先进化工材料关键技术丛书. 第二批–聚氨基酸功能高分子

先进高分子材料（聚合物材料）作为重大的基础和结构性材料，是整个新材料产业的发展基石。随着“碳中和”和“碳达峰”国家战略的提出，实现先进高分子材料的生产系统绿色转型是未来发展的必然趋势。徐虹教授在国际上率先实现了聚氨基酸材料的万吨级工业化生产和产业化应用，本书凝结了作者们在聚氨基酸制造和应用等方面多年的理论研究和实践经验，是多项国家和省部级科技成果的结晶。该书以聚氨基酸材料的性质和应用为主线，重点从聚氨基酸材料的生物合成细胞工厂构建、过程调控、构效关系及在农业、日化和食品等领域的产业化应用角度进行详细论述。

《聚氨基酸功能高分子》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。作为先进有机高分子材料（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论研究和应用价值。本书凝结了作者们在聚氨基酸制造和应用等方面多年的理论研究和实践经验，是多项国家和省部级科技成果的结晶。本书从聚氨基酸的结构和功能出发，侧重应用导向，围绕关键菌株选育、生物合成原理、制造过程调控和主要应用领域等方面展开介绍，展望了相关聚氨基酸的发展趋势和前景。内容包括：绪论，γ-聚谷氨酸的结构与理化性质，γ-聚谷氨酸的合成机制，γ-聚谷氨酸在农业上的应用，γ-聚谷氨酸在食品及动物营养领域的应用，γ-聚谷氨酸在医学及日化领域的应用，ε-聚赖氨酸的结构与性质，ε-聚赖氨酸的合成机制，ε-聚赖氨酸在食品中的应用。《聚氨基酸功能高分子》适合生物高分子材料以及先进化工材料各领域开发和应用的科技人员、管理人员阅读，也可供高等院校生物、化工、材料、农林、食品等专业师生学习参考。

徐虹，女，1964年7月生，南京工业大学食品与轻工学院教授，中国化工学会会士，绿色生物制造国家重点研发项目首席科学家。2000年于南京工业大学生物化工专业获博士学位，研究方向为工业生物技术，长期从事生物高分子和健康产品生物制造技术创新，获国家技术发明奖二等奖1项（排名1）、中国专利奖银奖1项（排名1）、江苏省科学技术奖一等奖（排名1）、首届江苏省专利发明人奖（排名1）等荣誉。发明了生物高分子聚氨基酸生物合成新技术，建立了具有国际竞争力的聚氨基酸新产业，创造性地将γ-聚谷氨酸应用于农业领域，产品推广应用到全国二十多个省和自治区，应用面积超5亿亩次，受邀成为国家行业标准主要起草人。开发成功生物防腐剂ε-聚赖氨酸合成新菌种和新技术，通过工程技术全程创新，打破了长期依赖进口的局面，并推动了其进入国家食品添加剂目录。发明系列生物催化剂筛选、改造和工业应用新技术，实现多个新型氨基酸和功能糖的绿色制造和替代。下一步将致力突破以蛋白、多糖材料为代表的生物高分子材料的高产、低成本制造及高附加值产品开发，为国家生物基战略新材料技术走在世界前列做出更大贡献。

第一章  绪论 001
第一节　聚氨基酸的定义与分类 002
第二节　聚氨基酸的制备方法 004
一、微生物合成法 004
二、化学合成法 009
第三节　聚氨基酸的应用 012
一、农业领域的应用 014
二、日化领域的应用 014
三、食品领域的应用 014
四、环保领域的应用 015
五、医药领域的应用 015
第四节　技术展望 016
一、不同聚合度、构型和二级结构聚氨基酸的生物制备 016
二、发酵工艺及新型反应器的开发 017
三、聚氨基酸修饰衍生物及其应用 017
四、聚氨基酸水凝胶制备及其应用 017
五、新型天然聚氨基酸的挖掘 018
参考文献 030

第二章  γ-聚谷氨酸的结构与理化性质 035
第一节　γ-聚谷氨酸的结构 036
一、γ-聚谷氨酸的结构及组成 036
二、γ-聚谷氨酸的构型 037
三、γ-聚谷氨酸的二级结构 040
第二节　γ-聚谷氨酸的性质 044
一、保湿性能 044
二、金属离子的配位螯合 046
三、絮凝特性 048
四、抗冻活性  050
五、降解性能 052
六、结构可修饰性 054
第三节　γ-聚谷氨酸分子量以及含量的检测方法 056
参考文献 057

第三章  γ-聚谷氨酸的生物合成与调控 061
第一节　γ-聚谷氨酸合成菌株的研究概述 062
一、γ-聚谷氨酸的来源与发现 062
二、γ-聚谷氨酸产生菌株的筛选 063
第二节　γ-聚谷氨酸的生物合成机制 065
一、基于13C标记的γ-聚谷氨酸生物合成代谢途径分析 065
二、外源谷氨酸跨膜运输机制及调控的研究 069
三、γ-聚谷氨酸生物聚合酶研究 074
第三节　基因工程改造策略强化γ-聚谷氨酸的合成 076
一、CRISPR-Cas基因编辑技术在γ-聚谷氨酸合成菌株中的构建 076
二、γ-聚谷氨酸高效工程菌株的改造和代谢调控 079
第四节　γ-聚谷氨酸的发酵工艺及反应器开发 088
一、氧供应策略对强化γ-聚谷氨酸生物合成的研究 088
二、柱式固定化反应器设计及其在γ-聚谷氨酸合成中的应用 093
第五节　γ-聚谷氨酸多元分子量可控制备工艺 096
一、高效γ-聚谷氨酸降解酶的降解性质研究及其适配性优化 096
二、基于CRISPRi理性调控γ-聚谷氨酸降解酶表达合成多元分子量γ-聚谷氨酸 103
三、γ-聚谷氨酸构型调节制备超低分子量γ-聚谷氨酸的研究 108
参考文献 113

第四章  γ-聚谷氨酸在农业上的应用 117
第一节　γ-聚谷氨酸作为土壤保水材料的应用 119
一、γ-聚谷氨酸高吸水树脂的制备及特性表征 119
二、γ-聚谷氨酸高吸水树脂的应用效果评价 121
第二节　γ-聚谷氨酸作为肥料增效剂的应用 123
一、含γ-聚谷氨酸肥料在不同作物上的应用效果及肥料利用率评价 124
二、γ-聚谷氨酸提高肥效的作用机制 133
第三节　γ-聚谷氨酸作为植物生物刺激素的应用 144
一、提高植物盐胁迫抗性 144
二、提高植物低温胁迫抗性 148
三、γ-聚谷氨酸促进植物抗逆的信号机制 152
第四节　γ-聚谷氨酸作为金属钝化剂应对农田重金属胁迫 168
一、缓解土壤重金属对作物的毒害作用 169
二、γ-聚谷氨酸与Pb、Cd、Cr、Cu螯合物的理化表征 173
参考文献 176

第五章  γ-聚谷氨酸在食品及动物营养领域的应用 181
第一节　γ-聚谷氨酸作为食品加工助剂的应用 182
一、冷冻保护剂 182
二、凝胶增强剂 189
三、面粉改良剂 190
四、味道改良剂 191
五、增稠剂与稳定剂 193
第二节　γ-聚谷氨酸作为食品营养助剂的应用 194
一、钙补充剂 194
二、口腔护理剂 196
三、降血糖 196
四、预防高血压 197
五、抗氧化剂 197
第三节　γ-聚谷氨酸在动物营养领域的应用 198
一、在蛋鸡养殖上的应用 198
二、在淡水鱼养殖上的应用 206
参考文献 214

第六章  γ-聚谷氨酸在医学及日化领域的应用 217
第一节　γ-聚谷氨酸生物黏合剂 218
一、γ-聚谷氨酸贻贝仿生水凝胶的制备 218
二、γ-聚谷氨酸贻贝仿生水凝胶的性能表征 219
三、γ-聚谷氨酸贻贝仿生水凝胶的应用 225
第二节　γ-聚谷氨酸组织修复支架 228
一、γ-聚谷氨酸单交联网络水凝胶的性能表征及应用 228
二、γ-聚谷氨酸/透明质酸双交联水凝胶的性能表征及应用 237
第三节　γ-聚谷氨酸皮肤防护材料 249
一、γ-聚谷氨酸皮肤防护水凝胶的制备 249
二、γ-聚谷氨酸皮肤防护水凝胶的性能表征 250
三、γ-聚谷氨酸皮肤防护水凝胶的应用 254
第四节　γ-聚谷氨酸医用涂层 262
一、γ-聚谷氨酸抗菌涂层的制备 262
二、γ-聚谷氨酸抗菌涂层的体外生物学测试 264
三、γ-聚谷氨酸抗菌涂层的小鼠皮下模型生物学测试 269
参考文献 270

第七章  ε-聚赖氨酸的结构与理化性质 275
第一节　ε-聚赖氨酸的结构 276
一、ε-聚赖氨酸的紫外吸收光谱 276
二、ε-聚赖氨酸的红外光谱 277
三、ε-聚赖氨酸的核磁氢谱 278
四、ε-聚赖氨酸的圆二色谱 279
五、ε-聚赖氨酸的粒径分析 280
六、ε-聚赖氨酸的分子量及其测定方法 281
第二节　ε-聚赖氨酸的性质 282
一、ε-聚赖氨酸的理化性质 282
二、ε-聚赖氨酸的生物学性质 284
第三节　ε-聚赖氨酸的抑菌机制 286
一、ε-聚赖氨酸对菌体细胞超微结构的影响 287
二、ε-聚赖氨酸对细胞完整性的影响 288
参考文献 291

第八章  ε-聚赖氨酸的生物合成 293
第一节　ε-聚赖氨酸合成菌株研究 294
一、ε-聚赖氨酸产生菌株及其发酵策略 294
二、ε-聚赖氨酸产生菌株的筛选与鉴定 295
三、ε-聚赖氨酸发酵工艺优化 297
第二节　ε-聚赖氨酸的生物合成原理 303
一、ε-聚赖氨酸合成酶及其相关基因 303
二、ε-聚赖氨酸降解酶及其基因 308
三、ε-聚赖氨酸代谢途径分析 314
第三节　生物法合成ε-聚赖氨酸的强化策略 317
一、ε-聚赖氨酸产生菌遗传转化体系的建立 318
二、透明颤菌血红蛋白强化ε-聚赖氨酸生物合成 318
三、异源表达策略高效制备低聚合度ε-聚赖氨酸 322
四、固定化重复批次发酵生产ε-聚赖氨酸研究 326
参考文献 329

第九章  ε-聚赖氨酸在食品中的应用 333
第一节　ε-聚赖氨酸作为食品防腐剂的应用 334
一、在冷鲜肉保鲜中的应用 335
二、在烟熏火腿保鲜中的应用 343
三、在其他食品中的应用 354
第二节　ε-聚赖氨酸作为食品包装材料的应用 355
一、ε-聚赖氨酸自组装抗菌涂层材料制备与应用 355
二、ε-聚赖氨酸微胶囊抗菌材料制备与应用 360
参考文献 363

索引 365

材料是人类一切生产和生活的物质基础。高分子材料作为一种重要的材料，不仅为工农业生产和人们的衣食住行用提供量大面广的新产品和新材料，也为发展高技术提供更多更有效的高性能结构材料和功能性材料。在新一轮全球科技和产业革命兴起的大背景下，先进功能高分子材料已成为国际竞争的重点领域之一。我国高度重视功能高分子新材料产业的发展，将其列为国家高新技术产业、战略性新兴产业和“中国制造2025”重点领域发展对象，同时被列入“十四五”《新材料产业发展指南》重点发展方向。
聚氨基酸功能高分子材料是一类天然蛋白质类似物，凭借其结构多样性、优异的生物活性、良好的生物相容性和可降解性，在农业、日化和食品等关键原材料领域得到广泛应用。目前，实现工业化生产和应用的聚氨基酸主要是生物合成法制备的天然聚氨基酸，包括γ-聚谷氨酸和ε-聚赖氨酸。生物法制备聚氨基酸的主要优势在于绿色低碳合成路径，产品分子量可以达到百万级别，同时可以实现不同分子量尺度和单体构型的精准调控。在全球“碳中和”共同愿景下，基于微生物合成的聚氨基酸绿色制造技术和工业化应用具有重大意义。
二十多年来，笔者团队一直从事聚氨基酸生产与应用方面的科学研究，在科技部“973计划” （项目编号：2013CB733603）、“863计划” （项目编号：2013AA020301、2006AA03Z0453）、国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2101700）、国家科技攻关计划（项目编号：2011BAD23B04）及国家自然科学基金（项目编号：21878152）的资助下，瞄准国家重大战略需求，以实际应用为导向，推进聚氨基酸功能高分子的工业化生产及应用开发，目前已经实现了微生物制备聚氨基酸的万吨级工业化生产和应用，荣获国家技术发明奖二等奖（“功能性高分子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化应用”）、江苏省科学技术一等奖（“功能性高分子聚氨基酸生物制备与产业化应用”）、中国专利银奖［“一种发酵生产γ-聚谷氨酸的柱式固定化反应器及其工艺”（ZL201310111449.0）］、首届江苏省专利发明人奖等。笔者在长期的研究和生产实践过程中，对聚氨基酸有了较为深刻的认识，积累了大量的一线科研资料。
本书由南京工业大学生物高分子与生物转化实验室徐虹教授组织编写，王瑞、雷鹏、冯小海、李莎、邱益彬、徐得磊、孙良、谷益安、罗正山、杨凯、孙涛、薛健等参加了本书的编写工作；全书共分九章，重点围绕聚氨基酸结构与理化性质、生物合成与调控及下游农业、食品、医学与日化等关键领域应用进行了详细论述。此外，编写过程中也参考了部分同行、专家、学者的研究成果和论著，在此表示感谢。
尽管笔者在本书中力求注重系统性和完整性，但该领域发展迅猛，不断有聚氨基酸新用途被发现和实施，由于笔者水平有限，书中难免存在不足，敬请广大读者批评指正。

徐虹
2023年2月