文 献 综 述

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。^[1-4]

聚谷氨酸是微生物（主要为芽孢杆菌类）发酵的产物，是一种胞外多肽，它是目前为止发现的仅有的可由微生物聚合而得到的多种聚合氨基酸（聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚鸟氨酸、聚赖氨酸）之一。根据形成肽键的羧基类型的不同，聚谷氨酸可分为微生物合成的聚谷氨酸和化学合成的聚谷氨酸。同时，γ-PGA是一种生物高分子聚合物，其聚合度约为200-700，相对分子质量在10万到200万之间。^[5]从它的结构中可以看出，其分子链上含有大量的活性羧基，因此，也具有一般羧酸的性质，例如容易形成氢键，具有优良的保湿性和吸水性，对的吸水性能和生物学效应的初步研宄发现在自然条件下的最大吸水倍数达到了1108.4倍。^[6-10]

从聚谷氨酸的物理性质来看，γ-聚谷氨酸的脆点温度为 TB=-60℃，玻璃化温度为TG=54.82℃，熔点TM=223.5℃，分解温度TF=235.9℃。pKa=2.27，与谷氨酸的pKa大体一致。Na型γ-聚谷氨酸的旋光度为-70#176;(C=1.0，H20)。γ-聚谷氨酸具有极为良好的水溶性，但几乎不溶于有机溶剂。不同溶剂对其分子构象会产生较大影响：在不同的溶剂中聚谷氨酸具有不同的二级结构。在水做为溶剂的溶液中，γ-聚谷氨酸分子是无规则卷曲状态的，因此呈现良好的水溶性；在二甲基亚砜(DMSO)作为溶剂时则多形成以α螺旋结构；在甲酸作为溶剂时则多形成β片层结构，γ-聚谷氨酸的水溶性受pH和离子浓度影响。不同pH和离子浓度对其分子构象会产生较大影响：当pH过高或过低，以及离子浓度不同时，γ-PGA的分子构象迥异，因此其水溶性也大大不同。当pH或离子浓度较低时，γ-PGA 构象多呈现α螺旋结构；当pH或离子浓度较高时，γ-PGA构象多呈现β片层结构；而在中性溶液中则多呈现无规则的卷曲状。从聚谷氨酸的化学性质来看，γ-聚谷氨酸具有可降解性。可根据处理方式的不同分为生物手段降解法、物理处理降解法和化学反应降解法。^[11-14]

目前聚谷氨酸的合成方式主要有：化学合成法、固体发酵法和液体发酵法。（1）最早，γ-PGA制备采用传统的多肽合成法，即将谷氨酸逐个连接或采用片段组合连接成肽，这个过程一般包括基团保护、活化、偶接和脱保护等步骤。但是化学合成法工艺路线长，副产物多，收率低，因此要获得高纯度的、能用作药物载体的γ-PGA，该法是不可取的。（2）酶转化法为一步酶促反应，可避免全合成途径中复杂的反馈调节作用，使γ-PGA积累到相当高的浓度，可得到高含量产物、低含量杂质的反应液，有利于产物的分离纯化，并且工艺路线简单、周期短，容易大规模生产，可大大降低生产成本。酶转化法由于工艺路线简单、生产周期短，容易实现大规模生产，但是采用酶转化法合成的γ-PGA分子量小，而且谷氨酸转肽酶在微生物菌体中的含量和活力都较低，这就大大制约了该法在实际生产中的应用。（3）提取法提取法是用乙醇等有机溶剂将生物质中的γ-PGA分离提取出来。日本传统的发酵食品纳豆的粘液中含有丰富的γ-PGA，早期日本生产的γ-PGA大多是从纳豆中提取的。纳豆中所含γ-PGA的含量有波动、副产物多、提取工艺复杂，成本较高，也不利于大规模生产。（4）微生物发酵法微生物发酵法是通过大量培养菌体后收集发酵液，最后分离出γ-PGA。该法具有培养条件温和，生产周期短，目标产物产量高以及产物分子量适宜等优点，是目前国内外关于γ-PGA生产研究的热点。目前日本味之素株式会社和台湾味丹公司已利用该法进行γ-PGA的商业化生产。^[15-17]γ-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。^[18]

在静电纺丝对聚谷氨酸的改性工艺中，通过减少聚谷氨酸中羧基的数目降低其吸湿性能并增强其在常温环境下的储存性能，其中γ-PGA是一种多聚羧酸,对羧基进行化学修饰,与卤代烃、烷基重氮化合物反应成酯,可使γ-PGA具有疏水性。对γ-PGA的碳原子上的羧基进行酯化改性,将高度亲水性的羧基转化为憎水性烷氧氮基或节氧拨基是综合解决γ-PGA亲水性问题的一个较好的方法。对γ-PGA进行酯化的方法用两种：直接酯化法和之交换法，直接酯化方法比较简单,在合适的反应温度、时间和溶剂中,先用过量的或其他碱性物质毗咙、三乙胺等将γ-PGA中和成羧酸盐,然后再与过量的卤代烷烃进行脱盐反应,产物用冷的盐酸水溶液或甲醇进行沉淀并反复洗涤,真空于燥后即可得到白色粉末状酯化物。将γ-PGA和溴化苄反应,产生的γ-PGA苄酯能成膜,具有极好的力度、极高的透明度和极强的弹性。直接酯化法简单但也存在缺点：随着醋化反应的进行,γ-PGA在二甲基亚枫溶剂中的溶解性逐渐变差,γ-D，L-PGA在碱性环境中随着反应的进行,结构收缩,影响卤代 烷烃对γ-PGA进一步亲电进攻,使之不能完全酯化;在碱性条件下, γ-PGA会发生降解,相对分子质量显著下降,且酯化率随着烷基侧链的加长而降低。因此brobely等进行多次酯化,提高了γ-PGA的产率和酯化度,但该方法的反应时间较长,一般为一天。^[19-22]酯交换法是由γ-PGA 在溴乙烷的作用下酯化成γ-PGA乙酯，将γ-PGA乙酯溶于相应的烷醇，以Ti(BuO)4为催化剂，在180℃、N2环境下进行酯交换反应，得到相应的γ-PGA酯，该方法的产物酯化度高达98%~100%，产物提纯容易，成本低，产率高，所以目前多采用酯交换法合成 γ-PGA酯。以烷醇为反应溶剂，聚合物的溶解度随反应的进行而增大，大分子也始终处于舒展状态，有利于烷醇对γ-PGA的酯交换。^[23-25]考虑到实际情况和两种酯化方法的利弊，本课题中采取酯交换法对羧基进行改性。

参考文献

[1]彭英云,张涛,缪铭,沐万孟,江波.γ-聚谷氨酸的合成、性质和应用[J]. 食品与发酵工业, 2012, 38(6):133-138

[2]张文.γ-聚谷氨酸制备及其农用效果[D].中国农业科学院,2014