1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西西安, 710075; 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西西安, 710075; 3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室,陕西西安, 710075
摘要:γ-聚谷氨酸是一种绿色环保型高分子聚合材料,具有良好的吸附性、保水性和生物可降解性。作为增稠剂、保湿剂、药物载体、肥料增效剂等应用于食品、日化、医药、农业生产和环保等众多领域,引起了国内外学者的广泛关注。本文重点论述了γ-聚谷氨酸的应用方向,并对γ-聚谷氨酸未来发展方向进行展望,以期为进一步开发应用提供依据。
关键词:γ-聚谷氨酸;应用;展望
γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是由D-谷氨酸或L-谷氨酸聚合而成的一种天然多聚氨基酸,具有较好的保水性、可食用性和生物可降解性,无毒且能够生物降解,对人体和环境无害,应用范围非常广泛,极具研发和应用潜能。γ-PGA是一种高聚物,随着对γ-PGA研究的不断深入,发现不同相对分子质量的γ-PGA的特性与功能有所差异,也有着不同的应用范围,下文总结了不同相对分子质量的γ-PGA的相关应用[1]。
1 在食品中的应用
γ-PGA可以降解,因此能够作为食品添加剂,例如增稠剂,改善食品品质和保鲜防腐等。γ-PGA还是一种优良的防冻剂,其性质优于常用的防冻剂。相比于葡萄糖、无机盐等常用的小分子防冻剂,γ-PGA的味道更淡,对食品品质影响更小。研究表明,γ-PGA能够促进细胞内钙离子的吸收,可以作为营养助剂,提升食品的商业价值。
2 在日化用品中的应用
γ-PGA是一种高聚物,具有超强的吸水性和缓释能力,可以用于化妆品保湿剂。γ-PGA的保湿效果优于透明质酸,在日本护肤品品牌中较常见。此外,γ-PGA还被广泛用于制作湿巾、卫生巾等卫生用品,既可以保湿又对人体无害[2]。
3 在医学中的应用
γ-PGA具有良好的亲水性,可其作为药物载体,提高药物的缓释性和靶向性。γ-PGA本身可降解,对人身体无害,还可以降低药物的毒副作用,增强药物稳定性。化疗药物会对病人健康细胞和癌细胞无差别破坏,将γ-PGA用于药物载体,可以提高载药量和稳定性,降低对人体的损伤[3]。γ-PGA可以作为载体,用于疫苗研发γ-PGA还可以作为黏合剂,防止手术过程中的机体渗血。
4 在农业中的应用
4.1 保水剂
长期以来,土壤干旱和沙化严重影响我国农业的发展,土壤保水剂是近几年来发展十分迅速的一种抗旱保水材料。高吸水树脂的应用日益受到研究学者的广泛关注,吸水树脂与土壤结合,不仅可以改善土壤团粒结构,还能提高土壤的保湿和保肥能力,在改造荒山、沙漠等工程中发挥积极作用。将γ-PGA吸水树脂包埋种子,在缺水的沙地上进行绿化试验,实验发现种子可以正常发芽生长[4]。
4.2 增肥剂
γ-PGA作为肥料增效剂,可解决普通化肥养分利用率低、养分利用不高效的问题,在农业生产中大量推广应用将会得到较好的经济和社会效益。γ-PGA肥料增效剂经过近年来的农业生产实践,证实了它具有保护土壤养分,安全环保且无二次污染的特点。在小麦、番茄、小青菜等农作物的种植应用中,提高了肥料利用率,降低了生产成本,提高了农作物的产量和品质[5]。
4.3 酸碱平衡
γ-PGA对于调节土壤酸碱值具有一定的缓冲作用,能够有效的平衡土壤酸碱值,避免长期使用化肥造成的土壤酸化和板结现象,缓解土壤压力。将γ-PGA施用于土壤酸化的苹果园中,发现γ-PGA能够显著提高土壤的pH值,改善因酸化造成的果树病害,同时改善果实品质[6]。
4.4 抗逆
γ-PGA可以促进植物根系的生长,通过刺激根毛和新生根系的生长,从而提升植物地下部分吸收养分的能力,在干旱、水涝和低温等逆境条件下,可有效保证养分和水分的正常吸收,缓冲旱、涝、寒等逆境对植物根系造成的损害。无机盐混合试剂与γ-PGA复合引发处理早稻种子,可以增强水稻低温传导转录途径的表达,从而提高水稻的耐寒性。盆栽实验发现,施入γ-PGA不仅可以降低钙、镁离子的生物有效性,而且能够促进植物的生长发育,提高植物的耐盐性[7]。
4.5 促进种子萌发
在种子萌发过程中,脂质过氧化会降低种子的活力,影响其萌发状态,消除活性氧引起的过氧化损害,能够提高过氧化物酶的活性,保证种子的正常萌发。在不同分子量大小的γ-PGA中加入绿豆种子,通过记录种子的发芽势和发芽率,研究结果表明,高分子量γ-PGA会抑制种子的萌发,而低分子量γ-PGA可以促进种子的萌发,但两者的萌发结果均比空白对照组数值高[8]。
5 其他应用
γ-PGA具有生物降解、无毒等特性,随着塑料在包装行业的使用越来越多,塑料垃圾对环境造成了很大的影响。将酯化的γ-PGA作为绿色塑料的新型材料,应用于食品包装、一次性餐具及其他各种工业用途中,对于缓解生态环境恶化和资源短缺问题,具有长远的战略性意义
[9]。由于γ-PGA对重金属及稀土元素都有较好的吸附效果,且自身无毒无污染,能够进行生物降解,所以是一种环境友好型的污水处理絮凝剂。
6 展望
γ-PGA所具有的优良特性决定了它的应用范围较广,除食品、医药、农业等方面外,在地震预测和地质环境监测领域也体现出应用价值。目前,制约γ-PGA发展的问题主要是生产效率和生产成本,随着分子生物学的发展,基因工程有望解决这些问题。γ-PGA的性质与相对分子质量密切相关,而影响机制尚不清楚,需要从分子水平来进行解释,因此关于相对分子质量的研究是γ-PGA未来的重要研究方向之一。
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基金项目:陕西省土地工程建设集团内部科研项目(DJNY2021-25)