聚γ-谷氨酸增效复合肥的发展与应用
时间：2021-02-01 20:03:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：聚γ-谷氨酸是一种由微生物合成水溶性的生物可降解性的新型高分子材料，广泛应用于农业、医药，食品、日化等领域，是一种公认的极具发展潜力的绿色化学产品。聚γ-谷氨酸作为肥料增效剂，在改良土壤结构，提高土壤持水保肥能力，减少对环境造成的污染，缓释化学肥料方面能产生良好的作用，具有显著的社会效益、经济效益和环保效益。介绍了聚，一谷氨酸及作为复合肥增效剂的性能特点、生产方法、国内进展和应用前景，并对国内今后聚，一谷氨酸及其增效复合肥的发展提出了一些建议。
聚γ-谷氨酸，英文Poly-γ-glutamic acid，简称γ-PGA，是自然界中微生物发酵产生的水溶性高分子氨基酸聚合物，由于其独特的理化和生物特性，被广泛用于医药、食品、农业、环保、日化、烟草、皮革、沙漠绿化和植物种子保护等领域，具有极大的开发价值和应用前景。
作为肥料增效剂使用，聚γ-谷氯酸的生物可降解型吸收促进剂的特性得以充分的发挥和利用，既可以进一步增加作物的产量，还可以对肥料起到很好的缓释作用，使肥料在土壤中的释放时间较传统肥料延长了4倍左右。在促进作物吸收的同时还起到抑制肥料成分快速分解和流失的作用，可直接减少肥料的用量20％以上，降低过量或施用化肥不当等造成的环境污染，具有显著的增产节肥效果。聚γ-谷氨酸增效复合肥的使用，对于促进我国农业的可持续发展，建设社会主义和谐新农村具有重要的现实意义。
1 性能特点
聚γ-谷氨酸结构为D型谷氨酸(D-Glu)和L型谷氨酸(L-Glu)通过α-氨基和γ-羧基形成肽键的高分子聚合物，通常是由5000个左右的谷氨酸单体组成，在每一个重复单元的α-碳原子还有一个游离的羧基，其结构式如下：
由于分子链上有大量游离羧基，易于修饰，为材料的功能化提供了条件，使其具有一般聚羧酸的性质，相对分子量范围一般在10万～200万之间。作为一种高分子聚合物，聚，一谷氨酸具有生物可降解性、超强吸水和保水性、良好生物相容性，低免疫原性、对环境无污染，对人体无毒害等一系列独特的物理化学和生物学特性，其降解产物为无公害的谷氨酸。
由于聚γ-谷氨酸极易溶于水，分子中含有1000个以上的超强亲水性基团(-COOH)，能充分保持土壤中水分，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。聚γ-谷氨酸特别是具有极强的吸水保湿性能，最大自然吸水倍数可达到1108γ-4倍，比目前市售的聚丙烯酸盐类吸水树脂高1倍以上，对土壤水分的吸收倍数为30～80倍。聚γ-谷氨酸的水浸液在土壤中具有一定的保水力和较理想的释放效果，在干旱地区使用有明显的抗旱促苗效应，并能有效提高肥料的溶解、储存、输送与吸收。
聚γ-谷氨酸还具有多阴电性，能有效阻止化肥中SO2-4、CO2-3、PO3-4、CO4O2-4与Ca、Mg等微量元素的结合，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。 对酸、碱具有绝佳缓冲能力，可有效平衡土壤酸碱值，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。此外，对于pb2+，Cu2+、Cd2+、Cr3+、Al3+、As4+等重金属离子，聚γ-谷氨酸有极佳的螫合效果，可作为重金属吸收剂，避免作物吸收过多土壤中有毒重金属。
2 生产方法
聚γ-谷氨酸的合成方法较多，有传统的肽合成法、二聚体缩合法、纳豆提取法和微生物发酵法等。由于化学合成法难度很大，没有工业应用价值，因此对于聚γ-谷氨酸合成方法的研究目前主要集中在微生物发酵领域。而对于微生物生产聚γ-谷氨酸的研究，日本最初是利用纳豆菌对谷氨酸进行聚合而成的，处于世界领先的技术水平。
近年来，我国和美国等国家也开展了微生物发酵法合成聚γ-谷氨酸的研究和开发。国内浙江大学，南京工业大学等高校已经开始对微生物发酵法生产聚γ-谷氨酸开展研究，并取得了一些进展。目前，大多数研究都集中在液态发酵生产聚γ-谷氨酸，包括发酵过程研究和提取纯化过程研究，以及衍生物的生产和性质的研究。
能用于发酵生产聚γ-谷氨酸的菌种较多，有地衣杆菌，枯草芽孢杆菌等菌种，而以枯草芽孢杆菌发酵生产聚γ-谷氨酸的研究居多。南京工业大学在实验室筛选得到一株聚γ-谷氨酸高产菌株，已获专利授权，并对合成工艺条件进行了优化，采用提纯新工艺，降低了生产成本，提高了产品质量。聚γ-谷氨酸发酵产量>30g／L，转化率90％，提取收率>80％，纯度>99％。
大多数聚γ-谷氨酸产生菌都是L-谷氨酸依赖型，直接利用L-谷氨酸发酵生产聚γ-谷氨酸成本较高，影响其工业化生产。随着分子生物学新技术的应用，利用基因工程方法构建聚γ-谷氨酸工程菌种有望从根本上解除制约其生产的瓶颈问题，为氨基酸发酵行业的进一步发展奠定坚实的基础。
传统微生物发酵法生产聚γ-谷氨酸是直接利用芽孢杆菌类的一些菌株，通过控制pH、温度、通风量等参数来调节发酵过程，进而来优化发酵工艺，并使菌株在生产中进行选育，其生产工艺流程见图1。
利用聚γ-谷氨酸生产聚γ-谷氨酸增效复合肥，其组分含量按重量计，聚γ-谷氨酸通常的添加量为0.01％～1％，其余为化肥量，生产工艺流程见图2。
3 国内进展
近年来，由于人们环境意识的增强和国家可持续发展战略的要求，发展对环境友好材料和开发改善环境问题的产品成为一种产业上的趋势，由此也推动了聚γ-谷氨酸产业化研究和开发的进程。国内部分大学和研究所也积极开展了相关的研究，国内已有数家企业开始计划聚γ-谷氨酸的大规模生产。由于这些产业化研究的发展和推动，使得聚γ-谷氨酸成为现阶段最受关注的新型生物制品之一。
国内华中农业大学、南京工业大学等近年来对聚γ-谷氨酸的研究都进行了一些工作，南京工业大学开展了聚γ-谷氨酸吸水材料的制备、绿色水处理剂、肥料增效等领域的应用研究，已申请4项国家发明专利。
华中农业大学农业微生物学国家重点实验室从2001年开始，专门成立了聚γ-谷氨酸课题攻关小组，重点研究聚γ-谷氨酸的制备和应用。通过多年的系统研究，目前已经完成了实验室规模聚γ-谷氨酸的发酵、提取和剂型的研制，先后开发出聚γ-谷氨酸纯品以及10％可湿性粉剂生产工艺和技术，并
