《聚氨基酸功能高分子》是先進化工材料關鍵技術叢書（第二批）的一個分冊。作為先進有機高分子材料（聚合物材料）的重要分支，聚氨基酸功能高分子具有重要的理論研究和應用價值。本書凝結了作者們在聚氨基酸制造和應用等方面多年的理論研究和實踐經(jīng)驗，是多項國家和省部級科技成果的結晶。本書從聚氨基酸的結構和功能出發(fā)，側重應用導向，圍繞關鍵菌株選育、生物合成原理、制造過程調控和主要應用領域等方面展開介紹，展望了相關聚氨基酸的發(fā)展趨勢和前景。內(nèi)容包括：緒論，-聚谷氨酸的結構與理化性質，-聚谷氨酸的合成機制，-聚谷氨酸在農(nóng)業(yè)上的應用，-聚谷氨酸在食品及動物營養(yǎng)領域的應用，-聚谷氨酸在醫(yī)學及日化領域的應用，ε-聚賴氨酸的結構與性質，ε-聚賴氨酸的合成機制，ε-聚賴氨酸在食品中的應用。《聚氨基酸功能高分子》適合生物高分子材料以及先進化工材料各領域開發(fā)和應用的科技人員、管理人員閱讀，也可供高等院校生物、化工、材料、農(nóng)林、食品等專業(yè)師生學習參考。
先進高分子材料（聚合物材料）作為重大的基礎和結構性材料，是整個新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基石。隨著碳中和和碳達峰國家戰(zhàn)略的提出，實現(xiàn)先進高分子材料的生產(chǎn)系統(tǒng)綠色轉型是未來發(fā)展的必然趨勢。徐虹教授在國際上率先實現(xiàn)了聚氨基酸材料的萬噸級工業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應用，本書凝結了作者們在聚氨基酸制造和應用等方面多年的理論研究和實踐經(jīng)驗，是多項國家和省部級科技成果的結晶。該書以聚氨基酸材料的性質和應用為主線，重點從聚氨基酸材料的生物合成細胞工廠構建、過程調控、構效關系及在農(nóng)業(yè)、日化和食品等領域的產(chǎn)業(yè)化應用角度進行詳細論述。
材料是人類一切生產(chǎn)和生活的物質基礎。高分子材料作為一種重要的材料，不僅為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的衣食住行用提供量大面廣的新產(chǎn)品和新材料，也為發(fā)展高技術提供更多更有效的高性能結構材料和功能性材料。在新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)革命興起的大背景下，先進功能高分子材料已成為國際競爭的重點領域之一。我國高度重視功能高分子新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其列為國家高新技術產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和中國制造2025重點領域發(fā)展對象，同時被列入十四五《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》重點發(fā)展方向。
聚氨基酸功能高分子材料是一類天然蛋白質類似物，憑借其結構多樣性、優(yōu)異的生物活性、良好的生物相容性和可降解性，在農(nóng)業(yè)、日化和食品等關鍵原材料領域得到廣泛應用。目前，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用的聚氨基酸主要是生物合成法制備的天然聚氨基酸，包括-聚谷氨酸和ε-聚賴氨酸。生物法制備聚氨基酸的主要優(yōu)勢在于綠色低碳合成路徑，產(chǎn)品分子量可以達到百萬級別，同時可以實現(xiàn)不同分子量尺度和單體構型的精準調控。在全球碳中和共同愿景下，基于微生物合成的聚氨基酸綠色制造技術和工業(yè)化應用具有重大意義。
二十多年來，筆者團隊一直從事聚氨基酸生產(chǎn)與應用方面的科學研究，在科技部973計劃 （項目編號：2013CB733603）、863計劃 （項目編號：2013AA020301、2006AA03Z0453）、國家重點研發(fā)計劃（項目編號：2021YFC2101700）、國家科技攻關計劃（項目編號：2011BAD23B04）及國家自然科學基金（項目編號：21878152）的資助下，瞄準國家重大戰(zhàn)略需求，以實際應用為導向，推進聚氨基酸功能高分子的工業(yè)化生產(chǎn)及應用開發(fā)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了微生物制備聚氨基酸的萬噸級工業(yè)化生產(chǎn)和應用，榮獲國家技術發(fā)明獎二等獎（功能性高分子聚氨基酸生物制備關鍵技術與產(chǎn)業(yè)化應用）、江蘇省科學技術一等獎（功能性高分子聚氨基酸生物制備與產(chǎn)業(yè)化應用）、中國專利銀獎［一種發(fā)酵生產(chǎn)-聚谷氨酸的柱式固定化反應器及其工藝（ZL201310111449.0）］、首屆江蘇省專利發(fā)明人獎等。筆者在長期的研究和生產(chǎn)實踐過程中，對聚氨基酸有了較為深刻的認識，積累了大量的一線科研資料。
本書由南京工業(yè)大學生物高分子與生物轉化實驗室徐虹教授組織編寫，王瑞、雷鵬、馮小海、李莎、邱益彬、徐得磊、孫良、谷益安、羅正山、楊凱、孫濤、薛健等參加了本書的編寫工作；全書共分九章，重點圍繞聚氨基酸結構與理化性質、生物合成與調控及下游農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)學與日化等關鍵領域應用進行了詳細論述。此外，編寫過程中也參考了部分同行、專家、學者的研究成果和論著，在此表示感謝。
盡管筆者在本書中力求注重系統(tǒng)性和完整性，但該領域發(fā)展迅猛，不斷有聚氨基酸新用途被發(fā)現(xiàn)和實施，由于筆者水平有限，書中難免存在不足，敬請廣大讀者批評指正。
徐虹
2023年2月
徐虹，女，1964年7月生，南京工業(yè)大學食品與輕工學院教授，中國化工學會會士，綠色生物制造國家重點研發(fā)項目首席科學家。2000年于南京工業(yè)大學生物化工專業(yè)獲博士學位，研究方向為工業(yè)生物技術，長期從事生物高分子和健康產(chǎn)品生物制造技術創(chuàng)新，獲國家技術發(fā)明獎二等獎1項（排名1）、中國專利獎銀獎1項（排名1）、江蘇省科學技術獎一等獎（排名1）、首屆江蘇省專利發(fā)明人獎（排名1）等榮譽。發(fā)明了生物高分子聚氨基酸生物合成新技術，建立了具有國際競爭力的聚氨基酸新產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造性地將-聚谷氨酸應用于農(nóng)業(yè)領域，產(chǎn)品推廣應用到全國二十多個省和自治區(qū)，應用面積超5億畝次，受邀成為國家行業(yè)標準主要起草人。開發(fā)成功生物防腐劑ε-聚賴氨酸合成新菌種和新技術，通過工程技術全程創(chuàng)新，打破了長期依賴進口的局面，并推動了其進入國家食品添加劑目錄。發(fā)明系列生物催化劑篩選、改造和工業(yè)應用新技術，實現(xiàn)多個新型氨基酸和功能糖的綠色制造和替代。下一步將致力突破以蛋白、多糖材料為代表的生物高分子材料的高產(chǎn)、低成本制造及高附加值產(chǎn)品開發(fā)，為國家生物基戰(zhàn)略新材料技術走在世界前列做出更大貢獻。
第一章 緒論 001
第一節(jié) 聚氨基酸的定義與分類 002
第二節(jié) 聚氨基酸的制備方法 004
一、微生物合成法 004
二、化學合成法 009
第三節(jié) 聚氨基酸的應用 012
一、農(nóng)業(yè)領域的應用 014
二、日化領域的應用 014
三、食品領域的應用 014
四、環(huán)保領域的應用 015
五、醫(yī)藥領域的應用 015
第四節(jié) 技術展望 016
一、不同聚合度、構型和二級結構聚氨基酸的生物制備 016
二、發(fā)酵工藝及新型反應器的開發(fā) 017
三、聚氨基酸修飾衍生物及其應用 017
四、聚氨基酸水凝膠制備及其應用 017
五、新型天然聚氨基酸的挖掘 018
參考文獻 030
第二章 -聚谷氨酸的結構與理化性質 035
第一節(jié) -聚谷氨酸的結構 036
一、-聚谷氨酸的結構及組成 036
二、-聚谷氨酸的構型 037
三、-聚谷氨酸的二級結構 040
第二節(jié) -聚谷氨酸的性質 044
一、保濕性能 044
二、金屬離子的配位螯合 046
三、絮凝特性 048
四、抗凍活性 050
五、降解性能 052
六、結構可修飾性 054
第三節(jié) -聚谷氨酸分子量以及含量的檢測方法 056
參考文獻 057
第三章 -聚谷氨酸的生物合成與調控 061
第一節(jié) -聚谷氨酸合成菌株的研究概述 062
一、-聚谷氨酸的來源與發(fā)現(xiàn) 062
二、-聚谷氨酸產(chǎn)生菌株的篩選 063
第二節(jié) -聚谷氨酸的生物合成機制 065
一、基于13C標記的-聚谷氨酸生物合成代謝途徑分析 065
二、外源谷氨酸跨膜運輸機制及調控的研究 069
三、-聚谷氨酸生物聚合酶研究 074
第三節(jié) 基因工程改造策略強化-聚谷氨酸的合成 076
一、CRISPR-Cas基因編輯技術在-聚谷氨酸合成菌株中的構建 076
二、-聚谷氨酸高效工程菌株的改造和代謝調控 079
第四節(jié) -聚谷氨酸的發(fā)酵工藝及反應器開發(fā) 088
一、氧供應策略對強化-聚谷氨酸生物合成的研究 088
二、柱式固定化反應器設計及其在-聚谷氨酸合成中的應用 093
第五節(jié) -聚谷氨酸多元分子量可控制備工藝 096
一、高效-聚谷氨酸降解酶的降解性質研究及其適配性優(yōu)化 096
二、基于CRISPRi理性調控-聚谷氨酸降解酶表達合成多元分子量-聚谷氨酸 103
三、-聚谷氨酸構型調節(jié)制備超低分子量-聚谷氨酸的研究 108
參考文獻 113
第四章 -聚谷氨酸在農(nóng)業(yè)上的應用 117
第一節(jié) -聚谷氨酸作為土壤保水材料的應用 119
一、-聚谷氨酸高吸水樹脂的制備及特性表征 119
二、-聚谷氨酸高吸水樹脂的應用效果評價 121
第二節(jié) -聚谷氨酸作為肥料增效劑的應用 123
一、含-聚谷氨酸肥料在不同作物上的應用效果及肥料利用率評價 124
二、-聚谷氨酸提高肥效的作用機制 133
第三節(jié) -聚谷氨酸作為植物生物刺激素的應用 144
一、提高植物鹽脅迫抗性 144
二、提高植物低溫脅迫抗性 148
三、-聚谷氨酸促進植物抗逆的信號機制 152
第四節(jié) -聚谷氨酸作為金屬鈍化劑應對農(nóng)田重金屬脅迫 168
一、緩解土壤重金屬對作物的毒害作用 169
二、-聚谷氨酸與Pb、Cd、Cr、Cu螯合物的理化表征 173
參考文獻 176
第五章 -聚谷氨酸在食品及動物營養(yǎng)領域的應用 181
第一節(jié) -聚谷氨酸作為食品加工助劑的應用 182
一、冷凍保護劑 182
二、凝膠增強劑 189
三、面粉改良劑 190
四、味道改良劑 191
五、增稠劑與穩(wěn)定劑 193
第二節(jié) -聚谷氨酸作為食品營養(yǎng)助劑的應用 194
一、鈣補充劑 194
二、口腔護理劑 196
三、降血糖 196
四、預防高血壓 197
五、抗氧化劑 197
第三節(jié) -聚谷氨酸在動物營養(yǎng)領域的應用 198
一、在蛋雞養(yǎng)殖上的應用 198
二、在淡水魚養(yǎng)殖上的應用 206
參考文獻 214
第六章 -聚谷氨酸在醫(yī)學及日化領域的應用 217
第一節(jié) -聚谷氨酸生物黏合劑 218
一、-聚谷氨酸貽貝仿生水凝膠的制備 218
二、-聚谷氨酸貽貝仿生水凝膠的性能表征 219
三、-聚谷氨酸貽貝仿生水凝膠的應用 225
第二節(jié) -聚谷氨酸組織修復支架 228
一、-聚谷氨酸單交聯(lián)網(wǎng)絡水凝膠的性能表征及應用 228
二、-聚谷氨酸/透明質酸雙交聯(lián)水凝膠的性能表征及應用 237
第三節(jié) -聚谷氨酸皮膚防護材料 249
一、-聚谷氨酸皮膚防護水凝膠的制備 249
二、-聚谷氨酸皮膚防護水凝膠的性能表征 250
三、-聚谷氨酸皮膚防護水凝膠的應用 254
第四節(jié) -聚谷氨酸醫(yī)用涂層 262
一、-聚谷氨酸抗菌涂層的制備 262
二、-聚谷氨酸抗菌涂層的體外生物學測試 264
三、-聚谷氨酸抗菌涂層的小鼠皮下模型生物學測試 269
參考文獻 270
第七章 ε-聚賴氨酸的結構與理化性質 275
第一節(jié) ε-聚賴氨酸的結構 276
一、ε-聚賴氨酸的紫外吸收光譜 276
二、ε-聚賴氨酸的紅外光譜 277
三、ε-聚賴氨酸的核磁氫譜 278
四、ε-聚賴氨酸的圓二色譜 279
五、ε-聚賴氨酸的粒徑分析 280
六、ε-聚賴氨酸的分子量及其測定方法 281
第二節(jié) ε-聚賴氨酸的性質 282
一、ε-聚賴氨酸的理化性質 282
二、ε-聚賴氨酸的生物學性質 284
第三節(jié) ε-聚賴氨酸的抑菌機制 286
一、ε-聚賴氨酸對菌體細胞超微結構的影響 287
二、ε-聚賴氨酸對細胞完整性的影響 288
參考文獻 291
第八章 ε-聚賴氨酸的生物合成 293
第一節(jié) ε-聚賴氨酸合成菌株研究 294
一、ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株及其發(fā)酵策略 294
二、ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株的篩選與鑒定 295
三、ε-聚賴氨酸發(fā)酵工藝優(yōu)化 297
第二節(jié) ε-聚賴氨酸的生物合成原理 303
一、ε-聚賴氨酸合成酶及其相關基因 303
二、ε-聚賴氨酸降解酶及其基因 308
三、ε-聚賴氨酸代謝途徑分析 314
第三節(jié) 生物法合成ε-聚賴氨酸的強化策略 317
一、ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌遺傳轉化體系的建立 318
二、透明顫菌血紅蛋白強化ε-聚賴氨酸生物合成 318
三、異源表達策略高效制備低聚合度ε-聚賴氨酸 322
四、固定化重復批次發(fā)酵生產(chǎn)ε-聚賴氨酸研究 326
參考文獻 329
第九章 ε-聚賴氨酸在食品中的應用 333
第一節(jié) ε-聚賴氨酸作為食品防腐劑的應用 334
一、在冷鮮肉保鮮中的應用 335
二、在煙熏火腿保鮮中的應用 343
三、在其他食品中的應用 354
第二節(jié) ε-聚賴氨酸作為食品包裝材料的應用 355
一、ε-聚賴氨酸自組裝抗菌涂層材料制備與應用 355
二、ε-聚賴氨酸微膠囊抗菌材料制備與應用 360
參考文獻 363
索引 365
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