接酶，參與催化和聚合反應(yīng)，pgsC與乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)相似，參與γ-PGA的轉(zhuǎn)運(yùn)[27]。

4 γ-PGA的提取

隨著研究的深入，γ-PGA的提取方法越來越多，例如膜分離沉淀法、有機(jī)溶劑沉淀法、化學(xué)沉淀法、分級(jí)沉淀法和硅藻土沉淀法等，而前3種提取技術(shù)相對(duì)成熟。

由于γ-PGA分子量最高可達(dá)200萬kDa，因此在制備過程中隨著γ-PGA的積累，培養(yǎng)液黏度變大，影響發(fā)酵效果和產(chǎn)量。針對(duì)這種情況，Do等[28]使用膜分離沉淀法，既可從高黏度培養(yǎng)液中有效提取γ-PGA，又大大節(jié)省試劑的使用。首先通過沉淀從培養(yǎng)液中分離出粗γ-PGA，之后使用超濾濃縮方法利用中空纖維膜獲得濃縮液，在這個(gè)過程中將培養(yǎng)液pH逐漸調(diào)至3并酸化，以此達(dá)到降低培養(yǎng)液黏度的目的。酸化處理后的γ-PGA能量消耗降低17%，乙醇的用量降低75%。

有機(jī)溶劑沉淀法通常先將發(fā)酵液進(jìn)行離心處理，在上清液中加入低級(jí)醇類，例如甲醇、乙醇，加入體積一般為發(fā)酵液的2～4倍，過夜沉淀后離心收集沉淀物，最后進(jìn)行沉淀物冷凍干燥獲得γ-PGA粗產(chǎn)品，之后進(jìn)行透析脫鹽去除雜質(zhì)獲得純品[29]。

化學(xué)沉淀法與有機(jī)溶劑沉淀法的區(qū)別在于將上清液中加入的低級(jí)醇類用氯化鈉溶液或飽和硫酸銅代替，沉淀物水洗后加入HCl溶液二次沉淀，之后加入蒸餾水溶解γ-PGA，溶解后上清液中加HS，最后進(jìn)行沉淀和沉淀物冷凍干燥獲得γ-PGA。

5 γ-PGA的應(yīng)用

γ-PGA作為一種新型的多功能生物制品，具有無毒無害、可食用、易降解和保水性等特性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥和食品等多個(gè)領(lǐng)域都有較強(qiáng)的應(yīng)用空間。γ-PGA的性質(zhì)與其分子量密切相關(guān)，因此不同分子量γ-PGA的應(yīng)用領(lǐng)域不同，根據(jù)γ-PGA不同應(yīng)用領(lǐng)域所需分子量的大小，可將γ-PGA分為4個(gè)類別，即農(nóng)業(yè)類、食品類、化妝品類和醫(yī)藥類，其中前兩類所需分子量較低，均小于70萬單位，農(nóng)業(yè)類可低至0.5～1.0萬單位，后兩類所需分子量相對(duì)較高，均大于70萬單位，例如醫(yī)藥類需要PGA分子量達(dá)120～200萬單位[30]。

5.1 γ-PGA在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1.1 保水保濕劑。

在我國(guó)西北地區(qū)，水資源稀缺導(dǎo)致不同程度的干旱災(zāi)害出現(xiàn)，也使得植被和作物生長(zhǎng)受限，影響我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。保水劑對(duì)干旱地區(qū)植被具有很好的生長(zhǎng)效益，是一種具有極強(qiáng)吸水力和保水力的高分子聚合物，可減少土壤中水分的蒸發(fā)，同時(shí)緩慢釋放水分供植物生長(zhǎng)利用[31]。利用電子射線對(duì)γ-PGA進(jìn)行數(shù)秒照射后，可以形成一種具有高吸水性能的樹脂，從而吸收大量水分。日本學(xué)者在水資源匱乏的阿蘇山利用γ-PGA進(jìn)行生態(tài)綠化試驗(yàn)，他們使用γ-PGA吸水樹脂進(jìn)行種子包埋試驗(yàn)，將包埋種子撒于寸草不生的沙地，結(jié)果表明經(jīng)過處理的種子在7 d后發(fā)芽并順利生長(zhǎng)[32]。

5.1.2 促進(jìn)種子萌發(fā)。種子萌發(fā)過程中，脂質(zhì)過氧化會(huì)大大降低種子活力，影響萌發(fā)狀態(tài)，只有消除活性氧引起的過氧化損害，提高過氧化物酶的活性，才能保證種子正常萌發(fā)。在不同分子量大小的γ-PGA中置入綠豆種子，記錄種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，結(jié)果表明，高分子量γ-PGA抑制種子萌發(fā)，低分子量γ-PGA促進(jìn)種子萌發(fā)，但二者的結(jié)果均比空白對(duì)照組數(shù)值高[33]。王建平等[34]用不同濃度γ-PGA溶液進(jìn)行浸種處理，發(fā)現(xiàn)煙草種子的芽長(zhǎng)、發(fā)芽系數(shù)和活力指數(shù)等都有明顯的提高，其中發(fā)芽系數(shù)最高提升28%，活力指數(shù)較對(duì)照提高18.8%，同時(shí)種子發(fā)芽后過氧化物酶活性增幅達(dá)到67.32%，說明γ-PGA浸種能夠提高種子萌發(fā)活力。

5.1.3 肥料增效劑。

γ-聚谷氨酸作為肥料增效劑被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。目前的研究形式多為無機(jī)肥料與γ-PGA混合使用，而直接施用γ-PGA菌肥以改善土壤環(huán)境，也可取得肥料增效效果。王進(jìn)[35]將枯草芽孢桿菌發(fā)酵產(chǎn)物直接作為菌肥施用，試驗(yàn)結(jié)果表明，添加菌肥與不添加菌肥相比，植株生長(zhǎng)明顯，產(chǎn)量高30.4%，株高和莖粗也明顯優(yōu)于后者，既促進(jìn)了植物生長(zhǎng)又達(dá)到了肥料減量的效果。γ-PGA顯著提高植物對(duì)氮、磷和鉀的吸收，增強(qiáng)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[36]。Bai等[37]研究發(fā)現(xiàn)PGA施用量對(duì)作物增產(chǎn)及肥料利用率提高亦有顯著影響。

5.2 γ-PGA在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

5.2.1 藥物載體。

γ-PGA主鏈上含有大量活性較高的游離羧基，可同某些分子結(jié)合形成穩(wěn)定化合物[33]。γ-PGA屬于典型的聚電解質(zhì)，與其他聚電解質(zhì)相比，γ-PGA具有良好的生物降解性，可自行降解為單體，具有無毒副作用。許多天然藥物具有難溶性和不穩(wěn)定性，使生物對(duì)藥物的利用率大大降低。因此，研究人員利用γ-PGA及其衍生物的高活性羧基與藥物或其中有效成分的結(jié)合，解決天然藥物難溶于水或不穩(wěn)定的問題[38]，尤其是對(duì)人體細(xì)胞有傷害作用的化療藥物，既提高藥效活性，同時(shí)也減輕藥物毒副作用。

5.2.2 組織工程支架。

γ-PGA良好的生物相容性被應(yīng)用于組織工程支架的制備。疏秀林等[39]采用接枝共聚法將γ-PGA與殼聚糖制備成γ-PGA/CMCS多孔復(fù)合材料，該材料吸水性強(qiáng)，有較高的攜藥能力，將其與碳酸鈣骨水泥進(jìn)行復(fù)合，可有效縮短碳酸鈣骨水泥的凝固時(shí)間，促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)和愈合，是一種新型植骨生物材料[40]。

5.3 γ-PGA在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

在污水處理過程中，常常使用絮凝沉淀法以達(dá)到高效的污水處理效果。絮凝劑種類繁多，其品質(zhì)直接影響著處理效果。γ-PGA屬線型同聚酰胺高分子，具有優(yōu)良的黏結(jié)性、吸水性和吸附架橋作用，在水污染處理中可作為環(huán)境友好型絮凝劑使用，具有廣闊的應(yīng)用前景[41]。李曼[42]篩選獲得菌株Bacillus sp.DLF-15161發(fā)酵生產(chǎn)絮凝劑γ-PGA，通過優(yōu)化試驗(yàn)得到最佳γ-PGA用量和最佳絮凝介質(zhì)高嶺土，可對(duì)水體中Cr6+、Cu2+吸附，并達(dá)到國(guó)家水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。Bajaj等[43]對(duì)γ-PGA絮凝活性進(jìn)行研究，優(yōu)化了Bacillus subtilis R23發(fā)酵生產(chǎn)的γ-PGA的絮凝條件、最佳絮凝pH和最佳助凝離子，結(jié)果顯示最終的絮凝活性最大可達(dá)34.7l/OD。

染料行業(yè)排放的廢水中含有大量有毒有害成分，其中還包括具有強(qiáng)致癌性的原料副產(chǎn)物，若未進(jìn)行有效的脫色凈化處理，會(huì)對(duì)水資源和人類身體造成嚴(yán)重危害。婁春霞[20]從污泥中篩選出γ-PGA菌株，通過響應(yīng)面法得到最優(yōu)培養(yǎng)基，最佳絮凝時(shí)間為3 min，最優(yōu)條件下絮凝率達(dá)94.7%，對(duì)染料廢液的凈化脫色率達(dá)64.5%，實(shí)現(xiàn)了廢水絮凝和脫色同步進(jìn)行。對(duì)廢水中染料的處理包括物理方法、化學(xué)方法和生物脫色方法，利用γ-PGA對(duì)亞甲基藍(lán)染料進(jìn)行生物脫色處理，飽和吸附容量為496 mg/g[44]。

5.4 γ-PGA在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

γ-PGA良好的保水性和吸水性同樣運(yùn)用在化妝品制造業(yè)中，目前已有化妝品將γ-PGA作為原料加以使用，不僅具有美白功效，而且還可保持肌膚水分，加速組織再生。低分子量γ-PGA可被皮膚吸收并達(dá)到深度保濕效果，高分子量γ-PGA可在皮膚表面形成膜結(jié)構(gòu)，有利于保護(hù)皮膚水分，具有鎖水保濕效果[45]。何貴東[46]通過有機(jī)-無機(jī)雜化技術(shù)制備具有良好生物相容性的納米Ag/γ-PGA水凝膠，在Balb/c小鼠動(dòng)物皮膚上做去除創(chuàng)傷模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該水凝膠具有長(zhǎng)效的抑菌效果，炎癥反應(yīng)有明顯的好轉(zhuǎn)，在使用水凝膠后14 d可完全恢復(fù)。陳毓曦等[47]對(duì)不同相對(duì)濕度和不同濃度γ-PGA保濕性進(jìn)行測(cè)定分析，表征結(jié)果顯示γ-PGA在1.0 g/L濃度下具有最佳保濕效果，且保濕效果基本不受環(huán)境濕度的影響，驗(yàn)證了γ-PGA作為化妝品保濕劑的功效。在納豆中，納豆黏性膠體的主要組成成分就是γ-PGA，日本已將γ-PGA列入促進(jìn)化妝品及保健品吸收的成分表中。

5.5 γ-PGA在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

在食用領(lǐng)域，高分子量的γ-PGA可對(duì)食物分子進(jìn)行包埋，進(jìn)而掩蓋食物的苦澀味。與高分子量的γ-PGA相比，低分子量γ-PGA更具有低溫保護(hù)活性[48]。低分子量的γ-PGA可抑制冰晶生長(zhǎng)，減少食物中可凍結(jié)水量，避免食物結(jié)構(gòu)被冰晶破壞，從而增加冷凍面食的儲(chǔ)藏性。γ-PGA中羧基基團(tuán)在與淀粉發(fā)生交聯(lián)作用后可達(dá)到抑制淀粉吸水膨脹的效果，也可使淀粉微觀結(jié)構(gòu)更加致密，改善淀粉的流變學(xué)性質(zhì)[49]。將γ-PGA作為食品添加劑添加到酸奶中，隨著γ-PGA濃度的不斷增加，γ-PGA分子所占體積不斷增大，吸附水分子增多，酸奶體系的黏稠度數(shù)也隨之上升[50]。

6 結(jié)語

γ-PGA良好的吸附性、保水性和生物可降解性使其應(yīng)用范圍日益廣泛，研究也日益深入。目前，國(guó)外對(duì)于γ-PGA在醫(yī)藥和環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究頗多，尤其是可作為藥物載體對(duì)藥物起到緩釋的價(jià)值，而我國(guó)對(duì)γ-PGA的研究注重于生產(chǎn)菌株的選育和發(fā)酵條件的優(yōu)化，且大多研究都處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。在高產(chǎn)菌株的選育過程中，多使用誘變方法，而有研究表明采用基因工程和代謝工程更有力于菌株的篩選，因此在未來的研究中可利用上述2種工程對(duì)菌株篩選方法進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到高效定向篩選的目的。γ-PGA的相對(duì)分子質(zhì)量直接影響到其理化性質(zhì)及應(yīng)用范圍，但對(duì)影響機(jī)制的研究還處于初級(jí)階段，未來利用分子生物學(xué)等理論解釋該影響機(jī)制可作為γ-PGA研究的重點(diǎn)方向之一。同時(shí)，還需建立工藝簡(jiǎn)單、發(fā)酵條件溫和且成本低廉的生產(chǎn)工藝，擴(kuò)大γ-PGA的應(yīng)用范圍，為γ-PGA的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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