《食品科学》：聚γ-谷氨酸分子结构变化在氯化钾降低发酵液黏度中的作用

聚γ-谷氨酸（PGA）是一种由D-谷氨酸和（或）L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基以酰胺键链接而成的阴离子型高分子聚合物。PGA特殊的聚酰胺结构和主链上大量的游离羧基赋予其独特的生化特性，如水溶性、可降解性、无毒、无免疫原性及羧基可作为活性位点进行修饰等性质。因此，PGA及其衍生物被广泛用于食品、化妆品、医药和农业等领域。

PGA分子结构（分子质量、立体构型和构象）与其水溶液的黏度极具相关性，且随环境因素变化而变化，表现出结构多样性。推测PGA分子结构的变化在KCl降低PGA发酵液黏度的过程中可能起重要作用。因此，KCl对PGA分子结构的影响值得深入探究。广西大学生命科学与技术学院，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广西微生物与酶工程技术研究中心的李凌甫、蒋 莉、曾 伟*等人利用1 株谷氨酸依赖型菌株枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）GXA-28为研究对象，通过在其发酵培养基中添加15 g/L KCl研究该菌株合成的PGA分子结构变化情况及其对发酵液黏度的影响。

1、PGA分子质量分析

如表1所示，当培养基中KCl添加量从0 g/L增加至15 g/L时，B.subtilis GXA-28合成PGA的重均分子质量和数均分子质量均有所降低，其中重均分子质量从（3 590±10）kDa下降至（3 090±10）kDa，数均分子质量从（1 620±26）kDa下降至（1 210±40）kDa，但多聚分散性从2.22提高至2.55。多聚分散性的提高是因为在添加15 g/L KCl培养基中小分子质量的PGA数量增加。

2、PGA分子中D/L-谷氨酸比例分析

如表2所示，当培养基中KCl添加量从0 g/L增加至15 g/L，PGA分子中D-谷氨酸比例从（47.66±0.10）%提高至（53.77±0.02）%，L-谷氨酸比例从（52.34±0.10）%下降至（46.23±0.03）%。除了K + 之外，Mn 2+ 已经在B.subtilis NX-2、B.licheniformis ATCC 9945a、B.licheniformis WBL-3等多株细菌中被证明能够有效地改变PGA中D/L-谷氨酸的比例。

3、静态光散射分析

如表3所示，经过6 h静置后，不同KCl质量浓度下合成的PGA重均分子质量差别显著，并且远大于前文中分子质量。当培养基中KCl质量浓度从0 g/L增加至15 g/L时，在水溶液中的PGA重均分子质量从1.40×10 4 kDa提高至5.22×10 7 kDa。这是由于PGA分子会通过分子间相互作用使分子链纠缠形成聚集态、超螺旋和超折叠结构导致分子质量增加。

4、红外光谱分析

如图1所示，不同KCl质量浓度下合成的PGA均在3 300～3 400 cm -1 处有一个宽峰。未添加KCl时宽峰较为尖锐且特征峰的波数为3 374 cm -1 ；添加15 g/L KCl时特征峰峰形平缓宽大，特征峰波数3 314～3 374 cm -1 。上述宽峰是由酰胺键中—NH基团振动伸缩引起的，宽峰中波数大（一般大于3 350 cm-1）的特征峰是非氢键酰胺—NH基团引起的，而波数小（一般小于3 350 cm-1）的峰则是氢键酰胺—NH基团，当两种—NH基团共存时特征峰会重叠而形成宽峰。

5、圆二色谱分析

如图2所示，不同KCl质量浓度下合成的PGA分子均在212 nm存在负峰。在远紫外区时，β-折叠结构的多肽会在212 nm处形成负峰。212 nm处的负峰表明不同KCl质量浓度下合成的PGA都存在β-折叠结构，且未添加KCl时合成的PGA分子以β-折叠结构为主。培养基中添加15 g/L KCl时合成的PGA在209 nm和215 nm处形成了负峰。远紫外区时，α-螺旋结构的多肽会在209 nm处形成负峰。

6、差示扫描量热和热重分析

如图3所示，第1个吸热峰是PGA纯化样品中的水蒸发吸热峰，质量占据了样品质量的20%；第2个吸热峰是PGA分子的吸热峰，而该吸热峰分成了2 个阶段，第1阶段的吸热峰面积较第2个阶段大。当培养基中KCl添加量从0 g/L增加至15 g/L时，PGA熔点从376.46 ℃提高至377.26 ℃，焓变从486.6 J/g提高至498.1 J/g（表4）。这表明随培养基中KCl添加量的增加，PGA熔点和焓变稍有提高。

7、PGA溶液剪切黏度分析

当培养基中添加15 g/L KCl时，PGA剪切黏度从2.12 Pa·s下降至1.44 Pa·s，剪切黏度降低了32.08%（图5a）。此外，随静置时间的延长，PGA水溶液的剪切黏度明显降低。PGA水溶液静置6 h后，培养基中未添加KCl时合成的PGA水溶液剪切黏度为1.99 Pa·s，添加15 g/L KCl时的剪切黏度仅为1.14 Pa·s，相比于0 h的剪切黏度分别降低了6.14%和20.84%（图5b）。这表明培养基中KCl的添加使PGA水溶液剪切黏度随时间延长而降低的现象更明显。该结果与上文推测基本一致。

结论

综上所述，KCl的添加会使PGA分子结构发生变化，分子结构的变化会直接导致PGA水溶液黏度降低，从而引起PGA发酵液黏度的降低。KCl降低发酵液黏度时分子结构变化涉及分子质量、立体构型和构象，而其他降低PGA发酵液黏度的方法引起的分子结构变化往往是单方面的。如耐盐B.subtilis（chungkookjang）发酵生产PGA时可以通过添加NaCl使发酵液黏度降低，NaCl的添加引起发酵液黏度降低的原因是NaCl导致PGA分子质量的降低。B.subtilis CGMCC 2108发酵生产PGA时，可以通过向培养基中添加CaCl 2 降低发酵液黏度，而导致发酵液黏度降低的原因是CaCl 2 使PGA构象发生了变化。分子结构多方面变化协同作用导致PGA发酵液黏度降低给开发降黏策略提供了新的思路和基础。

本文《聚γ-谷氨酸分子结构变化在氯化钾降低发酵液黏度中的作用》来源于《食品科学》2021年42卷22期148-154页，作者：李凌甫，蒋莉，刘瑶，丁苏，陈桂光，梁智群，曾伟。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200731-414。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

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