1 聚谷氨酸是什么

1.1 护肤品中的聚谷氨酸通常是聚-γ-谷氨酸

         护肤品中所说的聚谷氨酸，通常指聚-γ-谷氨酸，英文为poly-γ-glutamic acid，简称为γ-PGA。

         γ-PGA是由大量谷氨酸单元连接而成的天然高分子，工业上通常由芽孢杆菌等微生物发酵生产。根据菌株和生产条件不同，γ-PGA可以由D-谷氨酸、L-谷氨酸或二者共同组成，分子量也可能跨越较宽范围。[1,3]

         化妆品原料中还常使用γ-PGA的钠盐，即聚谷氨酸钠。钠盐形式通常具有较好的水分散性，但其实际黏度、成膜性和使用感仍取决于分子量、浓度、pH以及配方中的电解质。

1.2 γ-PGA是一种聚氨基酸，但不是普通蛋白质

         γ-PGA确实由氨基酸单元构成，可以归入聚氨基酸或天然聚酰胺。它与胶原蛋白、角蛋白和酶等普通蛋白质在连接方式、单体组成和结构功能上存在明显差异。

         普通蛋白质的功能往往依赖精确的氨基酸序列和三维折叠；γ-PGA的保湿作用则主要来自重复结构产生的高密度羧基，以及高分子链在水中的物理化学行为。

2 γ-酰胺键为什么是理解聚谷氨酸的关键

2.1 谷氨酸具有两个羧基

谷氨酸的基本结构可以简化表示为：

H₂N—CH(COOH)—CH₂—CH₂—COOH

其中包括：

· 一个α-氨基；

· 一个α-羧基；

· 一个位于侧链末端的γ-羧基。

         普通蛋白质形成肽链时，通常由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基连接。

         γ-PGA采用不同的连接方式：一个谷氨酸单元的γ-羧基与下一个谷氨酸单元的α-氨基形成酰胺键。

结构连接关系可表示为：

γ-COOH ＋ H₂N-α → γ-CO—NH-α ＋ H₂O

其重复结构可简化为：

[—NH—CH(COOH)—CH₂—CH₂—CO—]ₙ

这里的结构式主要用于表示相邻谷氨酸单元之间的连接位置。微生物发酵中的实际聚合由膜相关合成酶系统驱动，并不是游离谷氨酸在普通水溶液中自行缩合。[1,3]

2.2 γ连接方式保留了大量侧向羧基

         由于γ-羧基参与主链形成，每个重复单元上的α-羧基仍保留在聚合物链侧面。

于是，γ-PGA形成了一个具有以下特征的长链：

         ①主链由γ-酰胺键连续连接；

         ②每个重复单元带有一个可解离羧基；

         ③羧基沿聚合物链密集分布；

         ④在适当pH下，大量羧基转化为带负电的羧酸根。

         γ-PGA的亲水性并不只是因为谷氨酸本身含有羧基，而是因为这些羧基被重复排列在同一条高分子链上，形成连续的水合作用区域。

         γ-PGA的保湿作用来自其特殊化学结构及高分子行为。γ-酰胺键连接谷氨酸重复单元，并在分子链侧面保留大量可解离羧基；这些亲水基团与水形成动态水合层。随着γ-PGA在皮肤表面铺展和局部浓缩，聚合物链发生交叠与缠结，并形成非完全封闭的亲水膜，从而提高角质层表面水合并减缓水分蒸发，其主要过程如下图所示。

3 聚谷氨酸为什么能够与水强烈相互作用

3.1 羧基和羧酸根形成水合层

         水分子具有偶极性。γ-PGA链上的羧酸根带有负电荷，可以通过离子—偶极作用吸引水分子，并在周围形成水合层。

         未完全解离的羧基、主链中的酰胺羰基和酰胺氢也能参与氢键作用。

聚合物链与水的主要相互作用包括：

羧酸根—水：离子—偶极作用

羧基—水：氢键作用

酰胺基—水：氢键作用

由于这些亲水基团沿长链密集排列，一条γ-PGA分子能够形成连续而广泛的水合区域。

3.2 高分子链把水组织成动态水合体系

         小分子吸湿剂主要依靠单个分子上的羟基、羧基或其他极性基团与水结合。γ-PGA除了具有大量亲水基团，还具有高分子链特有的体积、构象和链间作用。

         γ-PGA进入水相后，会发生以下过程：

         羧基水合 → 链周围形成水合层 → 链构象和水动力体积改变 → 在分子量、浓度、pH和离子强度适宜时，溶液黏度升高，并可能出现链交叠和缠结

         水并不是被永久固定在某个羧基上，而是在结合、解离和扩散之间不断交换。高分子链的存在增加了水分移动时需要经过的微观路径，使部分水分保持在聚合物周围和链间区域。

因此，聚谷氨酸的保湿作用由两个部分共同构成：

         1. 亲水基团与水之间的分子相互作用；

         2. 高分子链对水分迁移动力学的影响。

3.3 pH会改变羧基解离和链间作用

γ-PGA侧链上的羧基可随pH变化发生解离：

—COOH ⇌ —COO⁻ ＋ H⁺

当羧基解离程度提高时，聚合物链上的负电荷增加。静电排斥、链内氢键、反离子水合和链间缠结会随之改变，从而影响γ-PGA的构象、溶液黏度和水合状态。

         实验研究显示，γ-PGA从酸式向盐式转变时，其二级结构、分子形态、水动力尺寸和黏度均会发生变化；浓度升高后，链间相互作用和缠结的影响也会增强。[2]

因此，同一种γ-PGA原料在不同pH和电解质条件下，可能表现出不同的黏度、拉丝性、涂抹感和成膜状态。

4 聚谷氨酸涂到皮肤上会经历什么

4.1 随配方铺展并在皮肤表面水合

         γ-PGA通常存在于精华液、凝胶、乳液或面膜的水相中。产品涂开后，聚合物随水相铺展在角质层表面和皮肤纹理之间。

         由于高分子量γ-PGA具有较大的水动力尺寸，外用后预计主要停留于皮肤表面和角质层外侧。较低分子量γ-PGA在水相及皮肤表面微观区域中的扩散可能较快，但分子量降低并         不等同于能够穿过完整角质层并进入活性表皮或真皮。

         铺展后，γ-PGA的羧基和酰胺基继续与配方中的水及皮肤表面水分相互作用，在角质层外侧形成富水的聚合物界面层。

4.2 聚合物浓度升高并形成水合网络

         产品中的部分自由水逐渐蒸发后，皮肤表面的γ-PGA浓度随之升高。

         相邻分子链之间的距离缩短，链段交叠和缠结增加，水分分布于羧基周围、聚合物链表面和链间区域，形成动态水合网络。

         这个网络不会将水完全封闭，但在其分子量、浓度和成膜状态适宜时，可能减缓水分在皮肤表面的迁移和蒸发。

4.3 在配方条件允许时形成亲水聚合物层

         随着水分继续减少，γ-PGA可以在皮肤表面形成连续或半连续的亲水聚合物层。

这层结构具有三个特点：

         ①具有亲水性，可以吸收和释放水分；

         ②不是完全密闭的疏水膜；

         ③膜层状态会随环境湿度和皮肤表面水分变化。

4.4 膜层会被水和摩擦逐渐移除

         γ-PGA形成的聚合物层具有可逆性。出汗、环境湿度变化、皮肤摩擦、后续涂抹和清洁都会使其重新水合、局部破裂或逐渐被移除。

         它提供的是持续一段时间的表面水合环境，而不是永久改变皮肤组织结构。

5 聚谷氨酸如何形成多层保湿作用

         聚谷氨酸的基础保湿机制可以分为三个连续层次。

         这三个层次不是相互独立的功效，而是同一结构产生的连续过程：

         亲水基团与水相互作用 → 高分子链组织和保持水分 → 在适宜条件下形成表面聚合物层，并可能减缓水分蒸发

5.1 提高角质层表面水合

         γ-PGA首先增加的是皮肤表面和角质层外层的水合程度。

         角质细胞吸水后柔韧性增加，角质层表面微观凹凸可能暂时减弱，皮肤触感随之变得柔软、平滑。由干燥造成的细小纹路也可能因角质层水合而暂时减轻。

         这种变化属于角质层含水量提高后的物理表现，不等同于真皮胶原增加或皱纹组织结构发生改变。

5.2 减缓皮肤表面的水分蒸发

         经皮水分流失（transepidermal water loss，TEWL）是指水分由皮肤内部向外迁移，并最终从皮肤表面蒸发的过程。

         皮肤的主要水分扩散屏障位于角质层，其中由神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸等组成的细胞间脂质层板是关键结构。

         控制TEWL的主要结构是角质层细胞间脂质。γ-PGA不能取代神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸构成的脂质屏障，但其水合网络和表面聚合物层可以增加水分向环境扩散时的阻力。

         它与强封闭性油脂的作用方式不同：

         γ-PGA具有减缓表面水分蒸发的结构基础，但实际产品能否显著降低TEWL，仍取决于其添加量、分子量、配方成膜状态和油相组成，需要通过完整配方的人体试验评价。

6 分子量为什么会影响聚谷氨酸的表现

         γ-PGA不是分子量固定的单一小分子，而是一组具有不同链长和分子量分布的聚合物。

         γ-PGA的最终分子量可受到Pgs合成酶系统组成及PgdS等降解酶活性的影响。[3,7]

6.1 高分子量γ-PGA

较长的聚合物链通常具有较大的水动力体积，并容易发生链间交叠和缠结，因而可能表现出：

         ①较明显的增黏作用；

         ②较强的表面网络形成能力；

         ③较完整的聚合物膜；

         ④较明显的拉丝和黏弹性。

         浓度过高或配方不匹配时，也可能出现黏腻、拉丝、干后紧绷或与其他聚合物共同搓泥等现象。

6.2 较低分子量γ-PGA

链长降低后，溶液黏度和链间缠结通常会减弱，原料可能表现出：

         ①较好的流动性；

         ②较低的拉丝性；

         ③较快的水相扩散；

         ④较弱的单独成膜和增黏能力。

         较低分子量有利于向角质层表面微观区域扩散，但不能据此推出其能够进入真皮。

6.3 原料性能不能只由分子量判断

γ-PGA在护肤品中的实际表现还受到以下因素共同影响：

         分子量分布 ＋ 使用浓度 ＋ D/L组成 ＋ 盐型 ＋ pH ＋ 电解质 ＋ 其他聚合物

         因此，即使两个产品都标有聚谷氨酸，其黏度、成膜性、即时补水表现和使用感也可能存在明显差异。

7 聚谷氨酸是否会影响皮肤自身的保湿系统

         除物理水合和成膜外，部分研究还观察到γ-PGA对角质形成细胞保湿及屏障相关指标的影响。

         这些结果扩展了γ-PGA的研究方向，但目前主要来自细胞、重建皮肤和体外酶学实验。

7.1 透明质酸合成

         2025年的一项研究使用一种绝对分子量约为6975 kDa的高分子量γ-PGA样品处理培养的人角质形成细胞系，观察到透明质酸合酶1、2和3，即HAS1、HAS2和HAS3表达升高，并检测到细胞培养体系中的透明质酸生成量增加。[4]

         同一研究还观察到水通道蛋白3，即aquaporin 3，简称AQP3，以及丝聚蛋白、内披蛋白和兜甲蛋白等相关指标发生变化。在重建皮肤模型中，外用1% γ-PGA后，丝聚蛋白、内披蛋白、CD44和AQP3表达信号升高。[4]

         这些结果说明该特定γ-PGA样品可以影响角质形成细胞中的保湿、分化和屏障相关信号。该研究未进行人体试验，因此尚不能确认实际护肤产品能够在人体皮肤中增加多少透明质酸，或相应改变多少角质层含水量和TEWL。

7.2 透明质酸酶抑制

         有关γ-PGA抑制透明质酸酶的依据主要来自一项专利中的体外酶学实验。该实验让γ-PGA与透明质酸酶及底物直接接触，观察到不同分子量γ-PGA对酶活性产生抑制作用。[6]

         体外酶液中的直接接触条件与完整皮肤不同。高分子量γ-PGA外用后主要位于角质层表面，而皮肤透明质酸代谢分布于活性表皮和真皮等区域。

         因此，透明质酸酶抑制属于γ-PGA的体外活性线索，尚不能单独用于解释其主要外用保湿效果。

7.3 天然保湿因子生成

         天然保湿因子natural moisturizing factor，简称为NMF，是角质细胞内游离氨基酸、吡咯烷酮羧酸、尿刊酸、乳酸盐、尿素和无机离子等低分子水溶性物质的总称。

         其中许多游离氨基酸及其衍生物来自丝聚蛋白的加工和降解：

         丝聚蛋白在角质层成熟过程中经分步蛋白水解，形成短肽和游离氨基酸。其中，组氨酸可进一步生成尿刊酸，谷氨酰胺可发生环化生成吡咯烷酮羧酸；这些游离氨基酸及其衍生物共同构成NMF的重要部分。[5,8]

         丝聚蛋白表达是NMF形成过程中的一个前提，但从蛋白表达升高到NMF实际增加，还需要经过角质形成细胞分化、蛋白水解和后续代谢。[5]

         现有γ-PGA研究观察到了丝聚蛋白表达变化，但没有直接测定人体角质层中吡咯烷酮羧酸、尿刊酸或总NMF含量的增加。因此，γ-PGA可能影响与丝聚蛋白和NMF形成相关的上游过程，但是否能够提高人体角质层中的总NMF、吡咯烷酮羧酸或尿刊酸含量，仍需检测确认。

8 聚谷氨酸结构、水合成膜与皮肤保湿机制相关代表化学品分类及科研应用

表1 聚谷氨酸核心原料、谷氨酸单体及γ-酰胺键结构对照

表2 聚谷氨酸水合、成膜及小分子保湿对照产品

表3 透明质酸水合、组成与酶促降解研究相关产品

表4 天然保湿因子、丝聚蛋白代谢与角质层脂质屏障研究相关产品

         注：以上为阿拉丁代表性科研及配方研究相关产品，更多产品规格、级别、COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Goto A, Kunioka M. Biosynthesis and hydrolysis of poly(γ-glutamic acid) from Bacillus subtilis IFO3335. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 1992;56(7):1031–1035. doi:10.1271/bbb.56.1031.

[2] Wang LL, Chen JT, Wang LF, Wu S, Zhang GZ, Yu HQ, Ye XD, Shi QS. Conformations and molecular interactions of poly-γ-glutamic acid as a soluble microbial product in aqueous solutions. Scientific Reports. 2017;7:12787. doi:10.1038/s41598-017-13152-2.

[3] Wei X, Yang L, Chen Z, Xia W, Chen Y, Cao M, He N. Molecular weight control of poly-γ-glutamic acid reveals novel insights into extracellular polymeric substance synthesis in Bacillus licheniformis. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2024;17(1):60. doi:10.1186/s13068-024-02501-9.

[4] Ko HJ, Park S, Shin E, Kim J, Lee GS, Lee YJ, Park SM, Lee J, Hyun CG. Poly-γ-glutamic acid from a novel Bacillus subtilis strain: strengthening the skin barrier and improving moisture retention in keratinocytes and a reconstructed skin model. International Journal of Molecular Sciences. 2025;26(3):983. doi:10.3390/ijms26030983.

[5] McAleer MA, Jakasa I, Raj N, O’Donnell CPF, Lane ME, Rawlings AV, Voegeli R, McLean WHI, Kezic S, Irvine AD. Early-life regional and temporal variation in filaggrin-derived natural moisturizing factor, filaggrin-processing enzyme activity, corneocyte phenotypes and plasmin activity: implications for atopic dermatitis. British Journal of Dermatology. 2018;179(2):431–441. doi:10.1111/bjd.16691.

[6] Sung MH, Park C, Choi JC, Uyama H, Park SL. Hyaluronidase inhibitor containing poly-gamma-glutamic acid as an effective component. US Patent US8916141B2. Issued December 23, 2014.

[7] Sawada K, Hagihara H, Takimura Y, Kataoka M. Production and molecular weight variation of poly-γ-glutamic acid using a recombinant Bacillus subtilis with various Pgs-component ratios. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 2024;88(10):1217–1224. doi:10.1093/bbb/zbae093.

[8] Hoober JK, Eggink LL. The discovery and function of filaggrin. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(3):1455. doi:10.3390/ijms23031455.

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