一文详解：聚谷氨酸在农业领域的应用

       聚谷氨酸（γ-PGA），又称纳豆菌胶、多聚谷氨酸，它是一种水溶性，生物降解，不含毒性，是一种有粘性的物质，在“纳豆”—发酵豆中被首次发现。聚谷氨酸利用生物发酵工艺生产的大分子氨基酸聚合物，有粉剂和液体2种形式，相对分子质量100000～2000000（主要分布在1100000～1400000）。聚谷氨酸是一种特殊的阴离子自然聚合物，在α-氨基和γ-羧基之间包含谷氨酸的线性酰胺键结所构成的同型聚酰胺。聚谷氨酸（γ-PGA）是由微生物发酵合成的氨基酸聚合物，具有优良的生物相容性和生物可降解性，可作为生物医用材料，污水处理材料，也可应用于食品增稠剂、食品防冻保鲜、化妆品保湿剂及农业等领域。

       作为一种水溶性脂肪族聚酯，聚谷氨酸分子中有大量的游离的亲水性羧基，因此聚谷氨酸具有高度的水溶性、生物相容性、生物可降解性、生物可吸收性、无免疫原性和可化学衍生性，聚谷氨酸可在酸性水溶液中(如胃酸环境下)自发或在酶的促进下降解为小分子谷氨酸，而谷氨酸单体可参与三羧酸循环被人体吸收，并无任何毒副作用。聚谷氨酸分解或燃烧后，最终产物是二氧化碳和水，可被植物吸收，对环境无毒无害。

       化妆品级别所需聚谷氨酸一般要92%以上纯度，医美级别聚谷氨酸要98%以上的纯度，而农业领域对其含量要求想多简单,企业生产纯度也在3%-25%之间。

聚谷氨酸发展至今已有几十年历史，聚谷氨酸肥料凭借其在农业生产中的特殊功能，成为了热门产品。近年来，聚谷氨酸应用领域不断扩展，市场需求也保持增长趋势，2021年，我国聚谷氨酸市场需求量约为2150万吨。数据显示，2022年我国聚谷氨酸行业市场规模约为10.9亿元，同比增长8.6%。截止到2024年由于生产聚谷氨酸发酵水平较低，产品质量参差不齐，已进入相对内卷时代。据不完全统计，现阶段我国聚谷氨酸生产企业已超过30家，包括山东福瑞达、樟树市狮王生物、辽宁中科生、武汉光华时代、昆山博尔日生物、南京赛泰斯生物、万恒生物、南京轩凯、宁夏希望田野、甘肃大北农等企业。随着市场发展，聚谷氨酸产能落后及标准较低的企业将逐渐被淘汰，聚谷氨酸市场集中度将有所提升。

       农用聚谷氨酸走进事关粮食安全的化肥行业，有一个较为漫长的过程，这个发展历程可以概括为4个阶段。

       1937年，聚谷氨酸被首次发现，但在很长的一段时间内均处于科研摸索阶段，华中农业大学、南京工业大学等最先开启聚谷氨酸的研究，开启了聚谷氨酸“1.0时代”。

       随着科研的深入，聚谷氨酸在农业中的应用潜力也逐渐得到挖掘。基于此，一些聚谷氨酸生产企业和化肥龙头企业开始摸索聚谷氨酸的生产与应用。2008年，原湖北新洋丰肥业有限公司开始进行聚谷氨酸增效肥料研制与产业化开发，重点解决聚谷氨酸增效剂和增效肥产业化生产中所面临的工艺技术问题，为聚谷氨酸的产业化奠定了基础。此时，聚谷氨酸处于产业导入初级阶段，我们称之为聚谷氨酸的“2.0时代”。

       近10年以来，在良好市场潜力的引领下，聚谷氨酸开始走出实验室，进入产业化发展的“3.0时代”。一方面，诸多生产企业开始抢滩聚谷氨酸市场；另一方面，越来越多的化肥龙头企业也将目光瞄准聚谷氨酸，积极布局聚谷氨酸产品。云天化新型尿素、新洋丰洋丰硫复合肥、红四方的谷悦果乐复合肥、湖北祥云金稻满满水稻专用肥及六国化工水稻精准配方肥等均添加聚谷氨酸，同时一些新型肥料企业广东拉多美以及特种药肥企业陕西标正等也纷纷添加聚谷氨酸提升产品竞争力。

       在此阶段，校企结合促进聚谷氨酸产业化发展的格局初步形成，行业内对聚谷氨酸肥料产品应用效果研究增加，对聚谷氨酸生产工艺和聚谷氨酸增效产品的添加工艺的探究更加活跃，对下游农户的科普也逐步增强。

       然而，受制于生产工艺限制，聚谷氨酸的产能仍然有进一步的释放空间，聚谷氨酸下游产品的应用仍然有更大的挖掘潜力，工业化的规模和需求之间还并不匹配，特别是在基层农民的认知程度还有待提升。

       近年来，在“双碳”和国家可持续发展战略的要求下，发展对环境友好材料成为产业趋势，进一步推动聚谷氨酸产业化的进程，同时农民对肥料提质增产的需求非常迫切。加之，肥料绿色高效转型升级的速度的加快，聚谷氨酸的发展也即将进入加速度阶段，全面迎来“4.0时代”！

       聚谷氨酸经过对发酵工艺优化，并对其发酵产物进行高效液相色谱（HPLC）分析。结果表明，最佳培养基配方是葡萄糖，蛋白胨，味精，pH值7.5，HPLC分析表明，γ-PGA是谷氨酸的一种聚合物，其水解产物只有一种氨基酸。

       葡萄糖和蔗糖做为碳源的γ-PGA的产量比麦芽糖等其他碳源相对较好，可能是葡萄糖和蔗糖作为培养基的碳源比较有利于菌体的发酵反应，结合经济条件考虑，选择葡萄糖为最佳碳源比较合适。

       聚谷氨酸规范检测方法

       聚谷氨酸下游企业大部分没有检测能力，因此无法获得产品是否合格，这样就出现劣币逐良币，聚谷氨酸检测以“高效液相色谱或者氨基酸自动分析仪”检测是较为科学的，目前很多用酒精法也就是醇沉法检测，这个检测出的结果准确度不高，因为发酵液中有很多氨基酸衍生物、有机质，以干物质除以比重得出数据就会指标虚高，也就是这种放法检测35g/L,用液相色谱检测可能25g/L都不到。一般情况下，聚谷氨酸的纯度是衡量一个企业技术研发水平高低的标准。

       聚谷氨酸一般添加在有机水溶肥料产品中做登记。NT/T3831—2021《有机水溶肥料通用要求》，标准规定了含聚谷氨酸有机水溶肥料的术语和定义；原料要求(以聚谷氨酸等为主要原料，添加适量氮、磷、钾大量元素或钙、镁中量元素或铜、铁、锰、锌、硼、钼微量元素加工而成)；指标要求（至少应标明其所含聚谷氨酸等主要成分及含量、pH、水分（固体）、水不溶物、有毒有害成分限量等）。

       NT/T3039—2016《水溶肥料聚谷氨酸含量的测定》，标准规定了聚谷氨酸的检验方法及规则。

聚谷氨酸三种检测方法

1.减重法测试：减重法测试目前使用较为广泛，尤其是在终端判定上。部分营销人员借用析出法判定聚谷氨酸的真伪，实际上这种操作是不正确的，析出与否和分子量是有一定的关系。

原理：采用高纯度的乙醇析出聚谷氨酸，通过烘箱烘干，获得析出物的重量，计算聚谷氨酸的含量。

优势：测试操作简单，基本不需复杂的实验设备仪器，成本较低，此方法被大部分中小企业所使用，也被早期市场应用时，作为判断聚谷氨酸状态的一种简易手段。

问题：测试误差太大，误差率50%-100%，因此该方法未被行业主要聚谷氨酸生产企业所认可。

2.液相法测试：液相检测法目前专业聚谷氨酸生产企业比较认同的一种检测方法，检测的依据为：QB/T 5189-2017 《γ-聚谷氨酸》轻工行业标准。

原理：以硫酸钠为流动相，以不同含量的γ-聚谷氨酸标准溶液紫外吸收值为检测对象，利用高效液相色谱法测定γ-聚谷氨酸的含量。

优势： 含量测试校对较为稳定准确，误差较小；行业认可度高，方便与客户进行对标测试。

问题：不同分子量的聚谷氨酸测试与标准品及设备的选取存在误差，进口设备相对容易检测，国产设备峰值有时可能无法测出；测试过程相对较为繁琐，测试手法及准确率因人而异，需要一定的经验；配件及标准品存在损耗，检测成本较高。

3.氨基酸法测试：水溶性肥料中，聚谷氨酸含量的测定采用氨基酸自动分析仪法测试：NY/T 3039-2016《水溶肥料聚谷氨酸含量的测定》。

原理：分别测试试样中，经盐酸溶液水解后的和未经水解的游离氨基酸的含量，两者之间的差即为聚谷氨酸的含量。

仪器：氨基酸自动分析仪、恒温振荡箱、恒温干燥箱、离心机、水解管及封管装置、蒸干装置等。

结论： 三种聚谷氨酸的测试方法，均有其应用场景和存在的弊端。

• 终端快速判定大分子聚谷氨酸的，可以用无水乙醇（95%纯度酒精），分子量越小，絮凝度越差，低分子量的呈乳白色液体，无法絮凝；

肥料生产企业为了保证产品质量的合规性，可优先考虑采用液相色谱法检测，准确度较高，也是行业通行的标准；

• 聚谷氨酸的终端应用上，尤其是含聚谷氨酸的水溶性肥料或含聚谷氨酸的复合型肥料，可参考农业部标准执行。

聚谷氨酸粉剂一般有两种生产工艺：

       喷雾干燥和盐析法提取。喷雾干燥产品优点是速溶性、全溶性，缺点是获得纯度不高，但含量20-25%，足够农业使用了。

盐析法产品优点是，获得纯度高，一般在50%-90%以上，多在化妆品行业应用，缺点是获得产品溶解性差，不适合农业上做高端固体水溶肥使用。

γ-聚谷氨酸是氨基酸聚合而成的多肽，属于热敏物质，多肽在高温下容易变性失活导致其空间结构被破坏，变性后多肽不溶于水，失去原有功效和生物活性。因此那种方法都注意温度控制。

1.强亲水性与保水能力：降低土壤入渗率，减少水分下渗，提高土壤的饱和含水率，降低饱和导水率，增大土壤孔隙度。漫淹于土壤中时，会在植株根毛表层形成一层薄膜，不但具有保护根毛的功能，更是土壤中养份、水份与根毛亲密接触的最佳输送平台，能很有效率的提高肥料的溶解、存储、输送与吸收。阻止硫酸根、磷酸根、草酸根与金属元素产生沉淀作用,使作物能更有效的吸收土壤中磷、钙、镁及微量元素。促进作物根系的发育，加强抗病性。

2.平衡土壤酸碱值：对酸、碱具有绝佳缓冲能力，可有效平衡土壤酸碱值，避免长期使用化学肥料所造成的酸性土质。起到保肥作用，抑制硝氮、铵氮向土壤深层淋失。

3.可结合沉淀有毒重金属：对Pb+2、Cu+2、Cd+2、Cr+3、Al+3、As+4等有毒重金属有极佳的螯合效果。

4.增强植物抗逆能力：整合植物营养、土壤中的水活成份，可增强抵抗由土壤传播的植物病原所引起的症状。

5.促进增产：通过保持土壤水分含量、增强作物营养吸收，从而达到作物增产效果。

       聚谷氨酸是一种由若干个谷氨酸单体,通过微生物发酵合成的高分子、阴离子型多肽聚合物，即γ-PGA是一种带负电荷的合成聚合物。

壳寡糖，又叫壳聚寡糖、低聚壳聚糖，是将壳聚糖经特殊的生物酶技术降解得到的一种聚合度在2~20之间寡糖产品，是水溶性较好、功能作用大、生物活性高的低分子量产品。壳寡糖是自然界中唯一带正电荷阳离子碱性氨基低聚糖，是动物性纤维素。

       聚谷氨酸是负电荷，壳寡糖是正电荷，两者复配后一定程度上影响各自的生物活性。

       截至2022年，国内共有12家企业办理了含聚谷氨酸的有机水溶肥料登记证，共15张。其中2017年1个，2018年3个，2020年4个，2021年4个，2022年3个。聚谷氨酸含量：最低为5.0%，最高为120g/L。目前，已登记的聚谷氨酸肥料产品适宜范围包括烟草、猕猴桃、葡萄、小白菜、花生、小麦、玉米等。