藏在纳豆中的神奇聚合物

徐国强、马靖捷

近年来，有一种藏在纳豆中的神奇聚合物备受关注。它被发现至今已有几十年，一些国际研究机构和企业对其进行了相关研究，国内部分大学和研究所也在这一领域积极开展研究，根据研究成果国内部分企业已经推出相关产品并进行大规模商业化生产。

那么，这种聚合物到底是啥？可应用在哪些领域？哪种生产工艺最具潜力？

三种基本结构带来不同应用

其实这种聚合物就是γ-聚谷氨酸。它作为一种可降解的、无毒的水溶性生物聚合物，具有多种重要的功能，如保湿、生物相容、可生物完全降解等。由于其独特的生物学性质，在农业、食品、化妆品、生物医药和生物材料等领域具有广阔的应用前景，市场需求量巨大。

γ-聚谷氨酸是一种由L-谷氨酸或/和D-谷氨酸单体聚合成的聚合物，按照不同的谷氨酸组成单体可以分为γ-L-PGA（仅由L-谷氨酸单体聚合而成）、γ-D-PGA（仅由D-谷氨酸单体聚合而成）、γ-DL-PGA（由L-谷氨酸和D-谷氨酸两种单体聚合而成）。那么，这三种基本结构组成都会带来哪些应用呢？

γ-D-PGA具有较强的稳定性，不易被人体及动物体内的L-氨基酸特异性降解酶降解，因此在医药领域具有特殊应用价值。例如，可作为长效药物载体，延长药物在体内的作用时间；在植入式医疗器械领域，可作为涂层材料，提高器械的生物相容性和抗凝血性能。此外，其还具有良好的耐酸性和耐碱性，可用于极端环境下的材料制备。

γ-L-PGA与人体蛋白质的氨基酸构型一致，具有较好的生物相容性，且易被人体降解吸收，主要应用于食品和医药领域。在食品领域中，可作为营养强化剂，为人体补充谷氨酸；在医药领域中，可作为可吸收缝合线、止血海绵等材料的原料，其降解产物谷氨酸可被人体代谢利用，无毒性残留。γ-L-PGA还可用于制备化妆品中的保湿成分，温和无刺激，适合敏感肌肤使用。

γ-DL-PGA是D型和L型谷氨酸单体的共聚物，其理化性质可通过调节D/L比进行调控，应用范围最为广泛。通过改变D/L比，可制备出具有不同稳定性、降解速率和黏性的γ-PGA产品，以满足不同领域的需求。例如，L型占比高的γ-DL-PGA可用于食品和医药领域，D型占比高的γ-DL-PGA产品可用于工业和环保领域，例如可以作为造纸行业的施胶剂，可提升纸张的耐水性和强度，纸张耐破度提升30%；而D/L比接近1:1的产品则具有良好的综合性能，可用于化妆品和农业等多种领域，例如用于化妆品中可兼顾保湿力和皮肤吸收性；在农业领域γ-PGA可与尿素混合施用或尿素包衣施用，以增强土壤肥力实现作物高产。

分子量影响应用领域

实际上，γ-聚谷氨酸依据分子量的不同，其应用领域也不同（下图以γ-DL-PGA为例）。

比如，低分子量（分子量＜100 kDa）γ-聚谷氨酸，具有良好的渗透性和生物活性，在医药领域应用广泛。例如，可作为药物载体，其分子链上的羧基可与药物分子结合，提高药物的溶解度和稳定性，同时促进药物在体内的吸收和靶向释放；在抗肿瘤领域，低分子量γ-PGA可增强免疫细胞的活性，诱导肿瘤细胞凋亡；此外，低分子量γ-PGA还具有抗氧化、降血压等生理功能，可作为功能性食品添加剂使用。

中分子量（分子量100-700 kDa）γ-聚谷氨酸兼具一定的黏性和渗透性，在化妆品和食品领域应用较多。在化妆品中，可作为保湿剂，其吸水能力强且保湿效果持久，优于传统的甘油、透明质酸等成分；在食品工业中，可作为增稠剂、稳定剂和乳化剂，用于改善食品的质地和口感，延长食品的保质期。

高分子量（分子量700-5000 kDa）γ-聚谷氨酸，具有较高的黏度和成膜性，在农业和环保领域应用前景广阔。在农业中，可作为保水剂和缓释肥载体，提高土壤的保水保肥能力，减少肥料流失，促进作物生长；在环保领域，可作为絮凝剂用于污水处理，其分子链上的羧基可与污水中的重金属离子和悬浮物结合，形成沉淀，达到净化水质的目的。

还有一种超高分子量（分子量＞5000 kDa）γ-聚谷氨酸，具有极强的黏性和机械强度，主要用于特殊材料领域。例如，可作为生物医用材料的原料，用于制备手术缝合线、伤口敷料等，其良好的生物相容性和可降解性可避免术后异物反应；此外，还可用于制备高性能水凝胶，用于组织工程和药物缓释等领域。

合成生物制造法潜力巨大

目前γ-聚谷氨酸的生产方法主要包括化学合成法、提取法和微生物发酵法等多种方法，同时合成生物制造γ-聚谷氨酸以实现不同分子量和单体比调控的研究也在不断深入中。

其中化学合成法是通过化学试剂催化谷氨酸单体聚合形成γ-聚谷氨酸的方法，主要包括酰氯法、酸酐法和酯交换法等。该方法的优点是反应条件易于控制，可通过调节温度、反应时间、催化剂浓度等反应参数制备不同分子量和D/L比的γ-PGA产品。

但化学合成法存在明显不足：一是反应过程中需要使用大量有毒化学试剂，对环境造成污染，且产物中易残留化学试剂，限制了其在食品和医药领域的应用；二是反应步骤复杂，副产物多，产物纯度低，分离提纯难度大；三是成本较高，原料利用率低，不适合大规模工业化生产。因此，化学合成法目前仅用于实验室制备特殊结构的γ-聚谷氨酸，未实现工业化应用。

而提取法是从天然产物中分离提取γ-聚谷氨酸的方法，γ-聚谷氨酸广泛存在于纳豆、发酵豆制品及某些微生物的荚膜中，其中纳豆是最主要的提取原料。提取过程主要包括原料预处理、破碎、提取、分离提纯等步骤，通过水提、碱提或酶解等方式将γ-聚谷氨酸从原料中释放出来，再经离心、过滤、沉淀等方法纯化得到产物。

提取法的优点是原料来源天然，产物安全性高，适合食品级γ-聚谷氨酸的制备。但原料中γ-聚谷氨酸含量较低，提取效率低，产量有限；原料价格较高，且受季节和产地影响较大，原料供应不稳定；同时在提取过程中易引入其他杂质，产物纯度难以控制。因此，提取法仅适用于小规模生产，无法满足工业化生产的需求。

微生物发酵法是目前使用范围最广的γ-聚谷氨酸生产方法，其利用能够合成γ-聚谷氨酸的微生物，在适宜的发酵条件下，以碳源、氮源等为原料合成γ-聚谷氨酸的方法。该方法原料来源广泛（如葡萄糖、蔗糖、玉米淀粉等均可作为碳源）、反应条件温和、产物产量高、成本低且符合绿色生产理念等优势，已成为γ-聚谷氨酸工业化生产的主流方法。

目前常用的发酵菌株主要包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌等，其中枯草芽孢杆菌因γ-聚谷氨酸产量高、遗传背景清晰、易于培养等特点，被广泛用于工业生产。微生物发酵法的核心在于筛选高产菌株和优化发酵工艺，通过基因工程、代谢工程等技术改造菌株，可进一步提高γ-聚谷氨酸的产量和品质。目前，国内外已实现微生物发酵法生产γ-聚谷氨酸的中试及工业化生产，产品广泛应用于各个领域。

还有一种具有广阔前景的基于合成生物制造的γ-聚谷氨酸生产工艺。这是在传统微生物发酵法基础上，通过基因编辑、代谢重构、合成生物学工具调控等核心技术，实现菌株定向改造与工艺精准优化的新型生产路径，核心流程围绕“工程菌株构建-发酵过程调控-高效分离提取”三大环节展开，全程凸显绿色化、精准化与高效化特质，彻底突破传统生产模式的瓶颈，成为推动γ-聚谷氨酸工业化升级的核心驱动力。

合成生物制造在γ-聚谷氨酸生产中的优势，不仅仅在于产量的提升，更体现在绿色可持续、定制化适配与成本可控三大核心维度，彰显出巨大的工业化应用潜力。其一，绿色环保优势凸显，产物可完全生物降解，契合“双碳”目标与绿色化工产业导向，适配食品、医药等高端领域的安全标准。其二，定制化生产能力突出，通过基因层面的精准调控，可定向设计不同分子量、D/L比的γ-聚谷氨酸产品，适配医药载体、化妆品保湿、农业保水等不同场景的差异化需求，大幅拓展产品应用边界。其三，成本优化潜力巨大，通过菌株改造使用非谷氨酸依赖型芽孢杆菌或谷氨酸棒杆菌为底盘，减少外源谷氨酸等昂贵原料的依赖，搭配廉价可再生碳源与高效发酵工艺，可实现生产成本的大幅下降，同时规模化生产过程中，可通过合成生物学工具快速迭代菌株与工艺，持续提升生产效率。

未来，合成生物制造在γ-聚谷氨酸生产中的潜力将进一步释放：一方面，可依托多底盘菌株改造技术，开发适配苛刻发酵条件的工程菌株，进一步简化发酵工艺、降低能耗；另一方面，通过合成生物学与人工智能的融合，实现发酵过程的智能化调控，推动生产工艺的全流程优化。同时，合成生物制造可实现γ-聚谷氨酸与其他生物基材料，如聚乳酸和透明质酸等的协同合成，构建一体化生物制造平台，拓展在生物医用材料、绿色包装、环境修复等领域的应用场景，彰显合成生物技术在绿色制造领域的核心价值。

作者简介：

徐国强，现任江南大学生物工程学院副教授，曾获华中农业大学生物工程专业学士学位，江南大学发酵工程专业硕士和博士学位，并在留学基金委的资助下公派赴美国伦斯勒理工学院从事合成生物学领域的访问学习。目前主要从事氨基酸衍生物（γ-聚谷氨酸等）的合成生物制造及其在未来农业和生物医药等领域的应用研究。承担《合成生物学》等课程的讲授工作，所授研究生课程《合成生物学》获得江苏省优秀研究生课程。近年来，在Trends in Biotechnology（2018）、Metabolic Engineering（2019， 2024）和《生物工程学报》（2020， 2024）等国际国内主流期刊上发表论文30篇；指导学生获得2019年国际遗传工程机器设计大赛（iGEM）金奖、Best Manufacturing单项提名奖（全球共4项）；担任《生物工程学报》青年编委。