《聚氨基酸功能高分子》是先進(jìn)化工材料關(guān)鍵技術(shù)叢書（第二批）的一個分冊。作為先進(jìn)有機(jī)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(yīng)用價值。本書凝結(jié)了作者們在聚氨基酸制造和應(yīng)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(jié)晶。本書從聚氨基酸的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，側(cè)重應(yīng)用導(dǎo)向，圍繞關(guān)鍵菌株選育、生物合成原理、制造過程調(diào)控和主要應(yīng)用領(lǐng)域等方面展開介紹，展望了相關(guān)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(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，-聚谷氨酸的合成機(jī)制，-聚谷氨酸在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，-聚谷氨酸在食品及動物營養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，-聚谷氨酸在醫(yī)學(xué)及日化領(lǐng)域的應(yīng)用，ε-聚賴氨酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，ε-聚賴氨酸的合成機(jī)制，ε-聚賴氨酸在食品中的應(yīng)用。《聚氨基酸功能高分子》適合生物高分子材料以及先進(jìn)化工材料各領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)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(xué)習(xí)參考。
先進(jìn)高分子材料（聚合物材料）作為重大的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)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(dá)峰國家戰(zhàn)略的提出，實現(xiàn)先進(jìn)高分子材料的生產(chǎn)系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)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(yīng)用，本書凝結(jié)了作者們在聚氨基酸制造和應(yīng)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(jié)晶。該書以聚氨基酸材料的性質(zhì)和應(yīng)用為主線，重點從聚氨基酸材料的生物合成細(xì)胞工廠構(gòu)建、過程調(diào)控、構(gòu)效關(guān)系及在農(nóng)業(yè)、日化和食品等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用角度進(jìn)行詳細(xì)論述。
材料是人類一切生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。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(shù)提供更多更有效的高性能結(jié)構(gòu)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(jìn)功能高分子材料已成為國際競爭的重點領(lǐng)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(shù)產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和中國制造2025重點領(lǐng)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(zhì)類似物，憑借其結(jié)構(gòu)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(guān)鍵原材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)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(dá)到百萬級別，同時可以實現(xiàn)不同分子量尺度和單體構(gòu)型的精準(zhǔn)調(diào)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(shù)和工業(yè)化應(yīng)用具有重大意義。
二十多年來，筆者團(tuán)隊一直從事聚氨基酸生產(chǎn)與應(yīng)用方面的科學(xué)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(guān)計劃（項目編號：2011BAD23B04）及國家自然科學(xué)基金（項目編號：21878152）的資助下，瞄準(zhǔn)國家重大戰(zhàn)略需求，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，推進(jìn)聚氨基酸功能高分子的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)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(yīng)用，榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎（功能性高分子聚氨基酸生物制備關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用）、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎（功能性高分子聚氨基酸生物制備與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(yīng)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(rèn)識，積累了大量的一線科研資料。
本書由南京工業(yè)大學(xué)生物高分子與生物轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)、生物合成與調(diào)控及下游農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)與日化等關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)論述。此外，編寫過程中也參考了部分同行、專家、學(xué)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(lǐng)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(xué)食品與輕工學(xué)院教授，中國化工學(xué)會會士，綠色生物制造國家重點研發(fā)項目首席科學(xué)家。2000年于南京工業(yè)大學(xué)生物化工專業(yè)獲博士學(xué)位，研究方向為工業(yè)生物技術(shù)，長期從事生物高分子和健康產(chǎn)品生物制造技術(shù)創(chuàng)新，獲國家技術(shù)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(xué)技術(shù)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(shù)，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(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品推廣應(yīng)用到全國二十多個省和自治區(qū)，應(yīng)用面積超5億畝次，受邀成為國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，通過工程技術(shù)全程創(chuàng)新，打破了長期依賴進(jìn)口的局面，并推動了其進(jìn)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(yīng)用新技術(shù)，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(shù)走在世界前列做出更大貢獻(xiàn)。
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(xué)合成法 009
第三節(jié) 聚氨基酸的應(yīng)用 012
一、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 014
二、日化領(lǐng)域的應(yīng)用 014
三、食品領(lǐng)域的應(yīng)用 014
四、環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用 015
五、醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 015
第四節(jié) 技術(shù)展望 016
一、不同聚合度、構(gòu)型和二級結(jié)構(gòu)聚氨基酸的生物制備 016
二、發(fā)酵工藝及新型反應(yīng)器的開發(fā) 017
三、聚氨基酸修飾衍生物及其應(yīng)用 017
四、聚氨基酸水凝膠制備及其應(yīng)用 017
五、新型天然聚氨基酸的挖掘 018
參考文獻(xiàn) 030
第二章 -聚谷氨酸的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì) 035
第一節(jié) -聚谷氨酸的結(jié)構(gòu) 036
一、-聚谷氨酸的結(jié)構(gòu)及組成 036
二、-聚谷氨酸的構(gòu)型 037
三、-聚谷氨酸的二級結(jié)構(gòu) 040
第二節(jié) -聚谷氨酸的性質(zhì) 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(jié)構(gòu)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(xiàn) 057
第三章 -聚谷氨酸的生物合成與調(diào)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(jī)制 065
一、基于13C標(biāo)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(jī)制及調(diào)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(qiáng)化-聚谷氨酸的合成 076
一、CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)在-聚谷氨酸合成菌株中的構(gòu)建 076
二、-聚谷氨酸高效工程菌株的改造和代謝調(diào)控 079
第四節(jié) -聚谷氨酸的發(fā)酵工藝及反應(yīng)器開發(fā) 088
一、氧供應(yīng)策略對強(qiáng)化-聚谷氨酸生物合成的研究 088
二、柱式固定化反應(yīng)器設(shè)計及其在-聚谷氨酸合成中的應(yīng)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(zhì)研究及其適配性優(yōu)化 096
二、基于CRISPRi理性調(diào)控-聚谷氨酸降解酶表達(dá)合成多元分子量-聚谷氨酸 103
三、-聚谷氨酸構(gòu)型調(diào)節(jié)制備超低分子量-聚谷氨酸的研究 108
參考文獻(xiàn) 113
第四章 -聚谷氨酸在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 117
第一節(jié) -聚谷氨酸作為土壤保水材料的應(yīng)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(yīng)用效果評價 121
第二節(jié) -聚谷氨酸作為肥料增效劑的應(yīng)用 123
一、含-聚谷氨酸肥料在不同作物上的應(yīng)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(jī)制 133
第三節(jié) -聚谷氨酸作為植物生物刺激素的應(yīng)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(jìn)植物抗逆的信號機(jī)制 152
第四節(jié) -聚谷氨酸作為金屬鈍化劑應(yīng)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(xiàn) 176
第五章 -聚谷氨酸在食品及動物營養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用 181
第一節(jié) -聚谷氨酸作為食品加工助劑的應(yīng)用 182
一、冷凍保護(hù)劑 182
二、凝膠增強(qiáng)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(yīng)用 194
一、鈣補(bǔ)充劑 194
二、口腔護(hù)理劑 196
三、降血糖 196
四、預(yù)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(lǐng)域的應(yīng)用 198
一、在蛋雞養(yǎng)殖上的應(yīng)用 198
二、在淡水魚養(yǎng)殖上的應(yīng)用 206
參考文獻(xiàn) 214
第六章 -聚谷氨酸在醫(yī)學(xué)及日化領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用 225
第二節(jié) -聚谷氨酸組織修復(fù)支架 228
一、-聚谷氨酸單交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠的性能表征及應(yīng)用 228
二、-聚谷氨酸/透明質(zhì)酸雙交聯(lián)水凝膠的性能表征及應(yīng)用 237
第三節(jié) -聚谷氨酸皮膚防護(hù)材料 249
一、-聚谷氨酸皮膚防護(hù)水凝膠的制備 249
二、-聚谷氨酸皮膚防護(hù)水凝膠的性能表征 250
三、-聚谷氨酸皮膚防護(hù)水凝膠的應(yīng)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(xué)測試 264
三、-聚谷氨酸抗菌涂層的小鼠皮下模型生物學(xué)測試 269
參考文獻(xiàn) 270
第七章 ε-聚賴氨酸的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì) 275
第一節(jié) ε-聚賴氨酸的結(jié)構(gòu) 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(zhì) 282
一、ε-聚賴氨酸的理化性質(zhì) 282
二、ε-聚賴氨酸的生物學(xué)性質(zhì) 284
第三節(jié) ε-聚賴氨酸的抑菌機(jī)制 286
一、ε-聚賴氨酸對菌體細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響 287
二、ε-聚賴氨酸對細(xì)胞完整性的影響 288
參考文獻(xiàn) 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(guān)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(qiáng)化策略 317
一、ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立 318
二、透明顫菌血紅蛋白強(qiáng)化ε-聚賴氨酸生物合成 318
三、異源表達(dá)策略高效制備低聚合度ε-聚賴氨酸 322
四、固定化重復(fù)批次發(fā)酵生產(chǎn)ε-聚賴氨酸研究 326
參考文獻(xiàn) 329
第九章 ε-聚賴氨酸在食品中的應(yīng)用 333
第一節(jié) ε-聚賴氨酸作為食品防腐劑的應(yīng)用 334
一、在冷鮮肉保鮮中的應(yīng)用 335
二、在煙熏火腿保鮮中的應(yīng)用 343
三、在其他食品中的應(yīng)用 354
第二節(jié) ε-聚賴氨酸作為食品包裝材料的應(yīng)用 355
一、ε-聚賴氨酸自組裝抗菌涂層材料制備與應(yīng)用 355
二、ε-聚賴氨酸微膠囊抗菌材料制備與應(yīng)用 360
參考文獻(xiàn) 363
索引 365
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