台湾味丹γ聚谷氨酸γPGA.docx

1、台湾味丹聚谷氨酸PGA台湾味丹-PGA宣传资料-PGA(gamma-Polyglutamic acid 聚麸胺酸)为最近开发成功一种最重要全天然生物可分解性高分子（见图一）。由于其构成成份相当奇特因而具有许多一般意想不到的结构特性和多功能特性，极适合于跨领域的工业应用，具高度经济价值。-PGA的工业化生产技术平台已在台湾成形，但其特殊的化学、生化、营养、生医、农业和工业上应用则有待积极开发和进一步加以商业化推广应用。由于-PGA为极新的生物高分子物（Biopolymer），其基本信息和应用才刚开始，非常缺乏。本文将提供学界、业界有关-PGA之基本信息以帮助业界从科技与学术的角度来认识此新产品之

2、化学、物理及生物学特性，进而促进此新生技产品在各工业领域之应用。-(D,L)-PGA, -(D)-PGA, 和-(L)-PGA等统称为-PGA。-(D)-PGA为最早被Ivanovics et al 发现存在于Bacillus anthracis 之细胞壁内。-PGA可以经由二种不同的生物化学转化机制聚合而成。其一为de novo Bioconversion Pathway，此为固态醱酵生产所进行者，不需要L-GA（L-Glutamic acid）当作诱导物质。另一方法为液态醱酵生产，所进行的生化转化聚合机制为 Salvage Bioconversion （见图二），此法需L-GA当作诱导物质

3、。液态醱酵方法适用于大量生产-PGA，所以也是工业上大量生产唯一之选择制法。-PGA的生合成大部份在细胞对数生长期或稳定生长期间累积，先聚合成于细胞体内，然后再排出体外。由于是亲水性高分子物质，因此主要生产效率是受限于-PGA之内在粘度(Intrinsic Viscosity)。枯草杆菌纳豆菌变种(Bacillus subtilis var. natto)均有生合成-PGA之能力，但生产-PGA之产率、分子量和D/L比例则视菌属种类及生长培养液中成份而略有差异。表一所列为已知-PGA生产菌例。高产效率而且是符合美国 FDA所订定 GRAS 规范的Bacillus subtilis var. n

4、atto菌已被成功地开发出来并运用到液态醱酵生产制程，证明Salvage Bioconversion Pathway 是适于大量生产-PGA的最有效益生物合成机制。台湾在近年政府极力推展发展生物科技产业并在经济部的产官学和专业合作方案下，-PGA新生技事业已极成功地逐步迈出一条大道。在未来的几年内台湾应可以顺利地建立成为全球最具竞争优势的新兴生技产业。聚麸胺酸（-PGA）及其盐类之化学结构A-非解离的-PGA， B-为一价盐类之结构, M(I )-PGAC-为二价盐类 M(II) -PGA之结构。 M (I) = , 或 M(II) = 或。Figure 1. The chemical str

5、ucture of -polyglutamic acid (-PGA) and the salts of -PGA. (A) the acidified form of -PGA, (B) the M(I) -PGA, (C) the M(II) -PGA, where M(I) = , or ; M(II) =, or .-PGA生化合成机制-Salvage Bioconversion PathwayFigure 2. -PGA biosynthesis via salvage pathway. The microbes are stimulated to produce-PGA by th

6、e addition of L-glutamic acid.(adapted from Hara, T., et al.,1982)表一、合成-(D,L)-PGA之醱酵菌Table1. The bacteria producing -(D,L)-PGA-(D,L)-PGA之构成单元为GA(glutamic acid)，GA含有三个活性官能基:-NH2，-COOH及-COOH。三个功能基之化学活性依序为-NH2-COOH-COOH，其 酸解离常数各为pK = pK1 = 2.132.2，pK= pK2 = 4.254.32，pK3 = 9.79.95。-COOH与-NH2缩水结合成为-pepti

7、de bond（-蛋白键）。-COOH与-NH2缩水结合成为-peptide bond（-蛋白键）。L-GA在一般化学聚合反应中生成-peptide bond的-(D,L)-PGA，但L-GA在醱酵过程中，则大部份变旋光成为D-GA，然后D-GA和L-GA则共同行聚合而成-peptide bond结合的-(D,L)-PGA，在一般的蛋白物质中，胺基酸之间均以-peptide bond结合，所以均能被proteases所水解。唯独-peptide bond（-蛋白键）结合而成的则除了-GTP(-glutamyl transpeptidase)以外均不会被一般的protease所水解，所以-(D,

8、L)-PGA构成一定程度的抗菌性。因而在食品、化妆品和生医材料方面之应用呈现相当程度的抗微生物与食品安全性在-PGA分子中，由于强力的-COOH与-peptide键之 -NH2- 所形成的氢键(hydrogen bonding)再加上conformational change(分子结构上之外在形态改变)，使得-COOH基变成不解离状态以至pK = pK1 = 0，使整个-(D,L)-PGA分子成为极紧密而收缩的-helix conformation，因而呈现强烈的hydrophobic-(L)-PGA和-(D,L)-PGA均存在着五种不同的conformational states(分子外型结

9、构状态)：-helix，-sheet，random coil，helix-coil transition和enveloped aggregation等。-(L)-PGA之每一个repeat unit在random coil state之unit length为0.35nm，直径为1.4nm，而在-helix state之unit length则为0.15nm，直径为1.1nm，-(L)-PGA之pK2 = pK = 4.375相较于Glutamic acid中之pK2 = pK = 3.9。图三中显示-(L)-PGA在水相中随pH之高低而有不同，存在着不同的conformational sta

10、tes。-(L)-PGA于均匀水相中于pH = 4.55.5之间，游离态的-helix state转变成random coil state，但在固定态（adsorbed）的-(L)-PGA，其转变pH则较高约为5pH7（见图四），显示固定态的-(L)-PGA之hydrogen bonding比游离态的强度较为弱小。图五显示随pH值升高，疏水性的-helix中的氢键消失因而转换成random coil的结构形态，亲水性大为增加而成为带阴电性(polyanionic)的表面，水溶性大大地增加。-(D)-PGA之pK = 4.06，而-(D)-PGA之pK = 5.56.0，相较于glutamic

11、acid中之pK = 2.2，pK = 3.9，明显地减弱氢键强度。ORD（Optical Rotatory Dispersion）测试显示由于同分子内的羧基间氢键使得-(D)-PGA形成至少四种结构功能态(conformational states)。其一为不解离的游离酸(unionized free acid)（Zanuy D.）(13)呈-helix的结构，如图四和五所示。317 helix是由-NH-基与COOH基之Carboxyl间之氢键构成，319 helix 则由-COOH基中之-CO与-OH-基间的氢键构成，每三个glutamic acid单位绕成一圈，其圈距为4.8 A，具有

12、4个氢键。此等氢键（inter-carboxyl hydrogen bonding）极强使得-(D)-PGA之-helix结构变得很紧密缩小坚固而变成不溶于水。 在均匀水相中聚麸胺酸（-PGA）之螺旋态结构(-helix)随pH值而改变。固定态-PGA转形成-helix之pH值比游离态-PGA为高。(adapted from Pefferkorn E et al.)Figure 3. Helix formation of poly-L-glutamic acid as afunction of pH for the homogeneous solution phase and for cell

13、ulose acetate adsorbed phase. (adapted from Pefferkorn E. et al.) 聚麸胺酸(-Poly-(D)-glutamic acid)之319左手式螺旋状结构(adapted from Pefferkorn E et al.) Figure 3. Helix formation of poly-L-glutamic acid as afunction of pH for the homogeneous solution phase and for cellulose acetate adsorbed phase. (adapted fro

14、m Pefferkorn E. et al.) 聚麸胺酸-Poly-(D,L)-glutamic acid在水中之解离度Figure 5. Dissociation of -(D,L)-Polyglutamic acid in water at different pH value生物高分子的分子结构、特性和功能性能提供必要的技术讯息给各领域的使用者参考，以便判断可能性和有效性等指标。最重要的技术信息包括明确的分子结构、功能基群和内涵的特性等。具代表性的有1H-NMR图，13C-NMR图，FT-IR图，DSC热分析图，TGA热分析图，酸硷特性图，水溶解度图，水溶液粘度图以及结构型态与功能特性数

15、据等对于各领域的使用者都是极为重要的最基本技术信息。-(D,L)-PGA及其重要的盐类之上述大部份数值各列于表二。图六为-(D,L)-PGA之酸硷滴定图。图七为-(D,L)-PGA钠盐之粘度、温度、浓度关系图。大量的-(D,L)-PGA最早被发现存在于日本纳豆食品（经醱酵过之小黄豆）所含具有高粘稠性的拉丝中，近55以上的粘丝固形组成物为-(D,L)-PGA，其余40%为Levan。-(D,L)-PGA之正确命名化学成份和结构等则是最近几年才被确认。-(D,L)-PGA可利用微生物枯草杆菌纳豆变异种（Bacillus subtilis var. natto）等，将L-GA经由生物化学转化机制-S

16、alvage Bioconversion Pathway（见图3所示）聚合而成之单一种胺基酸高分子（mono-amino acid polymer）（见图一所示）。天然的-PGA含有左旋光性的L-GA和右旋光性的D-GA，其D/L比例约为1:1到4:1。一般-PGA之聚合度约为1000到15000，分子量在100K到3000K之间。产率约为36-PGA，视所使用的菌株和培养基之营养成份而略有不同。国内大厂所生产之 - (D,L) - PGA，其 D / L比 = 52 %：48 %。其他已知的-(D,L)-PGA生产株特性列如表一所示。-(D,L)-PGA之经济价值就存在于其全天然生物可分解特

17、性，可以工业化大量生产，有完全的生体兼容性、无毒性，和生物学上之多功能性。纳豆在日本做为食品已有上千年之历史，在纳豆之粘丝中存在着约55以上之成份为-(D,L)-PGA之物质（为钠盐和铵盐之混合物）。天然的-(D,L)-PGA之分子量约为130万到300万daltons，聚合度（degree of polymerization）约为1000到15,000个麸胺酸。-(D,L)-PGA盐类可以再修饰（modify）成更有吸水及保水之Hydrogel（水胶）可以大大改进-(D,L)-PGA之多功能特性，赋予更有效的储存和缓释（controlled release）之功能，在医药、农业和化妆品工业之

18、应用，效果非常显著。而-(D,L)-PGA之成膜特性和柔软（soft and tender）之特色在化妆品工业、土木工程以及人纤的加工应用更是指日可期。其对于钙镁盐类之特殊溶解和错合功能更有助于钙吸收和减缓骨质疏松增进健康等功效。总之-(D,L)-PGA所具有的结构上功能性和生体兼容性以及生物可分解性，使其极具经济价值，明显地可以发现其在跨工业领域的应用。表3列述-(D,L)-PGA在各种工业上的潜在应用表二、 聚麸胺酸(-(D,L)-Poly-glutamic acid)及其盐类之结构特性分析数据Table 2. Summarized data of chemical shifts of 1

19、H and 13C, FT-IR absorption peaks, and thermal analysis for -(D,L)-PGA and the mineral salts: of -polyglutamates.a、-(D,L)-PGA钠盐之pH与粘度关系图Figure 7a. pH depende nce of the viscosity of 4sodium-PGA at 25b、-(D,L)-PGA钠盐之温度与粘度关系图Figure 7b. Temperature dependenc e of the viscosity of 4sodium-PGA.c、-(D,L)-PG

20、A钠盐之浓度与粘度关系图Figure 7c. Concentration dependenc e of the viscosity of 4sodium-PGA.PGA发酵液系以麸胺酸(L-glutamic acid)为原料加入纳豆菌(Bacillus subtilis var. natto)进行液态醱酵而成，内含丰富的- 聚麸胺酸(- Polyglutamic acid,- PGA)，以及麸胺酸、葡萄糖、蛋白质、矿物质、维生素及多种生化活性物质，是取之天然、有机、用之环保的植物营养促进剂。味丹企业运用了独家的国际专利- PGA制程技术(荣获台湾、英6国、德国、法国、瑞士、瑞典、意大利、西班牙

21、等8国专利，美国、日本、中国已公开pending中)，开发出台湾第一支拥有国际专利的液态肥料-纳多力1号，乃台湾近年来不可多见的高科技农业生技肥料。超强亲水性与保水能力纳多力 1 号中的 - PGA 分子含有 1,000 个以上的超强亲水性基团 (-COOH) ，能充份保持土壤中水份，改进黏重土壤的膨松度及空隙度、改善砂质土壤的保肥与保水能力。用于漫淹土壤时，会在植株根毛表面形成一层薄膜保护根毛，是土壤中养份、水份与根毛亲密接触的最佳输送平台，有效提高肥料的溶解、储存、输送与吸收。促进土壤中磷肥与微量元素的吸收- PGA 具多阴电性，能有效阻止化肥中硫酸根、磷酸根、草酸根、碳酸根与钙、镁等微量

22、元素的结合，避免产生低溶解性盐类与沉淀作用，使作物更能有效吸收土壤中微量元素，促进作物根系的发育、加强抗病性。平衡土壤酸硷值对酸、硷具有绝佳缓冲能力，可有效平衡土壤酸硷值，避免因长期使用化学肥料所造成的酸性土质及土壤板块化。螯合土壤中有毒重金属，缓解土壤毒害对于 等重金属有极佳的螯合效果，可避免作物吸收过多土壤中有毒重金属。纳多力 1 号，能减少化肥使用量、避免土壤酸化、强化农田地力、维护生态环境，进而增加作物根系发育与收成。该产品以环境永续经营的开发概念代表味丹企业对这块土地的疼惜，期待一起重视这块土地、爱护我们的生态环境，让后代子孙的生活环境更加美好分析项目结果分析项目结果全氮(CNS 8

23、449)1.5 %砷(CNS 12954)未检出全磷酐(CNS 8450)0.1 %镉(CNS 12955)未检出全氧化钾(CNS 8451)0.1 %镍(CNS 13029)未检出硫氰酸(CNS 3080)未检出钛(CNS 13031)未检出胺基磺酸(CNS 13278)未检出铬(CNS 13030)未检出二缩态氮(CNS 12965)未检出亚硝酸(CNS 12966)未检出分析项目 结果 分析项目 结果 热量46.64kcal/100g镁(Mg)39.2mg/100g粗蛋白7.69g/100g锰(Mn)0.35mg/100g粗脂肪未检出锌(Zn)0.89mg/100g碳水化合物3.97g/

24、100g总氯(Cl%)2,599.45ppm灰份2.96g/100g维生素B10.1ppm钠(Na)1,347mg/100g维生素B214.8ppm磷(P)61.8mg/100g维生素B6 3ppm 钾(K) 195mg/100g 生物素 39.25ng/g 钙(Ca) 27.4mg/100g 菸硷酸 8.4ppm 铜(Cu) 0.19mg/100g 叶酸 241.6ng/g 铁(Fe) 5.2mg/100g 泛酸 4.7g/g 实例1 台中县雾峰黄耆栽种前2组均施用有机基肥，试验组追肥以纳多力 1 号稀释300倍施用，每株施用500ml，4个月后观察，叶子与根系皆比对照组生长的好。 植株高度

25、 (cm) 根系长度 (cm) 百喜草高狐草百喜草高狐草 试验组(施用纳多力1号)14-1810-1480 53 对照组6-84-74020 实例2 中兴大学、中华民国环境绿化协会百喜草与高狐草实验组与对照组的平均植株高度( 生长30天 )与根系长度(生长50天)结果实例3 台中市南屯台中191号梗米第2期作稻田，8/12插秧、9/12拍摄，试验组施用纳多力1号，1.5 kg/分地，比同期未施用的对照组叶长且根多。实例4 南投县埔里 蔬菜种苗场纳多力1号稀释500倍后喷洒种苗，培育、生长情况良好，高丽菜苗根系茂密、健康。 实例5 彰化县二林 青葱 纳多力1号稀释125倍，每星期浇头一次，共三次

26、。 两区葱田差异显著： 1. 植株颜色 2. 叶的厚度与强韧度 3. 叶的枯萎率实例6 南投县信义 土壤盐积 棚网室中严重的盐积现象，但使用纳多力1号后可改善土壤盐积的问题，小黄瓜与高丽菜依然健康的生长。肥料品目家庭园艺用复合肥料肥料登记证字号肥制(复)字第0066009号登记成分全氮1.5%、水溶性磷酐0.1%、水溶性氧化钾0.1% 包装方式 1公升 / 5公升 / 20公升 使用方法 稀释300倍直接灌施根部周围(灌头)或漫灌田沟，每15至20天施用一次(可再配合稀释1000倍施加叶面喷洒) 使用量 1. 水稻、蔬菜、瓜果、草皮、花卉、茶园1.5公升 / 每分地2. 果树5公升 / 每分地施用时期 植物、作物各生长期均可适量施用 注意事项 1. 与基肥或追肥同时使用，效果最佳(基肥、追肥、化肥可减量施用) 2. 本品含多种生化物质，如稍有产气、膨罐均属正常现象3. 请保存于阴凉处，避免高温或阳光直射